（车辆工程专业论文）新能源汽车动力系统匹配试验台研究.pdf

摘要 摘要 随着能源储量的逐渐减少以及人们环保意识的不断增加，新能源汽车已被 越来越多的国家所重视，开发新能源汽车已成为各大国家、企业、高校的研究 重点。 本课题基于国家8 6 3 计划现代交通技术领域“节能与新能源汽车 重大项 目中的“燃料电池轿车动力系统技术平台研究开发计划，为新一代的燃料电 池轿车动力系统开发搭建合适的试验平台。 本文根据试验室的具体情况，结合原来的燃料电池汽车动力试验台的经验 教训，提出了试验台建设的结构方案，讨论了试验台开发的可行性、关键器件 选型和试验台相关参数的测试技术等，给出了试验台的总体设计和结构布置方 案，并详细论述了试验台建设的全过程以及调试结果。 文中重点研究试验台的电源模拟和惯量模拟两个部分，研制了一个用于模 拟动力蓄电池输出特性的大功率d c d c 转换器原理样机；并利用负载电机驱动 器自带的程序编写环境，以转矩闭环控制方式模拟了汽车行驶过程中受到的惯 性阻力。通过试验台的整体调试，得到了设计预期的电源模拟和惯量模拟效果， 为新能源汽车动力系统的开发提供了良好的试验条件。 关键词： 新能源汽车，动力系统，试验台，电源模拟，惯量模拟 a b s t r a c t a l o n gw i t h t h ed e c r e a s eo fe n e r g yr e s e r v e s a n di n c r e a s e o fp e o p l e 。s e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nc o n s c i o u s n e s s ，m o r ea n dm o r ec o u n t r i e sp a ya t t e n t i o nt o n e we l l e r g yv e h i c l e s t h ed e v e l o p m e n to fn e we n e r g y v e h i c l e sb e c o m e st h er e s e a r c h e m p h a s i so f v a r i o u sl a r g ec o u n t r i e s ，m a n u f a c t u r e sa n du n i v e r s i t i e s t h i ss u b j e c ti sb a s e do np l a n r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fd y n a m i cs y s t e m t e c h n o l o g yp l a t f o r mo ff u e lc e l lv e h i c l e ，w h i c hi sap a r to f e n e r g ys a v i n ga n dn e w e n e r g yv e h i c l e s s i g n i f i c a n tp r o j e c tt e a mi nm o d e mt r a n s p o r t a t i o nt e c h n o l o g y f i e l do f n a t i o n a lh i t e c h n o l o g yr e s e a r c h & d e v e l o p m e n tp r o g r a m m e i td e v e l o p s a n d c o n s t r u c t ss u i t a b l et e s tp l a t f o r mf o rn e wg e n e r a t i o no f f u e lc e l lv e h i c l e s t a k i n gt h ec o n c r e t ec