電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)測試臺架設(shè)計

付 翔，王紅雷，黃 斌，楊玉強

(1.武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院,湖北 武漢 430070;2.燕山大學(xué) 車輛與能源學(xué)院,河北 秦皇島 066004)

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電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)測試臺架設(shè)計

付 翔1，王紅雷1，黃 斌1，楊玉強2

(1.武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院,湖北 武漢 430070;2.燕山大學(xué) 車輛與能源學(xué)院,河北 秦皇島 066004)

為了更好地進(jìn)行電動汽車動力總成的開發(fā)與試驗研究，利用可編程邏輯控制器(PLC)對驅(qū)動系統(tǒng)與測功系統(tǒng)同時進(jìn)行控制，使得試驗臺架結(jié)構(gòu)簡單、易于操作。臺架結(jié)構(gòu)的布置與控制程序的編程均采用模塊化處理，使得測試臺架具有較好的通用性和擴展性。試驗過程中，利用組態(tài)軟件對臺架實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)控，通過CAN總線實現(xiàn)整個臺架網(wǎng)絡(luò)的通信，并利用PLC實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中采集、顯示與處理，同時將所測數(shù)據(jù)在上位機中保存下來。試驗結(jié)果表明，所設(shè)計的測試臺架能夠滿足驅(qū)動系統(tǒng)的測試要求。

電動汽車;驅(qū)動系統(tǒng);試驗臺架;數(shù)據(jù)采集

電動汽車作為汽車工業(yè)發(fā)展方向之一，具有終端清潔無污染、能量轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點，對緩解環(huán)境和能源壓力，推動汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級具有重要意義[1-2]。電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)包括驅(qū)動電機、電機控制器、變速器等部件，在裝車之前需對驅(qū)動系統(tǒng)和單個部件進(jìn)行調(diào)試、標(biāo)定，以便更好地匹配車輛。動力試驗臺雖然較難準(zhǔn)確地模擬汽車的道路行駛情況，但是其作用在電機軸端的動力負(fù)載的變化趨勢與道路情況基本一致，有利于減少開發(fā)成本和提高開發(fā)進(jìn)度[3]。鑒于此,筆者提出基于PLC的電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)測試臺架，并同時控制測功系統(tǒng)與被測系統(tǒng)，通過控制器局域網(wǎng)(CAN)總線實現(xiàn)整個測試系統(tǒng)各模塊的通信與控制，利用組態(tài)軟件實現(xiàn)臺架狀態(tài)的監(jiān)控、試驗數(shù)據(jù)的存儲與報表的自動生成，并進(jìn)行了驅(qū)動系統(tǒng)電機的性能測試，從而達(dá)到評價動力總成系統(tǒng)的匹配與驗證動力驅(qū)動系統(tǒng)控制效果的目的。

1 測試臺架總體設(shè)計與硬件組成

1.1 測試臺架的功能

測試臺架需要完成驅(qū)動系統(tǒng)電機的穩(wěn)態(tài)性能、動態(tài)性能與可靠性測試。測試試驗包括外特性、效率、饋電性能、溫升與電機在速度或扭矩控制模式下的試驗等。

1.2 測試臺架模塊化設(shè)計

為了簡化驅(qū)動系統(tǒng)臺架設(shè)計，采用模塊化的設(shè)計理念，使測試臺架具有較好的通用性和可擴展性[4]。其中驅(qū)動系統(tǒng)測試臺架主要有測功系統(tǒng)、被測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及供能裝置等。驅(qū)動系統(tǒng)臺架設(shè)計原理圖如圖1所示。

圖1 驅(qū)動系統(tǒng)臺架設(shè)計原理圖

對動力系統(tǒng)進(jìn)行測試時，測功系統(tǒng)模擬負(fù)載進(jìn)行加載，此時測功系統(tǒng)處于發(fā)電狀態(tài)，產(chǎn)生三相交流電，并通過電機控制器整流轉(zhuǎn)化為直流電，對動力電池進(jìn)行充電，補償測試臺架的能量損耗，使得整個測試系統(tǒng)處于電封閉狀態(tài)，減少了能量消耗。

