基于綜合臺(tái)架的同級(jí)客車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)序列性能測(cè)試與評(píng)價(jià)

吳洪亭，劉靜雯, 王海文，馮汝廣，李世征

(1.中通客車控股股份有限公司 山東省新能源客車安全與節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 聊城 252000；2.聊城職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 聊城 252000)

目前，針對(duì)同級(jí)純電動(dòng)客車的不同驅(qū)動(dòng)電機(jī)測(cè)試評(píng)價(jià)方法主要有裝車前臺(tái)架測(cè)試和裝車后轉(zhuǎn)鼓測(cè)試或路試[1-2]。臺(tái)架測(cè)試主要是按照GB/T 18488.2—2015[3]規(guī)定的檢測(cè)項(xiàng)目及方法進(jìn)行對(duì)比，但測(cè)試并未包含整車控制器，無法準(zhǔn)確地反映裝車后的運(yùn)行性能[4]。裝車后轉(zhuǎn)鼓測(cè)試或路試雖可以真實(shí)反映整車運(yùn)行性能，但是存在整車附件、駕駛員駕駛行為、路況等測(cè)試環(huán)境不確定性的影響，且測(cè)試成本較高[5-6]。所以上述方法并不適用同功率段驅(qū)動(dòng)電機(jī)序列性能的測(cè)試評(píng)價(jià)。

本文將整車控制器融入被測(cè)環(huán)境，應(yīng)用基于綜合臺(tái)架的不同驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)性能測(cè)試方法，既可以檢測(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)常規(guī)性能，又可以模擬特定整車狀態(tài)驗(yàn)證系統(tǒng)的動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性。該方法保證了一致的測(cè)試環(huán)境，提高了測(cè)試的準(zhǔn)確性。

1 4款驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能測(cè)試

1.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)臺(tái)架測(cè)試方案

測(cè)試環(huán)境條件：溫度20～25 ℃；相對(duì)濕度55%～65%；氣壓95～105 kPa。

1) 將驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制器依照GB/T 18488.2—2015[3]完成上臺(tái)架前基本測(cè)試，測(cè)試項(xiàng)目包括：一般要求、外觀、外形尺寸、質(zhì)量、驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器殼體機(jī)械強(qiáng)度、電機(jī)定子繞組的冷態(tài)直流電阻、電機(jī)絕緣電阻、電機(jī)控制器的絕緣電阻，并結(jié)合要求對(duì)檢測(cè)結(jié)果作出符合性判定。

2) 將驅(qū)動(dòng)電機(jī)上臺(tái)架，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)同被測(cè)系統(tǒng)正常通訊及控制后，依照GB/T 18488.2—2015[3]開展電機(jī)系統(tǒng)工作電壓范圍、轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性、峰值轉(zhuǎn)矩與峰值功率、堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩、最高工作轉(zhuǎn)速、系統(tǒng)最高效率、高效工作區(qū)、轉(zhuǎn)矩控制精度、超速等項(xiàng)目的測(cè)試，并結(jié)合要求對(duì)檢測(cè)結(jié)果作出符合性判定。

3) 保持驅(qū)動(dòng)電機(jī)臺(tái)架測(cè)試狀態(tài)，將整車控制器加入被測(cè)系統(tǒng)，調(diào)試實(shí)現(xiàn)正常通訊與控制。在綜合臺(tái)架控制系統(tǒng)中錄入整車信息并結(jié)合GB/T 18386—2017[7]中城市客車行駛阻力系數(shù)推薦值，選擇搭載該系統(tǒng)序列城市客車65%載荷和滿載兩種狀態(tài)，計(jì)算不同車速對(duì)應(yīng)的行駛阻力值，將行駛阻力值、主減速比、車輪滾動(dòng)半徑、質(zhì)量等參數(shù)寫入模型，模擬整車環(huán)境開展車輛爬坡、加速時(shí)間、最高車速以及循環(huán)工況的測(cè)試。

1.2 整車及驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)

本文測(cè)試對(duì)象為4款某8 m級(jí)客車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)，整車整備質(zhì)量7 250 kg，滿載質(zhì)量13 000 kg，65%載荷質(zhì)量10 987.5 kg，主減速比5.86，車輪滾動(dòng)半徑0.407 m，被測(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能參數(shù)見表1，其中驅(qū)動(dòng)電機(jī)3含有兩擋變速器，一、二擋速比分別為3.48和1.44。

表1 4款驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)參數(shù)

2 測(cè)試結(jié)果及對(duì)比分析

2.1 測(cè)試結(jié)果

車輛行駛阻力F值的計(jì)算見GB/T 18386—2017[7]和參考文獻(xiàn)[8]，計(jì)算得不同載荷對(duì)應(yīng)的車速行駛阻力值見表2。

表2 65%載荷與滿載對(duì)應(yīng)車速下的阻力值

驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)常規(guī)性能測(cè)試結(jié)果包括：工作電壓范圍、轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性、峰值轉(zhuǎn)矩與峰值功率、最高工作轉(zhuǎn)速、系統(tǒng)最高效率等；模擬整車測(cè)試結(jié)果包括：車輛爬坡、加速、最高車速以及循環(huán)工況等。其中驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)1的常規(guī)性能以及模擬整車的測(cè)試結(jié)果如圖1～圖4所示。