o n d i t i o n so fl a ba n de x p e r i e n c ea n dl e s s o n so fo r i g i n a l d y n a m i cs y s t e mp l a t f o r mf o rf u e l c e l lv e h i c l e si n t oa c c o u n t ，t h es t u d ys c h e m e s s t r u c n l r et h ed e s i g no ft h et e s tp l a t f o r m ；d i s c u s sd e v e l o p i n gf e a s i b i l i t y , s e l e c t i o no f k e vc o m p o n e n t a la n dt e s t i n gt e c h n i q u eo fp l a t f o r mp a r a m e t e r sf i r s t l y t h e nt h ep a p e r d e t e n 】= l i n e st h eg e n e r a ld e s i g na n ds t r u c t u r a la r r a n g e m e n to ft h ep l a t f o r m ，d i s c u s s e s t h ew h 0 1 ep r o c e s so ft h ep l a t f o r mc o n s t r u c t i o ni nd e t a i l ，a n dd e b u g st h i st e s t b e d t h ep a p e rm a i n l ys t u d i e sp o w e rs i m u l a t i o na n di n e r t i as i m u l a t i o n i td e s i g n s a n d m a k e sap r i n c i p l ep r o t o t y p eo fh i g h - p o w e rd c d cc o n v e n e rt o s i m u l a t eo u t p u t c h a r a c t e r i s 矗c so fp o w e rb a t t e r y ；w i t ht h ep r o g r a m m i n gt o o l so ft h el o a dm o t o r , t h e e l e c t r i cm o t o rs i m u l a t e st h ei n e r t i ar e s i s t a n c e ，w h i c hc r e a t e si nt h ev e h i c l et r a v e l i n g s t a t e b yt h ew h o l ed e b u g g i n go ft h ep l a t f o r m ，t h ep o w e rs i m u l a t i o n a n di n e r t i a s i m u l a t i o na r ep r o v e dt or e a c ht h ee x p e c t e de f f e c t ，w h i c ho f f e r sg o o dt e s t c o n d i t i o n f o r t h ed e v e l o p m e n to ft h ed y n a m i cs y s t e mi nn e w e n e r g yv e h i c l e k e yw o r d s ：t h e r m a lm a n a g e m e n t ，p l a t f o r m ，c o o