被測驅(qū)動系統(tǒng)即為80 kW三相交流異步電機，它通過聯(lián)軸器與測功系統(tǒng)連接。

測功系統(tǒng)采用電機與變速器組合提供負(fù)載，通過改變變速器的速比可以為被測系統(tǒng)提供較寬的負(fù)載，達(dá)到對不同驅(qū)動系統(tǒng)測試的目的，從而降低測功系統(tǒng)與整個試驗臺架的成本[5]。

控制系統(tǒng)由上位機、下位機(PLC)、電機控制器(MCU)等組成。上位機負(fù)責(zé)對PLC進(jìn)行控制與串行通信，PLC將來自上位機發(fā)送過來的指令信號進(jìn)行處理后執(zhí)行輸出動作，對測功系統(tǒng)和被測系統(tǒng)進(jìn)行控制。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要完成臺架試驗過程中數(shù)據(jù)的顯示、集中采集和保存，包括上位機、功率分析儀、扭矩傳感器、示波器等。

1.3 測試臺架硬件組成

考慮到驅(qū)動系統(tǒng)測試的復(fù)雜性，以及對測試臺架硬件的可靠性、準(zhǔn)確性和通信能力等有較高的要求，選用西門子PLC S7-200系列PLC，CPU型號為CPU-224，擴展模塊為EM235模塊。

電參數(shù)的采集與計算主要通過YOKOGAWA WT1600功率分析儀來完成，包括驅(qū)動電機輸入/輸出功率、電機控制器輸入/輸出功率、母線電流與電壓、功率因素等參數(shù)。此外還可以接收扭矩傳感器與旋變解碼器發(fā)出的信號，實時顯示扭矩與轉(zhuǎn)速，并進(jìn)行保存。通過電參數(shù)、轉(zhuǎn)速與扭矩信號得出系統(tǒng)各部分的效率。

被測系統(tǒng)電機轉(zhuǎn)速和測功系統(tǒng)電機轉(zhuǎn)速的測量均使用電機軸端的數(shù)字光電式編碼器，通過脈沖信號計數(shù)，可實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的精確測量。

溫度的測量采用PT100熱電阻溫度傳感器，它將溫度信號轉(zhuǎn)換為可傳送的標(biāo)準(zhǔn)化直流電流信號，實現(xiàn)電機溫度的準(zhǔn)確測量。

試驗過程中扭矩的測量采用HBM公司的T40非接觸式扭矩傳感器，轉(zhuǎn)矩信號為脈沖信號，其信號由定子發(fā)出，可以滿足被測系統(tǒng)電機臺架測試過程中在振動、扭矩與轉(zhuǎn)速變化很大及電磁干擾等惡劣環(huán)境下使用。

2 測試臺架程序與通信系統(tǒng)設(shè)計

2.1 測試臺架程序模塊化設(shè)計

根據(jù)所需要的驅(qū)動系統(tǒng)電機的性能試驗，采用STEP 7-Micro/WIN對其編程，將編輯無誤后的程序下載到PLC中，結(jié)合組態(tài)軟件進(jìn)行監(jiān)控，通過CAN網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)整個臺架系統(tǒng)的信息交互，完成對被測驅(qū)動系統(tǒng)與測功系統(tǒng)的控制。為了完成驅(qū)動系統(tǒng)的測試試驗，簡化程序設(shè)計的復(fù)雜性、方便調(diào)試和維護，筆者對程序進(jìn)行模塊化的設(shè)計[6]。控制對象分為被測驅(qū)動系統(tǒng)與測功系統(tǒng)兩部分，程序模塊需要完成對驅(qū)動系統(tǒng)與測功系統(tǒng)的同時控制，主要包括主程序、子程序、中斷程序和CAN接收/發(fā)送模塊。此外上位機還可以通過組態(tài)監(jiān)控界面完成對動力電池、低壓電池與冷卻系統(tǒng)等其他設(shè)備的監(jiān)控。

