新能源汽車性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)開發(fā)與研究

關(guān)鍵詞：驅(qū)動(dòng)電機(jī)；動(dòng)力電池；性能檢測(cè)

0引言

隨著汽車電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化和新能源汽車的保有量的增加，對(duì)新能源汽驅(qū)動(dòng)電機(jī)及動(dòng)力電池的性能測(cè)試和能量回收系統(tǒng)的參數(shù)測(cè)試顯得越來越重要[1]。驅(qū)動(dòng)電機(jī)及動(dòng)力電池的性能測(cè)試和能量回收系統(tǒng)的參數(shù)測(cè)試一直是新能源汽車維修行業(yè)的一個(gè)難點(diǎn)，傳統(tǒng)的檢測(cè)設(shè)備難以測(cè)量出其驅(qū)動(dòng)電機(jī)的實(shí)際驅(qū)動(dòng)工作時(shí)的電流、扭矩、功率以及其能量回收時(shí)的電流、扭矩、功率、轉(zhuǎn)速、負(fù)荷等機(jī)械特性參數(shù)以及動(dòng)力電池的電壓、電流等電力性能指標(biāo)[2]。因?yàn)閯?dòng)力電池的容量和回收性能的好壞直接影響到新能源汽車的行駛里程、駕駛體驗(yàn)[3]。檢測(cè)新能源汽車在不同工況下表征電機(jī)功率與轉(zhuǎn)矩曲線、電機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)荷曲線、能量回收與制動(dòng)時(shí)間曲線、單體動(dòng)力電池充放電曲線等，可用于職業(yè)本科教學(xué)和新能源汽車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性的科學(xué)研究。

1新能源汽車性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)整體設(shè)計(jì)

本研究用汽車底盤電動(dòng)測(cè)功機(jī)模擬起步、加速、上坡、下坡和制動(dòng)工況，實(shí)現(xiàn)主要性能測(cè)試和能量回收，以數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)監(jiān)測(cè)電池內(nèi)阻、溫度、SOC和電壓等參數(shù)，永磁同步電機(jī)扭矩、轉(zhuǎn)速、溫度、電壓、電流和功率等參數(shù)及能量回收性能參數(shù)[4]。

1.1新能源汽車性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)的組成

新能源汽車性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)（圖1）包括動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、能量回收系統(tǒng)、路面模擬系統(tǒng)、動(dòng)力電池系統(tǒng)、整車綜合系統(tǒng)。

能量回收系統(tǒng)包括電子控制單元ECU、雙向逆變電機(jī)、動(dòng)力電池，還包括驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、能量回收測(cè)試系統(tǒng)和動(dòng)力電池系統(tǒng)分別連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過CAN通訊設(shè)備連接上位機(jī)系統(tǒng)[5]。該測(cè)試系統(tǒng)通過上位機(jī)控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的DA模塊向電子控制單元ECU發(fā)送模擬的路況信號(hào)、負(fù)荷信號(hào)、以及對(duì)雙向逆變電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制。通過上位機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)展示能量回收與行駛路況及其他相關(guān)因素的內(nèi)在關(guān)系，定性定量的展示各參數(shù)間的線性關(guān)系。

1.2能量回收系統(tǒng)控制模塊的功能特點(diǎn)

運(yùn)行部分中的能量回收系統(tǒng)控制模塊，是整個(gè)新能源汽車性能測(cè)試與能量回收教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)開發(fā)的核心。系統(tǒng)核心結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)示意圖如圖2、圖3所示。

能量回收系統(tǒng)控制模塊是通過CAN總線通訊系統(tǒng)來監(jiān)測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩、回收的電壓、電流及功率等，并通過監(jiān)測(cè)到的相關(guān)參數(shù)決定對(duì)能量回收系統(tǒng)回收能量的大小。它將扭矩傳感器、動(dòng)力電池電壓、電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器統(tǒng)一起來，并通過CAN通訊來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。車輛在低速行駛或停車制動(dòng)時(shí)，由于道路交通情況的復(fù)雜，需要時(shí)常駐車制動(dòng)，在能量回收時(shí)就需要較大的啟動(dòng)阻力；車輛在高速行駛時(shí)，為了保證車輛的行駛平穩(wěn)，這就需要較小的行駛阻力，從而獲得更大的能量回收效能。

2新能源汽車性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)檢測(cè)原理

針對(duì)新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)及動(dòng)力電池的相關(guān)性能參數(shù)檢測(cè)和能量回收系統(tǒng)，研發(fā)了教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，服務(wù)于新能源汽車實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目教學(xué)，解決相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)。通過本文的研發(fā)，避免檢測(cè)過程中由于操作者的不確定性對(duì)測(cè)試參數(shù)的影響，也歸避由實(shí)車測(cè)試而帶來的不便利性。