l i n gs y s t e m ，e n g i n e t e s tb e n c h ， v e h j c l e i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：亨争乏0 他 矿d 厂年7 月厂日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 于络怨 鼬d 旷年7 只| f 日 第1 章引言 1 1前言 第1 章引言 自从汽车问世以来，使人类的出行方式发生了根本的改变。从上世纪6 0 年 代至今，汽车已经成为人们日常生活中离不开的代步和运输工具。但是随着机 动车数量的急剧增加，其排放污染和噪声污染也日益加剧，再加上石油供给的 相对紧缺和石油资源的不可再生性等原因，使得世界各国都在研究能够替代传 统汽车的新能源汽车，而我国自本世纪初以来，大力发展燃料电池汽车。燃料 电池轿车是以燃料电池作为动力的电动汽车。燃料电池通过氢气和氧气的电化 学反应直接产生电能，生成洁净水，噪声低，效率高。将燃料电池用于交通运 输车辆，可以实现零排放，并作为未来最好的能源使用形式来替代传统汽车n 1 。 燃料电池汽车被视为能够调整交通能源使用结构和改善城市大气环境质量的有 效途径之一。 1 2 燃料电池汽车试验方法概述 汽车试验是指在专用试验场或其他专用场地或试验室内，使用专用的仪器 设备，依照试验大纲及有关标准，对汽车或总成部件进行各种测试的过程。汽 车试验是伴随着汽车工业的建立和成熟而逐渐发展起来的，现已成为汽车研发 过程中不可缺少的一个重要环节。由于受能源危机等因素的影响，世界各国对 电动汽车包括燃料电池汽车的研究都十分重视。燃料电池汽车与传动 燃料汽车的最大区别是用电机和电能代替( 或部分代替) 传统燃料汽车的内燃 机和燃油燃料。因此，与传统汽车的研发相比，燃料电池汽车的研发和试验主 要集中在电机及其控制、燃料电池及动力蓄电池管理、制动能量回收、传动系 统匹配等方面。 此外，燃料电池汽车是综合了燃料电池、动力蓄电池、电机及其控制、汽 车构造等技术的产物。从电机方面来看，可以把车辆的各种阻力作为电机的负 载，把问题归纳为电机的拖动和控制问题；而从车辆技术方面研究，燃料电池 第1 章引言 汽车又属于汽车技术领域的问题。因此，对燃料电池汽车的研究主要是使电机 技术和汽车技术更好的结合起来，找到两者之间最佳的匹配这就需要一套 行之有效的燃料电池汽车动力系统匹配试验方法。 目前，国内外在汽车( 包括传统动力和新能源汽车) 研发过程中，主要的 试验方法有以下三类：室外道路实车试验( 包括道路试验和试验场试验) 、室内 台架模拟试验和计算机仿真试验心1 。 1 2 1 室外道路实车试验 室外道路实车试验包括道路行驶试验和试验场试验1 ，它是指通过在实际 运用的道路或专门的试验场地上对汽车进行的各种操作，来观察和检验汽车的 运动状态，是汽车运动特性和检验汽车性能的最直接、最准确的方法。 车辆道路行驶试验是在实际使用条件下，全面地测试和考核车辆性能所采 用的最普遍的一种方法。近几年来，由于各种高性能的传感器、磁带记录器和 短距离遥测系统的采用，使得道路试验能够测量较多的性能和参数。车辆道路 试验的主要项目有动力性能试验、制动性能试验、经济性试验、操纵和稳定性 试验、通过性试验、噪声试验、可靠性和耐久性试验等。 车辆试验场试验是按预先制定的试验项目和规范在规定行驶条件下进行的 试验。一般在试验场中有比实际道路更恶劣的行驶条件和各种典型道路、典型 环境( 比如路面不平度、急转、陡坡等) 。在试验场中可进行可靠性试验、使用 寿命试验、环境试验以及强化试验，如选定比汽车一般行驶条件更恶劣的道路、 增加负荷的频率而复合和应力值保持不变、增加持续的行驶时间( 如昼夜三班 循环试验) 、采用更高的行驶速度等。这些措施不仅可以缩短试验周期，而且还 提高了试验的对比性。 室外道路实车试验除了汽车本身的特性之外，还要受路面状况、风向、风 速、驾驶员等因素的影响。