純電動商用車動力總成可靠性能試驗系統(tǒng)設計

譚 偉，楊浩森，米 林，陳 勝

(1.重慶理工大學車輛工程學院，重慶 400054；2.綦江齒輪傳動有限公司，重慶 401421)

0 引言

純電動商用車動力總成作為車輛驅(qū)動系統(tǒng)的重要核心部件，主要由車載電機、變速器、電機控制器組成，其品質(zhì)對純電動商用車的動力性、可靠性及可行駛工況等關鍵性指標具有直接的影響。純電動商用車由于其傳動的轉(zhuǎn)矩和功率較大、整體傳動系統(tǒng)結構復雜，同時，存在額外的制動工況能量回饋工況，在耐久性和可靠性方面容易出現(xiàn)問題。因此，在產(chǎn)品研發(fā)期間，須進行耐久可靠性的驗證。

目前，對于純電動商用車動力總成整體缺少相關的試驗規(guī)范和標準，只有相關部件的試驗標準，其中，車載驅(qū)動電機的試驗標準規(guī)范為GB/T 29307—2012[1]，中型變速器的試驗標準規(guī)范為QC/T 568.3—2010[2]和QC/T 29063.3—2010[3]，試驗標準中分別規(guī)定了電機、變速器等部件的可靠性能試驗方法和試驗系統(tǒng)結構?？煽啃阅茉囼灢捎幂d荷循環(huán)次數(shù)試驗方法，即在一定的載荷循環(huán)次數(shù)內(nèi)(根據(jù)試驗轉(zhuǎn)速可以轉(zhuǎn)換為試驗時間)動力總成無異?，F(xiàn)象出現(xiàn)，則說明其可靠性符合提出的使用要求。

近年來，純電動汽車動力系統(tǒng)及其部件的試驗技術成為研究熱點。李海湘[4]采用模塊化思路結合CAN總線通信協(xié)議和TCP/IP通信協(xié)議，開發(fā)了一款滿足車用大功率電機試驗平臺。賀洪文[5]開發(fā)了電動乘用車電驅(qū)動系統(tǒng)的試驗測試平臺，通過采用雙電機來模擬汽車在真實路況下的道路負載，實現(xiàn)對電動汽車動力系統(tǒng)的負載動態(tài)模擬。徐達偉[6]開發(fā)了乘用車電動輪驅(qū)動電機動力系統(tǒng)的試驗臺架，使用2個電機分別采用轉(zhuǎn)矩控制和轉(zhuǎn)速控制，通過雙輪獨立驅(qū)動模式對電動車進行直線行駛工況的模擬。費莉[7]對電動汽車電機性能進行測試研究，完成了電動汽車驅(qū)動電機試驗臺測試系統(tǒng)的開發(fā)。Takeda M[8]等針對電動汽車用永磁同步電機設計了對拖型測試平臺，能夠有效的對電動汽車永磁同步電機的功率特性、動力特性、速度特性、回饋制動等方面進行準確測試。Rass?lkin A[9]等針對電動車驅(qū)動的系統(tǒng)效率、耐久性等性能測試，開發(fā)了車用電機試驗系統(tǒng)，利用上位機對試驗系統(tǒng)驅(qū)動及負載系統(tǒng)進行控制和試驗數(shù)據(jù)的采集監(jiān)測。

上述研究表明，由于純電動乘用車一般采用直驅(qū)形式，未配置變速器，對純電動汽車動力總成的可靠性試驗研究大部分集中在電機部件上。而純電動商用車由于質(zhì)量大，起步扭矩需求大，需要配置電機變速器一體式動力總成，系統(tǒng)的復雜性對動力總成的可靠性能影響較大，國內(nèi)外在此方面的可靠性試驗研究和試驗系統(tǒng)的開發(fā)較少。本文針對純電動商用車動力總成的可靠性能試驗，設計了可模擬動力總成驅(qū)動和能量回饋工況的可靠性能試驗系統(tǒng)。該試驗系統(tǒng)結合不同規(guī)格和型號的動力總成與試驗規(guī)范，生成試驗控制流程，可對轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、試驗時間等進行自動控制，同時自動記錄擋位、效率、溫度、振動等試驗過程數(shù)據(jù)，具有較高的自動化控制水平。