該系統(tǒng)能模擬新能源汽車的起步、加速、上坡、下坡和制動(dòng)工況，自主開發(fā)自動(dòng)化裝置對(duì)新能源汽車進(jìn)行加載和驅(qū)動(dòng)；實(shí)驗(yàn)臺(tái)安裝了傳感器和數(shù)據(jù)采集、分析系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)獲取被測(cè)車輛數(shù)據(jù)；根據(jù)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目需求，對(duì)要分析的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析，并以曲線形式呈現(xiàn)出來，本實(shí)驗(yàn)臺(tái)可對(duì)新能源汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)、能量回收系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試和分析。

根據(jù)GB/T18386—2005《電動(dòng)汽車能量消耗率和續(xù)駛里程實(shí)驗(yàn)方法》，開發(fā)了以計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)為核心的新能源汽車性能測(cè)試和能量回收系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，根據(jù)新能源汽車性能測(cè)試和能量回收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和測(cè)試條件的要求，控制永磁同步電機(jī)系統(tǒng)的輸入和輸出端加載，用模擬負(fù)載制動(dòng)器產(chǎn)生的制動(dòng)力模擬新能源汽車能量回收系統(tǒng)在測(cè)試過程中受到的驅(qū)動(dòng)阻力。用USB5936多功能數(shù)據(jù)采集卡采集來自各傳感器的測(cè)試數(shù)據(jù)，同時(shí)利用USB2850上的一個(gè)模擬量輸出通道來控制模擬負(fù)載?；谏衔粰C(jī)系統(tǒng)用于讀取驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和加載系統(tǒng)的編碼器信息，用于測(cè)試扭矩、角度、轉(zhuǎn)速、電壓、電流、負(fù)荷及功率等主要信息。

本實(shí)驗(yàn)臺(tái)可實(shí)現(xiàn)的功能如下：

（1）根據(jù)實(shí)驗(yàn)電機(jī)、電池和控制器提供可供的交直流電源。

（2）測(cè)量動(dòng)力電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等機(jī)械特性參數(shù)。

（3）測(cè)量動(dòng)力電機(jī)和電池的電壓、電流等電力性能指標(biāo)。

（4）模擬新能源汽車的起步、加速、上坡、下坡和制動(dòng)工況。

（5）可進(jìn)行職業(yè)本科汽車專業(yè)教學(xué)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目：新能源汽車動(dòng)力性能檢測(cè)、能量回收性能檢測(cè)及新能源汽車故障診斷與排除。

3新能源汽車性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)

新能源汽車性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)由下位機(jī)測(cè)試部分、上位機(jī)控制部分兩部分組成（圖4）。下位機(jī)測(cè)試部分包含測(cè)試滾筒、電機(jī)、聯(lián)軸器、半軸、差速器等，上位機(jī)控制部分包含數(shù)據(jù)采集和驅(qū)動(dòng)控制模塊，上位機(jī)控制模塊通過多路PCI串口通信卡、PCI-CAN雙通道通信卡來驅(qū)動(dòng)下位機(jī)。滾筒測(cè)試裝置主要包括以下五個(gè)部份：滾筒組、電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器、底座、線束及接插件。

系統(tǒng)滾筒裝置模擬新能源汽車的起步、加速、上坡、下坡和制動(dòng)工況，測(cè)試條件固定、操作簡(jiǎn)單、可重復(fù)性好、安全可靠以及數(shù)據(jù)采集方便。

3.1新能源汽車性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)控制策略

滾筒組與被測(cè)車輛驅(qū)動(dòng)輪接觸，承受傳遞驅(qū)動(dòng)力和制動(dòng)力，模擬汽車行駛時(shí)的各種工況。滾筒組由左右兩對(duì)主動(dòng)和從動(dòng)滾筒構(gòu)成，兩者平行且固定在框架上。兩個(gè)主滾筒中間固定一個(gè)額定功率為22kW新能源汽車原車電動(dòng)機(jī)，該電動(dòng)機(jī)兩端用聯(lián)軸器分別與兩個(gè)主滾筒相連，從而保證兩個(gè)主滾筒轉(zhuǎn)速相同，防止測(cè)試時(shí)汽車跑偏。

主滾筒可以由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，從而可以測(cè)試汽車的性能，也可以由汽車驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)，主滾筒通過聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)相當(dāng)于一個(gè)發(fā)電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)能量回收功能。

3.2實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的加工制作

新能源汽車性能測(cè)試和能量回收系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)樣機(jī)如圖5所示，整體尺寸為（4600×2500×350）mm；實(shí)驗(yàn)臺(tái)配有電控箱，放置PLC控制器、工控機(jī)、高性能嵌入式控制系統(tǒng)等。通過自主開發(fā)的滾筒組來模擬新能源汽車不同工況，自行開發(fā)研制了新能源汽車性能檢測(cè)和能量回收系統(tǒng)。