因此，除了汽车本身以外的条件要尽量保持恒定外， 还要除去多余的参数，使室外道路实车试验在同一条件下进行，因此室外道路 实车试验中的各种试验方法都要求在特定的环境中( 实验场、风速、温度等) 进行另外，由于汽车是由驾驶员来操作的，所以室外道路实车试验中不能忽略 驾驶员和汽车的适应关系。 由于燃料电池汽车是在传统动力汽车的基础上进行研发的，其技术研究主 2 第1 章引言 要在动力匹配、电机驱动控制、能量管理系统、制动能量回收、动力传动系统 和整车系统的优化等方面，因此对于燃料电池汽车的试验也主要是针对这些关 键技术来进行的，通常进行燃料电池汽车的室外道路实车试验项目主要包括汽 车的起步试验、动力性试验、制动能量回收试验、经济性试验和续航里程试验 等几个方面h 1 。 1 2 2 室内台架模拟试验 室内台架模拟试验可以模拟实际使用工况，在实际试验中建立台架与实车 道路试验相应的关系，以代替一部分道路试验，从而提高试验精度，缩短试验 周期。室内台架试验按形式可分为在底盘测功机上直接进行试验和台架模拟试 验两种哺1 。 利用底盘测功机试验时，汽车不动，实验设备相对于汽车移动或振动，同 时通过一些技术措施，模拟汽车在行驶时的受力、载荷等，并在尽可能接近实 际行驶条件下进行各项参数的测量，能以较高的精度测试车辆及其零部件的性 能，并排除不需要研究的某些因素，如环境条件、驾驶员熟练程度等。 台架模拟试验是在汽车在开发完成前，通过试验设备对拟采用的发动机或 电机施加汽车行驶过程中的各种阻力，并且通过惯量模拟装置模拟所要开发的 汽车运行中的惯性能，利用这种模拟试验台可以进行汽车的动力匹配、能源管 理系统试验、电机控制器性能试验、再生制动试验等b 。 近几年来，随着计算机技术、电子技术的应用，车辆室内模拟试验技术发 展较快，精确程度提高，试验速度加快，试验项目增多，如室内动力性、经济 性、排气分析、耐久性、振动疲劳、环境试验等，并产生了各种各样的专用试 验装置，再加上电子计算机控制和处理数据技术的运用，使室内台架模拟试验 进入了新的发展阶段。目前室内台架模拟试验广泛采用了随机加载、数据自动 记录和采集处理系统，能够模拟车辆的实际使用工况，提高了试验精度，缩短 了试验周期，加快了新车型的开发进度。室内模拟试验不仅可以对零部件、总 成进行性能、强度和寿命试验，也可以对整车参数进行测定，模拟道路行驶的 各种试验口引。 1 2 3 计算机仿真试验 3 第1 章引言 随着计算机技术和网络技术的飞速发展，计算机仿真技术和虚拟现实仿真 在各行各业得到了广泛应用，使用计算机进行仿真的研究和应用也是如火如荼。 计算机仿真( c o m p u t e rs i m u l a t i o n ) 又称计算机模拟( c o m p u t e ra n a l o g y ) ，它是 分析和研究系统运行行为、揭示系统动态过程和运动规律的一种重要手段和方 法，是系统仿真的一个重要分支。系统仿真就是建立系统的模型，并在模型上 进行实验的过程。系统仿真技术实质上就是建立仿真模型并进行仿真实验的技 术。因此，通俗的说，计算机仿真就是指在实体尚不存在、或者不易在实体上 进行实验的情况下，对考察对象进行建模。然后通过计算机编程考察对象在系 统参数以及内外环境条件改变的情况，达到全面了解和掌握考察对象特性的目 的。 计算机仿真试验是一门利用计算机软件模拟实际环境进行科学实验的技 术。它具有经济、可靠、实用、安全、灵活、可多次重复使用的优点。已经成 为对许多复杂系统( 工程的、非工程的) 进行分析、设计、试验、评估的必不可 少的手段。它是以数学理论为基础，以计算机和各种物理设施为设备工具，利 用系统模型对实际的或设想的系统进行试验仿真研究。 