輪轂電機驅動電動汽車試驗臺的設計

新能源汽車是目前汽車行業(yè)的研究熱點和重要發(fā)展方向。其中,輪轂電機驅動的電動汽車極大地優(yōu)化了傳動系統結構,節(jié)省了車輛布置空間,使車身設計更為靈活多樣,同時動態(tài)響應更為靈敏,具有諸多傳統汽車所不具備的優(yōu)點面向輪轂電機電動汽車設計臺架,使用CAN網絡控制,實現了4個子臺架的通信和聯調,通過實驗驗證,其滿足4輪轂電機驅動電動汽車的試驗要求,為輪轂電機實車的研發(fā)奠定了實驗基礎。1軸承軸承試驗臺框架的設計1.1驅動電機性能測試系統為滿足輪轂電機電動汽車動力系統研究的需要,所設計的試驗臺架必須具備以下功能:(1)可以實現驅動電機在速度控制模式以及轉矩控制模式下的穩(wěn)態(tài)實驗;(2)對驅動電機在不同工況下進行性能測試與標定;(3)各驅動電機的聯調和協同控制;(4)可以驗證輪轂電機動力控制系統的控制策略和控制算法。1.2負載電機系統試驗臺架采用模塊化的設計思想,將臺架按功能劃分為不同的模塊(1)測功機系統。將80kW電機及變速箱動力總成作為測功機部分,通過施加負力矩來提供負載,同時可發(fā)電為電池充電,起能量循環(huán)的作用。(2)動力總成系統。將40kW電機及變速箱動力總成作為驅動電動輪。(3)數據采集與控制系統?；贑AN網絡的數據采集模塊,采集各部件的實時性能參數,發(fā)送給整車控制器VCU處理(4)能源管理系統。該系統由高壓電池組以及電池管理系統組成。(5)散熱冷卻系統。電機控制器采用空冷方式冷卻,電機和測功電機采用水冷方式冷卻。試驗臺架結構如圖1所示。2平臺架硬件結構設計2.1測功設備采用動力總成系統由40kW三相異步電動機和4檔機械式變速箱組成。測功機系統同樣由三相異步電機和變速箱系統組成,區(qū)別是測功機采用80kW的大功率電機,以提供更寬廣的負載范圍。動力系統測試,目前主要采用的方法是水力測功(已淘汰)、電渦流測功和電力測功,而電力測功機正逐漸成為主流。測功設備主要有AVL、西門子和FEV等品牌,價格昂貴。該實驗臺架和系統自身即是電驅動系統,采用兩套相同的電機變速箱動力系統對拖的試驗方法,試驗方案如圖2所示,其中(1),(2),(3),(4)為電流傳感器驅動系統驅動測功機系統,測功機系統提供負載并發(fā)電,變頻器將發(fā)電產生的交流電轉為直流電供給母線,母線再將直流電供給驅動電機變頻器轉為三相交流電驅動動力系統。整個系統處于電封閉狀態(tài),蓄電池組在系統中僅起起動和進行功率調節(jié)的作用,并用于補充系統因效率所損失的能耗(1)電機控制器輸入功率為P其中:U(2)電機控制器輸出功率為P其中:U(3)系統輸出功率為P其中:T則系統效率如下:電機控制器效率η2.2整車控制器的設計數據采集與控制系統包括以下幾個部分:(1)總控制柜部分包括Dspace數據采集模塊、數字功率分析儀和PC顯示端口。(2)駕駛員控制模塊部分包括鑰匙開關、前進后退選檔開關、加速踏板和制動踏板。臺架采集數據主要有:編碼器信號;扭矩傳感器模擬量信號;變速箱檔位傳感器信號;電機溫度傳感器信號;油門踏板行程模擬輸入信號;制動踏板行程模擬輸入信號;電位器(方向盤轉角)模擬量輸入信號;手動選檔開關量信號等。同時,根據目前的測功機系統,設計并實現了基于CAN2.0b的通信協議,滿足了在測功機中的數據采集和通信。基于CAN網絡的驅動控制實現了4個子系統臺架的聯調和網絡通信。CAN網絡拓撲圖如圖3所示。整車控制器VCU是整個試驗臺架的核心控制單元,根據試驗操作指令,經過VCU處理后,合理分配每個驅動電機需求轉矩或者轉速,以及變速箱的檔位控制。由于CAN網絡實現了4個子系統電機的信息交互,VCU可以對4臺驅動電機進行控制,實現對輪轂驅動電動汽車各項控制策略的試驗驗證。