在驅(qū)動系統(tǒng)電機試驗過程中，為了達(dá)到更為精確的試驗結(jié)果，被測電機和測功機需要處于速度或扭矩閉環(huán)控制模式下，此時利用PLC內(nèi)部的PID算法程序，PID控制器采用離散化的控制方式，離散化公式如下：

式中：u(k)為第k次采樣的輸出；Kp為比例系數(shù)；T為采樣時間；Ti為積分時間常數(shù)；Td為微分時間常數(shù)；e(k)、e(k-1)分別為第k次和第k-1次采樣時的誤差值。

將被測電機試驗時通過臺架上的傳感器測得的信號存儲于CAN報文，并傳遞到PLC中的CAN接收模塊，解析CAN報文，根據(jù)其接收的電機運行狀況，通過CAN發(fā)送模塊，控制測功系統(tǒng)模塊，從而達(dá)到控制被測系統(tǒng)與測功系統(tǒng)的目的。程序設(shè)計整體框架如圖2所示。

圖2 程序設(shè)計整體框架圖

圖3 程序流程圖

圖3為驅(qū)動系統(tǒng)電機測試的程序流程圖。初次使用程序時，先將參數(shù)初始化，并對PLC進(jìn)行上電自檢。然后進(jìn)行故障自診斷，如果出現(xiàn)故障，上位機組態(tài)監(jiān)控界面上顯示出報警狀態(tài)；單擊報警信息查詢，將會出現(xiàn)詳細(xì)的故障部位，根據(jù)所出現(xiàn)的故障，由試驗人員進(jìn)行排除；待故障排除之后，再進(jìn)入到下一流程。根據(jù)所要測試的驅(qū)動系統(tǒng)的試驗項目，在組態(tài)軟件監(jiān)控界面依次寫入所需試驗項目參數(shù)，待參數(shù)寫入后，進(jìn)行驅(qū)動系統(tǒng)對應(yīng)項目的試驗，并將測試過程中的數(shù)據(jù)通過CAN網(wǎng)絡(luò)總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞與保存，待試驗結(jié)束后，用來分析驅(qū)動系統(tǒng)電機的基本性能，評價驅(qū)動系統(tǒng)的合理性。

2.2 人機界面

PLC多采用開關(guān)量輸入/輸出及模擬量輸入/輸出，不適合進(jìn)行人機對話[7]。在上位機中，采用FameView組態(tài)軟件設(shè)計出人機界面與PLC實現(xiàn)無縫對接，具有操作簡單、方便、高效等優(yōu)點。監(jiān)控界面根據(jù)系統(tǒng)要求，具有以下功能：依據(jù)界面輸入?yún)?shù)PLC產(chǎn)生相應(yīng)的邏輯輸出，實現(xiàn)臺架的控制；實時顯示測試臺架反饋的狀態(tài)信息；顯示報警狀態(tài)信息；數(shù)據(jù)的存儲；自動報表的生成等。

利用監(jiān)控界面監(jiān)控的參數(shù)有驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速、測功電機的轉(zhuǎn)速、扭矩、電機的定子溫度、電機控制器的輸出功率、電池的SOC、輸出電壓、電流等其他信息的監(jiān)控。組態(tài)監(jiān)控界面如圖4所示。

圖4 組態(tài)監(jiān)控界面

2.3 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)設(shè)計

控制器局域網(wǎng)總線(controller area network，CAN)是一種能夠支持高效安全的分布式控制與實時控制的串行通信協(xié)議[8]。近年來CAN總線已經(jīng)逐漸發(fā)展成為車輛電子系統(tǒng)、發(fā)動機控制單元及試驗臺架的主流現(xiàn)場總線之一[9]。