基于计算机仿真试验的上述优点，以及新能源汽车研究开发的需要一 方面需要站在系统水平的高度对诸如电动汽车部件选型、结构布置、传动系参 数匹配、整车能源管理与控制策略优化等问题进行全面分析，在平衡传动系统、 电力系统、能源管理系统等子系统的基础上确定整车的集成系统；另一方面又 由于其快速发展的需求，要求设计者快速、灵活、有效地寻找技术突破口，以 缩短设计周期，节省科研费用仿真试验技术被广泛用于新能源汽车的设计 与开发过程中，尤其在汽车的前期理论研究阶段，仿真技术越来越显示出不可 替代的重要作用。 1 2 4 三种实验方法的比较 室外道路实车试验是检验汽车性能最直接、最可靠的方法，具有测试结果 准确的优点，可以全面考核、评价车辆的技术性能，简单易行，这也是以前采 用较多的试验方法。但是由于道路条件难于控制，而行车又受到交通状况和其 他条件的限制，试验结果的重复性和可比性都比较差。此外，在可靠性和耐久 性试验中，由于行车时间较长，造成大量人力、物力、财力的浪费，使产品开 4 第1 章引言 发的周期变长，而且也不安全。随着汽车试验技术的发展，目前广泛采用有各 种试验道路、试验场地、试验室以及各种辅助设施组成的汽车试验场来代替实 际使用的道路，由于试验场内有些试验路段是模拟汽车的实际使用工况的，试 验结果可以与实际行驶的情况基本相同。又因为试验场的道路可以人为的强化， 具有比实际行驶道路更恶劣的路况，因而在很短的试验里程内即可获得试验结 果，大大缩短了试验时间，提高了效率。另外，试验场中试验道路和设施是稳 定和专用的，而且试验时不受外界交通条件等因素的影响和干扰，而此能保证 试验条件的一致性。但是，由于室外道路实车试验一般都是在汽车产品开发出 来之后才能进行，因此他只能用来评估已开发车辆的性能，不能在汽车设计开 发出来之前进行相关的动力匹配试验、电器总成试验等，因此不能在车辆的设 计开发过程中给设计者提供比较合理、可靠的方案，若发现问题需要改进的话， 需要再投入大量时间、人力和物力。 利用计算机仿真的方法进行新能源汽车的研发，能够对汽车的参数进行分 析优化，得出合理的动力匹配和整车参数，大大降低了产品的设计开发费用， 缩短研制周期，同时也能提高产品的性能。计算机仿真的关键在于所建模型的 正确性和精确性，但是由于新能源汽车是一个比较复杂的系统，加之不同地区 的交通环境条件也存在差异，其行驶工况不容易统一设计，这就给计算机模拟 带来一些困难，在忽略一些因素的基础上所建立的数学模型往往不能准确反映 新能源汽车实际的运行情况和性能阳1 。 室内台架模拟试验主要是通过模拟汽车行驶时作用在发动机或电机输出轴 上的实际负荷，再现汽车行驶中的起步、换档、变速、制动等过程，理论上可 以达到与室外道路实车试验完全相同的效果，可以灵活的进行汽车的动力性、 能耗与续驶里程、动力系统匹配、制动能量回收等试验的研究。这打破了汽 车研究一贯采用的台架转鼓道路的三阶段试验模式，大大缩短了研制 周期，节省了经费开支。据有关资料估计，如果4 1 5 的实车试验能用台架试验 代替，将使汽车的研制周期缩短至原来的1 1 4 ；而完成相同的试验，运用台架 试验所需的费用仅为实车试验的1 1 3 左右。室内台架模拟试验具有投入小、试 验方便可靠、应用范围广等优点，更有利于在汽车开发过程中早期发现某些系 统问题，进行及早优化。但是汽车的行驶工况的再现和行驶阻力的模拟与汽车 的真实运行状况之间存在差异，该差异的大小取决于试验台的控制技术，近几 年来计算机和电子技术的迅速发展和广泛应用，为试验台的控制技术提供了基 5 第1 章引言 础和保障。 总之，在汽车开发的过程中，会全部用到实车道路试验、室内台架试验和 计算机仿真试验三种试验方法，其在汽车开发的不同阶段发挥各自的作用。 1 3 新能源汽车试验台研究的现状及意义 通过对新能源汽车三种试验方法的分析，可以看出室内台架模拟试验具有 突出的优点，本文将结合新能源汽车的台架试验技术来进行新能源汽车动力匹 配试验台的实际和开发研究工作。 1 3 1 试验台的研究现状 目前新能源汽车的研发只要通过计算机仿真、室内台架试验和室外道路实 车试验三种方法进行。计算机仿真有适应性强、费用低、开发周期短等优点， 但受动力系统复杂的数学模型制约，难以得到准确结果，仿真结果的可信性、 可用性必须通过其他途径来检验。