1 總體方案設計

1.1 機電系統(tǒng)方案設計

結合純電動商用車動力總成試驗的需求，機械傳動路線由純電動商用車動力總成、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器、負載測功電機以及相應的傳動連接件組成。電氣系統(tǒng)采用共直流母線能量回饋型技術方案。在電氣系統(tǒng)中，通過主動型整流模塊AFE將三相交流電整流為穩(wěn)定的600 V直流電形成直流母線，模擬車載動力電池的雙向直流電源DC/DC以及測功電機功率模塊與直流母線聯(lián)接。

驅(qū)動工況可靠性試驗時，雙向直流電源模塊從直流母線上獲取電能并轉(zhuǎn)換為車載電機控制器所需直流電壓的直流電源，驅(qū)動被試動力總成輸出功率，負載測功電機工作在發(fā)電模式下，吸收功率通過電機功率模塊回傳至直流母線，形成電封閉能量循環(huán)。制動工況可靠性試驗時，負載測功電機工作在電動模式，進行功率輸出，動力總成工作在能量回饋模式，吸收功率通過雙向直流電源模塊回饋至直流母線，同樣形成電封閉能量循環(huán)。

機電系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

圖1 機電系統(tǒng)結構方案

1.2 測控系統(tǒng)方案設計

測控系統(tǒng)負責對試驗流程進行自動控制并對試驗過程的相關數(shù)據(jù)進行實時采集和記錄，控制實時性要求高，數(shù)據(jù)通訊量大，因此采用上下位機的結構?？刂撇糠钟捎诳煽啃院蛯崟r性需求，采用PLC作為控制下位機，測試部分由于數(shù)據(jù)儲存分析和操作方便性需求，采用工控計算機作為上位機。

控制下位機PLC通過Profinet通訊方式對主動型直流電源模塊、電機功率模塊組成的變頻器系統(tǒng)進行控制，包括系統(tǒng)的啟停、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩的設定、模式切換等，并將變頻器、電機等運行狀態(tài)上傳至上位機進行實時監(jiān)控。上位機通過CAN通訊對雙向直流電源和車載電機控制器進行控制，同時通過信號采集通訊讀取溫度、振動、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩的試驗系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)。上位機除負責運行數(shù)據(jù)顯示、人機交互等功能外，能通過測控軟件實現(xiàn)對試驗信息的錄入，試驗流程的生成與管理，試驗參數(shù)的發(fā)送，試驗計時，試驗過程數(shù)據(jù)(轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩、振動、溫度)的采集、顯示與存儲等功能。測控系統(tǒng)結構方案如圖2所示。

圖2 測控系統(tǒng)結構方案

2 動力總成試驗系統(tǒng)硬件設計與選型

2.1 機電系統(tǒng)結構設計

純電動商用車動力總成試驗系統(tǒng)中，機械傳動系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)動力總成與負載測功電機之間的雙向動力傳遞，并為動力總成、傳感器、負載測功電機提供安裝和支撐，保證傳動件的同軸度。結合純電動商用車動力總成試驗的功率和轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩的需求，以及試驗臺系統(tǒng)的功率余量，選用額定功率為250 kW，額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min的異步交流電機作為測功負載電機。機械傳動系統(tǒng)裝配安裝圖如圖3所示。

圖3 機械系統(tǒng)結構安裝圖

主動型整流模塊、電機功率模塊等采用S120系列多傳動變頻器產(chǎn)品，功率、電流等技術參數(shù)與測功負載電機相匹配。雙向直流電源功率為250 kW。電氣系統(tǒng)選用的主要元器件技術參數(shù)如表1所示。

表1 主要電氣元器件技術參數(shù)

根據(jù)S120系列變頻器產(chǎn)品電氣連接要求以及電氣柜功能需求，設計的電氣原理連接圖如圖4所示。

2.2 測控系統(tǒng)選型與配置

根據(jù)測控系統(tǒng)設計方案，上位機采用IPC 610系列工控機，下位機采用S7-1215C型號PLC。上下位機之間采用TCP/IP通訊方式進行通訊，控制變量采用OPC Servers進行數(shù)據(jù)交換。雙向直流電源及車載電機控制器選用安裝在工控機內(nèi)的PCI-1680U CAN卡進行通訊控制。傳感器系統(tǒng)主要對試驗過程中的溫度、振動、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩等進行監(jiān)控，主要傳感器選型配置如表2所示。