臺架中的CAN通信網(wǎng)絡(luò)基于SAE J1939通信協(xié)議，實現(xiàn)了PLC與臺架各部分的信息交互；并制定了網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層協(xié)議，實現(xiàn)了試驗臺架控制系統(tǒng)對試驗過程中數(shù)據(jù)的集中采集及各設(shè)備的分布式控制[10]。為了實現(xiàn)整個試驗數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)的智能化與網(wǎng)絡(luò)化，附件設(shè)備和功率分析儀等通過信息單元轉(zhuǎn)換為CAN總線控制；利用CAN總線通信控制MCU、BMS等設(shè)備，并直接連接到網(wǎng)絡(luò)。測試臺架CAN總線的通信速率為250 kb/s，擴展幀為29位標(biāo)識符，CAN總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 CAN總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

測試過程中，上位機監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)用戶具體控制要求，發(fā)送控制指令到 CAN總線上，驅(qū)動電機控制器和負(fù)載電機控制器接收CAN總線上控制指令以控制驅(qū)動電機和負(fù)載電機，同時監(jiān)控電機運行狀態(tài)和報警故障信息，BMS通過CAN總線監(jiān)控動力信息。功率分析儀主要用于檢測與計算試驗中的電參數(shù)；MCU、BMS和試驗控制臺通過 CAN總線網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)各傳感器測量數(shù)據(jù)的共享與測試用戶控制指令的收發(fā)。

3 測試臺架的運行與結(jié)果分析

3.1 驅(qū)動系統(tǒng)電機性能試驗

根據(jù)設(shè)計好的試驗臺架，選擇某一電動汽車用驅(qū)動電機進(jìn)行試驗，試驗項目包括效率、外特性、溫升,以及饋電試驗等。試驗用驅(qū)動系統(tǒng)三相交流異步電機的參數(shù)如表1所示。

表1 驅(qū)動電機參數(shù)

以測試驅(qū)動系統(tǒng)電機MAP圖為例，試驗時，被測電機采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，利用上位機組態(tài)監(jiān)控界面給定速度數(shù)值，經(jīng)PLC驅(qū)動模塊處理，通過CAN發(fā)送模塊，將轉(zhuǎn)速信息傳送到CAN網(wǎng)絡(luò)，控制被測電機控制器，電機控制器再控制被測電機，速度傳感器將測得的轉(zhuǎn)速信號反饋給PLC，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制，最終將轉(zhuǎn)速提升到相應(yīng)的測試轉(zhuǎn)速。待轉(zhuǎn)速穩(wěn)定到較理想的數(shù)值后，再利用監(jiān)控界面給定測功機不同的扭矩數(shù)值，PLC控制測功電機在不同轉(zhuǎn)速下施加不同負(fù)載，并在同一轉(zhuǎn)速下逐步增大軸端負(fù)載扭矩，直至被測電機在相應(yīng)轉(zhuǎn)速下達(dá)到輸出最大扭矩為止，以此來測得驅(qū)動電機在每一轉(zhuǎn)速下各工作點的效率和扭矩。

進(jìn)行驅(qū)動電機的饋電試驗時，將驅(qū)動電機作為發(fā)電機，利用測功機在轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制下拖動被測電機，被測電機作為發(fā)電機，產(chǎn)生三相交流電，經(jīng)驅(qū)動電機控制器整流處理后轉(zhuǎn)換為直流電輸出給動力電池，直到該轉(zhuǎn)速下達(dá)到最大功率為止，并依次在不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)行驅(qū)動電機的饋電特性試驗。

驅(qū)動電機的溫升特性是在額定狀態(tài)下的測試，此時將驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速維持在1 600 r/min，動力電池蓄滿電后電壓保持在540 V左右，測功電機負(fù)載扭矩為477 N·m，連續(xù)運轉(zhuǎn)1 h，記錄1 h內(nèi)電機定子的溫度變化。