室外道路实车试验能够为开发对象提供真实 的运行环境，但成本高、适应性差、测试和调解难度大。而室内台架试验有不 受外界自然环境限制的优点，它的零部件不只可以不受整车总布置的限制，试 验台的模块化还可以为不同类型的电机及其控制器、动力蓄电池燃料电池及其 管理模块以及整车控制器等提供所需的试验环境。但是国外从事新能源汽车试 验台技术的研究却鲜有报道，国内也只有少数科研院所从事相关的研究。 清华大学汽车安全与节能国家重点试验室的陈全世、伦景光等主持完成了 “电动汽车电池、电机、电控机整车性能综合测试系统研制 的课题。该成果 为国家“八五”科技攻关电动车项目的一个成果，研制出了电动汽车牵引电池 变工况试验台、驱动电机及其控制系统和电动轮试验台，建立了一套包括整车 转鼓试验台及电动汽车设计、数据传输和多功能计算机在内的局部网络。该成 果的性能指标达到了攻关合同的要求，具有国内外九十年代类似设备的先进水 平，该测试系统成本却只有国外同类测试设备的十分之一或几十分之一，具有 很大的推广潜力，不但完成了“八五”国家重点科技攻关项目电动汽车关 键技术研究奠定了基础，而且为国内其他单位进行电动汽车试验研究提供了试 验条件，并于1 9 9 6 年5 月公关专题通过了机械工业部组织的鉴定。这可以说是 6 第l 章引言 开我国新能源汽车试验技术的先河。 作为承担国家8 6 3 电动汽车专项研究的武汉理工大学汽车工程学院，为了 对所开发的电动汽车进行各方面的性能测试，开发了适用于电动汽车性能测试 的底盘测功机，为电动汽车的开发研究提供了室内试验平台。 吉林大学也依托国家8 6 3 计划，根据近几年来的摸索积累了一定的实践经 验，基于混合动力汽车有串联、并联和混联等多种结构形式的特点，提出以模 块化设计思想来搭建混合动力汽车动力总成试验台的方法，从而达到了在比较 短的时间内、以尽量小的改动适应不同混合动力汽车动力总成结构形式组合需 要的目标。该混合动力汽车试验台架可直接对混合动力汽车整车控制目标，如 动力性能、经济性能和排放性能进行全面的检测，同时也可对混合动力汽车动 力总成控制系统进行全面调试和检测n 1 。 此外，同济大学也为了满足开发燃料电池轿车超越二号、超越三号的测试 需要，搭建包括电涡流测功机、惯性飞轮、减速箱、被测电机等部件的动力系 统匹配平台。可以检测燃料电池轿车能源管理系统、电机控制器的性能，为两 代超越轿车的成功开发提供了保障。 另外，美国的阿滨仪器( a r b i ni n s t r u m e n t s ) 公司研制出了蓄电池测试系 统的成套产品，而且测试效果、性能与经济性都比较好引；德国d r s t a i g e r m o h i i o 公司基于自身扭矩传感器技术优势，研发了电机试验台架，可以实现六 通道电流、电压信号测试与分析，对电机各项功率参数进行单独测试引；北京 理工大学开发了电动汽车电机试验台；清华大学还开发了一个8 0 k w 直流电机试 验台架和一个2 2 0 k w 交流电机试验台架等。 上述这些室内试验台架的研究有的是模仿汽车底盘测功机进行的，有的是 根据自己项目的需要开发了一下小型的试验台架与设备，如汽车能量回收试验 系统、电动汽车驱动电机试验台架、动力蓄电池试验系统、电动汽车车身试验 系统等。面对世界各国都将大力发展新能源汽车的良好形式，急需在实车开发 出来之前就能进行动力系统部件和整车性能试验的试验设备，新能源汽车动力 匹配试验台就是在这种情况下研制开发的。 7 筇1 章引吉 矧】i 古林人学外联牲合动山试骑台 132 搭建新能源汽车动力匹配试验台的意义 丌发新能源汽车动力匹配试验台的目的是满足新一代燃料电池汽车动力系 统全部功率范围精确加载、测试的需要。 新能源汽车研发过程t i i 的一些关键技术，参数匹配和控制策略的优化研究 一直处千仿真阶段，进一步的验证需要一个真实的试验环境：有些关键技术， 仿真只能是定性的、预见性的分析；或者初步遇到，蛀终将如何解决，尚需要 一定的手段和技术平台，特别是与安全有关的试验更需要在试验台上完成，如 u 机控制器性能试验等，而动力系统匹配试验台恰恰提供了一个解决上述关键 技术的研究平台。 