圖1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)1的電動(dòng)效率MAP圖

圖2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)1的饋電效率MAP圖

圖3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)1的轉(zhuǎn)矩及功率特性曲線

圖4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)1 的CCBC工況測(cè)試曲線

2.2 4款驅(qū)動(dòng)電機(jī)測(cè)試結(jié)果分析

2.2.1 常規(guī)性能測(cè)試結(jié)果對(duì)比

從4款電機(jī)系統(tǒng)的電動(dòng)效率MAP圖(圖1)、饋電效率MAP圖(圖2)和轉(zhuǎn)矩及功率特性曲線(圖3)可以看出，電機(jī)1、2、3、4的高效區(qū)(效率≥80%的區(qū)域)占比分別為90.65%、90.65%、83.43%(一擋)/85.98%(二擋)、92.18%，峰值功率分別為150.8 kW、172.3 kW、140.4 kW、154.7 kW，峰值轉(zhuǎn)矩分別為1 800.1 Nm、1 957.8 Nm、1 911.7 Nm、1 961.3 Nm。

由上述峰值轉(zhuǎn)矩、峰值功率數(shù)據(jù)可以看出，電機(jī)2的動(dòng)力性最好，因?yàn)榉逯缔D(zhuǎn)矩越大，電機(jī)低速時(shí)的動(dòng)力性越好；峰值功率越大，電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速范圍就越寬，車輛就具有更寬范圍的最大動(dòng)力輸出能力。由高效區(qū)占比數(shù)據(jù)可知，電機(jī)4的效率特性最好，但實(shí)際整車運(yùn)行時(shí)的經(jīng)濟(jì)性還需參考模擬整車的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.2.2 模擬整車測(cè)試結(jié)果對(duì)比

4款驅(qū)動(dòng)電機(jī)模擬整車測(cè)試結(jié)果見表3。

表3 4款驅(qū)動(dòng)電機(jī)模擬整車測(cè)試結(jié)果

注：4款電機(jī)模擬整車測(cè)試項(xiàng)目參數(shù)配置一致，涉及坡度類測(cè)試均為滿載，其他測(cè)試狀態(tài)均為65%載荷。

從表3可以看出：配置電機(jī)2的車輛的綜合動(dòng)力性最好，這與電機(jī)常規(guī)性能測(cè)試結(jié)果分析一致。不同的是：電機(jī)3常規(guī)性能測(cè)試的峰值轉(zhuǎn)矩值大于電機(jī)1峰值轉(zhuǎn)矩，但是在模擬整車測(cè)試中卻與此相反，這應(yīng)與電機(jī)3含有的變速器有關(guān)。

電機(jī)4常規(guī)性能測(cè)試中電機(jī)效率特性最好，但由表3模擬整車的CCBC工況測(cè)試結(jié)果可以看出：配置電機(jī)4的車輛百公里電耗卻不是最低的，這種結(jié)果與模擬整車測(cè)試時(shí)加入了整車控制器有一定關(guān)系，整車控制器的控制策略會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響，另外，模擬整車CCBC工況測(cè)試的電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速不是均勻分布的，而常規(guī)性能測(cè)試的高效區(qū)占比是對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍的所有效率值做等權(quán)重處理的。

19%坡度下電機(jī)2和電機(jī)4發(fā)熱率明顯較高，說明這2款電機(jī)的損耗或電機(jī)水道的設(shè)計(jì)存在一定缺陷。

綜上可知，與電機(jī)常規(guī)性能測(cè)試相比，模擬整車測(cè)試結(jié)果能夠更真實(shí)地反映電機(jī)裝車后的性能；結(jié)合電機(jī)常規(guī)性能測(cè)試與模擬整車可以作出評(píng)價(jià)：配置電機(jī)1的車輛整車經(jīng)濟(jì)性最好，配置電機(jī)2的車輛整車動(dòng)力性最好。

2.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)優(yōu)化建議

通過對(duì)該4款驅(qū)動(dòng)電機(jī)的常規(guī)性能和裝車模擬測(cè)試結(jié)果的對(duì)比分析，提出以下優(yōu)化建議：

1)合理設(shè)置保護(hù)策略。驅(qū)動(dòng)電機(jī)3、4峰值功率及轉(zhuǎn)矩輸出不達(dá)標(biāo)，與其硬件限制、電控保護(hù)策略不合理存在一定關(guān)系[9]，建議廠家在電機(jī)系統(tǒng)制造時(shí)不僅要保證硬件質(zhì)量，還要結(jié)合車輛運(yùn)行環(huán)境設(shè)置合理的保護(hù)策略。

2)結(jié)合電機(jī)優(yōu)化整車控制系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)4高效區(qū)占比在測(cè)試電機(jī)中最優(yōu)，但其在工況測(cè)試中的電耗表現(xiàn)并不出色，建議通過優(yōu)化與該驅(qū)動(dòng)電機(jī)匹配的整車控制策略，進(jìn)一步提高整車經(jīng)濟(jì)性。

3)優(yōu)化電機(jī)散熱結(jié)構(gòu)。電機(jī)2、電機(jī)4溫升較快，說明驅(qū)動(dòng)電機(jī)內(nèi)部設(shè)置的冷卻水道未能及時(shí)有效地把熱量帶出，影響驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出性能[10]，建議優(yōu)化水道結(jié)構(gòu)，保證合理的冷卻液流量和接觸熱阻，實(shí)現(xiàn)更均勻的溫度分布，以達(dá)到較好的冷卻效果。

3 結(jié)束語

利用綜合臺(tái)架結(jié)合模擬整車的測(cè)試方法，對(duì)同級(jí)純電動(dòng)客車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)序列的性能進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，可為純電?dòng)客車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型、匹配及優(yōu)化研究提供理論參考和科學(xué)依據(jù)。