圖4 電氣連接原理圖

表2 主要傳感器選型及技術參數(shù)

采用博途TIA V15軟件對硬件之間進行配置和組態(tài)，包括下位機PLC硬件配置組態(tài)、控制器CU320配置、主動型整流模塊硬件配置、電機功率模塊配置、通訊報文配置、OPC服務器配置等內(nèi)容。組態(tài)配置結束后，運用Starter軟件對測功負載電機進行靜態(tài)、動態(tài)辨識，優(yōu)化負載電機性能。配置組態(tài)完成后的S120多傳動變頻器系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 S120多傳動變頻器組態(tài)

3 測控軟件系統(tǒng)設計

3.1 下位機PLC程序設計

試驗系統(tǒng)下位機PLC程序的主要功能是實現(xiàn)PLC變量與變頻系統(tǒng)變量的交互，以及試驗系統(tǒng)部件的啟停邏輯控制，包括通訊子程序FC1和控制子程序FC2。通訊子程序FC1采用DPRD_DAT與DPWR_DAT函數(shù)通過370報文和352報文實現(xiàn)整流模塊、電機功率模塊的數(shù)據(jù)交互，并存儲到PLC中的DB4和DB1數(shù)據(jù)塊，部分通訊程序代碼如圖6所示。

圖6 PLC通訊程序部分代碼

控制子程序FC2的功能是通過讀寫變頻器報文數(shù)據(jù)實現(xiàn)整流啟?？刂疲撦d測功電機的啟停、調(diào)速、調(diào)矩、模式切換控制，以及故障報警及運行數(shù)據(jù)的讀取等，通過直接修改DB數(shù)據(jù)塊中的值進行操作。定義的PLC符號變量表如表3所示，部分程序代碼如圖7所示。

表3 PLC符號變量表

圖7 測功負載電機PLC控制程序部分代碼

3.2 上位機測控軟件設計

上位機測控軟件采用圖形化虛擬儀器設計軟件LabVIEW進行開發(fā)，軟件流程圖如圖8所示。

圖8 測控系統(tǒng)軟件總體流程圖

測控軟件啟動后，首先進行設備配置初始化。初始化結束后，通過登錄界面輸入正確用戶信息后進入試驗主界面；根據(jù)試驗動力總成結構，在試驗設置界面錄入相應信息，選擇或設置相應的試驗規(guī)范，生成試驗流程；試驗過程中測控軟件根據(jù)試驗流程進行試驗參數(shù)的自動控制，包括轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、模式切換、計時等，同時進行試驗數(shù)據(jù)的采集和實時顯示，并保存至數(shù)據(jù)庫中。試驗數(shù)據(jù)查詢分析子程序可對歷史試驗數(shù)據(jù)進行查詢和數(shù)據(jù)分析，并自動生成試驗數(shù)據(jù)報表，方便試驗人員查看。

3.2.1 上下位機OPC變量綁定

在進行上位機程序開發(fā)前，需要通過NI OPC進行上下位機交互變量的綁定，綁定完成后的OPC變量如圖9所示。

圖9 上下位機綁定的OPC變量

3.2.2 試驗參數(shù)設置及流程自動生成子程序設計

試驗參數(shù)設置子程序用于設置被測動力總成相應的試驗信息，包括錄入被測動力總成型號、編號、擋位傳動比信息、試驗轉(zhuǎn)速、試驗轉(zhuǎn)矩、試驗時間、正/反拖模式等，也可直接進行載荷譜曲線的導入。正拖模式時，被測動力總成工作在功率輸出模式，測功負載電機工作在發(fā)電回饋模式；反拖模式時，測功負載電機工作在功率輸出模式，被測動力總成此時為制動工況能量回收模式。測控軟件控制循環(huán)自動讀取設置完成的試驗流程，控制試驗系統(tǒng)運行。試驗流程錄入界面及流程控制參數(shù)讀取部分代碼如圖10、圖11所示。