2.3管理系統的結構布置試驗臺架的能源系統采用9節(jié)蓄電池串聯而成,總蓄電池組供電電壓為600V,由高壓管理系統將電能傳送到每個驅動電機及測功機的電機控制器中,電機控制器中的變頻器再將600V的高壓直流電轉化為380V的三相交流電驅動電機高壓管理系統結構布置圖如圖4所示。該系統設置在配電柜中,其主要部件分布在一張390×320×10mm的耐絕緣板上,絕緣板上方是3個接觸器,靠左的是主接觸器K1,居中的是附件接觸器K2,靠右的是充電接觸器K3,在控制線圈的左邊是用于散熱的風扇F;板的左下方是電流熔斷器FU1,通過絕緣端子I1和I2固定在絕緣板上;右下方是防水盒,盒里面是一銅排即負極共用端HG,這兩者也是通過絕緣端子與絕緣板固定在一起,防水盒的下側面開孔,以方便電纜的連接,防水盒的端蓋上固定了一個接線排,用于低壓電路能源系統配有24V直流電源為電機控制器、整車控制器、冷卻系統,及其他低壓配件供電。蓄電池組還配有電池管理系統時刻監(jiān)視電池電壓、電流、溫度等狀態(tài),一旦超過臨界值,便報警。2.4電機冷卻電路整個試驗臺架的散熱冷卻系統主要包括兩部分:(1)測功電機及驅動電機的冷卻。電機的冷卻采用水冷的方式,通過散熱器總成,將冷卻液送至電機,循環(huán)冷卻。(2)電機控制器的冷卻。由于電機控制器集成了變頻器,因此必須采用冷卻裝置,冷卻裝置采用風冷方式進行冷卻。3等試驗臺架和網絡Labview是一種基于圖形開發(fā)、調試和運行程序的功能完整的集成化開發(fā)環(huán)境,應用的范圍十分廣泛,涵蓋從簡單的儀器控制、數據采集到尖端的測試和工業(yè)自動化等試驗臺架采用CAN網絡實現數據采集和通信,采用NI公司最新性能的基于PCI和PXI總線的CAN接口卡,利用其NI-XNETCAN嵌入式網絡接口,NI-XNETAPI與NILabview軟件無縫集成,結合Labview實時模塊使用,NI-XNET接口實現了真正的確定性和可靠性性能,這對于輪轂電機的測試是極為重要的。圖5為Labview程序設計數據監(jiān)控界面,通過監(jiān)控界面可以直觀清晰地監(jiān)測4個驅動電機的實時轉速、扭矩和電機溫度。4框架試驗和產品4.1油擠出試驗和電機速度聯合試驗通過矢量控制算法和PID算法實現臺架的速度跟隨。在測功機設定預設工況下4.2主驅動電機1號電機動態(tài)負載控制由控制器發(fā)送指定程序給測功機模塊,使測功機加載動態(tài)負載。主驅動電機1號電機采用扭矩控制的方式加載恒定輸出驅動力矩。3號驅動電機轉速跟隨1號電機。動態(tài)負載下電機聯調轉速跟隨曲線界圖面如圖7所示。4.3電子時差控制策略4輪轂電機獨立驅動車輛取消了變速器、減速器、差速器和轉向機構,布置靈活、傳動系統效率高。采用4個輪轂電機獨立驅動4個主動輪,電子差速控制4個主動輪的轉速和轉矩,實現車輛轉向。電子差速控制策略是車輛轉向的技術難點臺架上,確定路面負載,測功機給予確定值。轉向的情況下,由兩個輸入量來確定兩個車輪轉速大小,即:(1)車輛目標轉速(即油門開度);(2)方向盤轉角,試驗臺架上,方向盤轉角的信號由電位器控制,提供一個0~5V電壓信號模擬方向盤轉角。通過電位器給予的方向盤轉角信號和油門踏板信號,再由控制器中電子差速算法合理分配驅動車輪速度。實驗結果的界面圖如圖9和圖10所示。4.4整車控制器的升級改造穩(wěn)態(tài)工況下速度同步誤差在8r/min左右,當主動輪在拐點時,從動輪與主動輪的速度差增大至約20r/min左右,并且存在速度盲點,可通過如下措施進行改善:(1)硬件上可升級整車控制器,提高處理器的處理速度,增加處理器的采樣頻率,避免在速度跟隨時發(fā)生數據丟失,或者響應延遲的情況。(2)采用采樣頻率更高的CAN