3.2 試驗結(jié)果與分析

根據(jù)設(shè)計的測試臺架測得的試驗數(shù)據(jù)，并將試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，最終得到的驅(qū)動系統(tǒng)電機峰值特性、驅(qū)動電機饋電峰值特性與溫升特性如圖6所示。

圖6 電機特性測試數(shù)據(jù)

從圖6(a)中可以看出驅(qū)動電機的最大功率為159 kW、最大扭矩為889 N·m，并且拐點在1 600 r/min左右，符合理想的電機峰值工作特性;根據(jù)圖6(b)可知定子溫升最大值為114 ℃，峰值饋電功率拐點約為1 600 r/min，最大饋電功率的絕對值為157 kW，試驗測得的各參數(shù)與電機標(biāo)定參數(shù)基本一致。

圖7 電機MAP圖

由圖7試驗電機MAP圖分布分析可知，效率較高的區(qū)域都分布在額定轉(zhuǎn)速和額定扭矩附近，并且在電機額定轉(zhuǎn)速變化較大范圍內(nèi)，仍然具有較高的效率，符合電動汽車用驅(qū)動電機工作性能要求。試驗結(jié)果表明，該試驗臺架可以完成驅(qū)動系統(tǒng)電機的外特性、效率、饋電，以及溫升試驗。

驅(qū)動系統(tǒng)電機空載時通過上位機編程軟件設(shè)定的轉(zhuǎn)速和實測電機轉(zhuǎn)速如圖8所示，可以看出測得的試驗轉(zhuǎn)速與給定的轉(zhuǎn)速基本一致，表明該驅(qū)動系統(tǒng)電機試驗臺架可以較準(zhǔn)確、真實地記錄試驗數(shù)據(jù)。通過上述試驗分析說明，該電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)電機試驗臺架能夠滿足電機性能試驗要求，為電動汽車動力驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計、研究與匹配提供了重要依據(jù)。

圖8 給定轉(zhuǎn)速與實測轉(zhuǎn)速對比圖

4 結(jié)論

所設(shè)計的電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)試驗臺架采用PLC對測功系統(tǒng)與被測驅(qū)動系統(tǒng)同時進(jìn)行控制，并且結(jié)合組態(tài)軟件實現(xiàn)了試驗過程中的動態(tài)監(jiān)測、分析、故障報警及其報表生成等功能；采用CAN網(wǎng)絡(luò)通信，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳遞與精確控制。測試臺架結(jié)構(gòu)布置與控制程序均采用了模塊化處理，便于測試臺架的擴展、升級與改造。完成了驅(qū)動電機的外特性、效率、溫升與饋電試驗，試驗結(jié)果表明，所設(shè)計的電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)測試臺架能夠完成電機基本特性試驗，可以為今后電動車驅(qū)動系統(tǒng)性能測試提供參考。

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FU Xiang:Assoc. Prof. ; School of Automotive Engineering, WUT, Wuhan 430070, China.

[編輯：王志全]

Test Bench Design on Drive System of Electric Vehicle

FUXiang,WANGHonglei,HUANGBin,YANGYuqiang

In order to develop and carry out experimental study of electric vehicle power train better, a programmable logic controller (PLC) was used to control the drive system and the dynamometer system simultaneously. The test bench structure was then simple and the test bench was easy to operate. Modular processing was applied to bench structure layout and control procedural programming, making the test bench have good versatility and scalability. In test process, configuration software was employed to realize dynamic monitoring, communicate via CAN bus network, and combined with PLC to realize the centralized acquisition, display and processing of data. Meanwhile the data were saved in the upper monitor. The test results show that the design of the test bench can meet the test requirements drive system.

electric vehicle; driving system; test bench; data acquisition

2015-03-17.

付翔(1973-),女,湖北隨州人,武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院副教授;博士.

中央高校專項資金資助項目(2014-II-004)；武漢市科學(xué)技術(shù)局科研基金資助項目(2013011801010596).

2095-3852(2015)05-0571-05

A

U467.3

10.3963/j.issn.2095-3852.2015.05.010