實(shí)驗(yàn)臺(tái)安裝了傳感器和數(shù)據(jù)采集、分析系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)獲取被測(cè)車輛數(shù)據(jù)；根據(jù)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目需求，對(duì)要分析的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析，并以曲線形式呈現(xiàn)出來。本實(shí)驗(yàn)臺(tái)可對(duì)新能源汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)、能量回收系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試和分析，以達(dá)到檢驗(yàn)?zāi)芰炕厥招Ч?/p>

系統(tǒng)可以模擬新能源汽車的起步、加速、上坡、下坡和制動(dòng)工況，自主開發(fā)自動(dòng)化裝置對(duì)新能源汽車進(jìn)行加載和驅(qū)動(dòng)；實(shí)驗(yàn)臺(tái)安裝了傳感器和數(shù)據(jù)采集、分析系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)獲取被測(cè)車輛數(shù)據(jù)；根據(jù)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目需求，對(duì)要分析的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析，并以曲線形式呈現(xiàn)出來。本實(shí)驗(yàn)臺(tái)可對(duì)新能源汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)、能量回收系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試和分析。

3.3新能源汽車性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)面板設(shè)計(jì)

對(duì)新能源汽車性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)面板進(jìn)行了自主設(shè)計(jì)（圖6）。軟件主體使用PLC開發(fā)，能在目前常見的Windows操作系統(tǒng)中運(yùn)行。操作界面包含新能源汽車性能測(cè)試和能量回收原理圖認(rèn)知、實(shí)驗(yàn)操作設(shè)置以及數(shù)據(jù)采集等幾大模塊；汽車性能測(cè)試和能量回收原理圖認(rèn)知模塊主要介紹實(shí)訓(xùn)臺(tái)結(jié)構(gòu)、原理和功能，配圖文；實(shí)驗(yàn)操作設(shè)置模塊包含：通道設(shè)置、電壓值范圍、結(jié)束時(shí)間、結(jié)束電壓、結(jié)束電流及結(jié)束容量等；數(shù)據(jù)采集模塊讀取ECU充電電流等信號(hào)，并根據(jù)需要自動(dòng)生成充電電流特性曲線。面板功能完整、美觀，便于操作。

3.4實(shí)驗(yàn)臺(tái)的技術(shù)要求

（1）系統(tǒng)組成：由運(yùn)行部分、電氣控制部分兩部分組成。運(yùn)行部分包含滾筒組、聯(lián)軸器和電動(dòng)機(jī)等，電氣控制部分包含數(shù)據(jù)采集和驅(qū)動(dòng)控制模塊。

（2）系統(tǒng)采用原車電動(dòng)機(jī)總成，使用實(shí)車測(cè)試，利用滾筒組模擬實(shí)現(xiàn)汽車不同的運(yùn)行工況，通過配套的軟件可以展示能量回收特性曲線或性能曲線，軟件主體使用PLC開發(fā)，能在目前常見的Windows操作系統(tǒng)中運(yùn)行。

（3）操作界面包含新能源汽車性能測(cè)試和能量回收原理圖認(rèn)知、實(shí)驗(yàn)操作設(shè)置、數(shù)據(jù)采集等幾大模塊。汽車性能測(cè)試和能量回收原理圖認(rèn)知模塊，主要介紹實(shí)訓(xùn)臺(tái)結(jié)構(gòu)、原理和功能，配圖文；實(shí)驗(yàn)操作設(shè)置模塊，包含通道設(shè)置、電壓值范圍、結(jié)束時(shí)間、結(jié)束電壓、結(jié)束電流和結(jié)束容量等；數(shù)據(jù)采集模塊讀取ECU充電電流等信號(hào)，并根據(jù)需要自動(dòng)生成充電電流特性曲線。

（4）在滿足功能需求的基礎(chǔ)上，界面盡量美觀、便于操作、實(shí)用性強(qiáng)。

4結(jié)束語

本實(shí)驗(yàn)裝置可以方便、直觀地了解新能源汽車性能測(cè)試和能量回收的工作原理?？陀^、真實(shí)地展現(xiàn)出來新能源汽車的起步、加速、上坡、下坡和制動(dòng)工況，自主開發(fā)自動(dòng)化裝置對(duì)新能源汽車進(jìn)行加載和驅(qū)動(dòng)；安裝了傳感器和數(shù)據(jù)采集、分析系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)獲取被測(cè)車輛數(shù)據(jù)；本實(shí)驗(yàn)臺(tái)可對(duì)新能源汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)、能量回收系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試和分析。為新能源汽車性能測(cè)試和能量回收系統(tǒng)的研究及教學(xué)提供了較好的支持。