圖10 試驗流程生成

圖11 試驗流程自動讀取程序部分代碼

3.2.3 動力總成CAN通訊控制子程序設計

由于被測動力總成在可靠性試驗過程中，通過刷寫VCU程序及變量進行電機和AMT的控制過程繁瑣。因此，設計了上位機CAN通訊控制子程序替代VCU的報文收發(fā)，與電機控制器MCU、AMT控制器TCU實現(xiàn)直接通訊控制，可實現(xiàn)試驗系統(tǒng)的統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制。各控制器之間的部分通訊報文如表4所示。

表4 各控制器之間的部分通訊報文

將表4中報文通訊進行計算機程序化，動力總成CAN通訊控制子程序部分代碼如圖12所示。

圖12 CAN通訊報文讀寫控制程序部分代碼

3.2.4 測功負載電機通訊控制程序設計

測功負載電機通訊控制采用共享變量綁定模式。將啟動、停止、復位、速度/扭矩模式、正反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、狀態(tài)字等直接與程序前面板進行共享變量綁定，如圖13所示。

圖13 負載測功電機控制共享變量綁定

3.2.5 計時循環(huán)

計時循環(huán)是根據(jù)試驗流程所設定的試驗時間進行試驗參數(shù)的自動讀取及啟停控制。采用定時While循環(huán)結構，通過已完成的試驗時間與設置的試驗時間相比較，當與設定的本次試驗時間相等后，讀取下一試驗流程數(shù)據(jù)發(fā)送至PLC下位機和被測動力總成MCU，試驗系統(tǒng)按下一試驗流程控制參數(shù)進行運行，全部試驗流程運行完成后，發(fā)送停車命令，試驗系統(tǒng)停止運行。主要的程序代碼如圖14所示。

圖14 計時循環(huán)程序代碼

3.2.6 數(shù)據(jù)采集與存儲設計

數(shù)據(jù)采集循環(huán)通過Modbus通訊定時采集傳感器數(shù)據(jù)，讀取試驗系統(tǒng)運行過程中的溫度、振動、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩的數(shù)據(jù)，進行運行狀態(tài)監(jiān)控，并將部分讀取數(shù)據(jù)進行存儲。數(shù)據(jù)采集子程序及數(shù)據(jù)存儲程序如圖15、圖16所示。

圖15 試驗數(shù)據(jù)采集程序代碼

圖16 數(shù)據(jù)存儲程序部分代碼

4 動力總成可靠性試驗系統(tǒng)運行試驗

將被測動力總成安裝在試驗臺架上，并進行機械結構對中調(diào)整，確認機械結構、電氣系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)無異常后可進行試驗。裝配調(diào)試好的純電動商用車動力總成可靠性能試驗臺如圖17所示。

圖17 純電動商用車動力總成可靠性能試驗系統(tǒng)

通過開發(fā)的試驗系統(tǒng)測控軟件進行試驗參數(shù)設置，錄入當前動力總成參數(shù)信息以及試驗規(guī)范，即每個擋位的試驗時間、試驗轉(zhuǎn)速、試驗轉(zhuǎn)矩、正反拖模式等。測控系統(tǒng)自動生成試驗流程，控制AMT進入設定試驗擋位，啟動動力總成電機和負載測功電機，并開始試驗計時。試驗時間計時結束后，自動切換AMT擋位，進行下一擋位的可靠性試驗。測控系統(tǒng)運行顯示界面如圖18所示。

圖18 可靠性能試驗系統(tǒng)運行界面

5 結束語

本文設計的純電動商用車動力總成可靠性能試驗系統(tǒng)可滿足大功率商用車動力總成的可靠性試驗。設計的測控系統(tǒng)可對試驗流程、試驗載循環(huán)加載時間、能量傳遞方向等進行有效的管理控制，同時可對動力總成的試驗過程數(shù)據(jù)進行實時顯示和記錄保存，實現(xiàn)了試驗系統(tǒng)的自動化運行。目前，本文所開發(fā)設計的純電動商用車動力總成可靠性能試驗系統(tǒng)已投入實際生產(chǎn)應用，設備運行穩(wěn)定，測控精度高，節(jié)能效果明顯。