新设计建立的动力系统仙真试验台与原有试验台相比，有以下特点： 1 ) 以大功率高速电机为测功机代替目e | i 使用的电涡流测功机，便可将铡 功机的能量心馈电刚，解决原系统的功率不够问题和测助机的散热问 题： 第1 章引言 2 ) 增加扭矩仪能够解决精确加载问题； 3 ) 增设电源模拟设备有利于创造良好的实验条件； 4 ) 改进控制系统，提升设备自动化水平。 新设计建立的动力系统仿真试验台能够满足新一代燃料电池汽车动力系统 全部功率范围精确加载、测试的需要。当燃料电池或动力蓄电池未能及时就绪 的情况下，利用电源模拟设备也能够进行动力系统的联合调试，评价系统的动 力性、经济性；能够做到驾驶员在环调试。可模拟汽车行驶过程中的风阻、滚 动阻力，可实现手动加载或编程自动加载试验，并可在两者之间方便地切换； 将目前只能在转鼓上才能进行的一些实验内容转移到匹配试验台上进行，节约 试验成本，缩短动力系统开发周期，提高效率。 1 4 课题来源 本课题来自“十一五”国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 现代交通技 术领域“节能与新能源汽车 重大项目中的“燃料电池轿车动力系统技术平台 研究开发”这项课题。此课题由上海燃料电池汽车动力系统有限公司承担。上 海燃料电池汽车动力系统有限公司是以开发电动汽车为核心业务的高科技公 司，自公司成立以来，先后开发出广受好评的燃料电池轿车超越一号、超越二 号和超越三号，在燃料电池桥车领域具有很强的研发能力和丰富的实际经验。 公司目前联合上海汽车工业( 集团) 总公司和同济大学共同承担国家8 6 3 电动 汽车重大专项燃料电池轿车项目。 燃料电池轿车是以燃料电池作为动力的电动汽车。燃料电池通过氢气和氧 气的电化学反应直接产生电能，生成洁净水，噪声低，效率高。将燃料电池用 于交通运输车辆，可以实现零排放，并作为未来最好的能源使用形式来替代传 统汽车。在石油紧缺和环保要求提升的今天，燃料电池轿车研究开发及产业化 的必要性得到许多专家的认可，并得到国家的大力支持。 动力系统仿真试验台可以模仿电机或者汽车在行驶中的负载特性，方便有 效地对动力系统及其部件( 如电机) 进行性能测试，对控制策略的优劣进行分 析和评价，在燃料电池轿车开发中具有计算机仿真和实车平台所不可替代的作 用，是燃料电池轿车开发的基础设施。 9 第1 章引言 1 5 本论文完成的主要工作 1 ) 参考国内外汽车动力动力匹配台架事例，并根据学校实验室具体设备 空间情况，制定新能源汽车动力系统匹配试验台的设计方案。 2 ) 参与汽车动力系统匹配试验台的整个建设过程，将试验台设计方案付 诸实施，使其在燃料电池轿车开发过程中起到应有的作用。 3 ) 电源模拟设计制作一个d c d c 转换器样机，给测试电机供电。其 可以模拟燃料电池和动力蓄电池的输出特性，解决试验中燃料电池、 动力蓄电池等电源往往难以及时就绪的问题，并能将回馈制动时得到 的能量返还电网。 4 ) 惯量模拟根据汽车真实行驶中所受的阻力与车速的关系，并利用 测功机驱动器的软件编写环境，模拟出新能源汽车行驶中电机所受到 的阻力矩与电机转速的关系曲线。 5 ) 试运行新能源汽车动力匹配试验台架，测试验证台架各部件是否能够 作为一个整体很好的配合工作，并测试电机的工作状态。 1 0 第2 章新能源汽车动力匹配试验台总体设计及安装 第2 章新能源汽车动力系统匹配试验台总体设计及安装 目前国内外对新能源汽车的研究主要集中在计算机仿真和室外道路实车试 验两个方面，计算机仿真可以在整车开发出来之前对汽车的动力匹配、电机性 能及其控制方案、动力性、制动能量回收、经济性和续驶里程等进行仿真分析， 得出最佳方案。但是计算机仿真由于受建模精确度和准确度的限制，不能准确 地反映汽车及其真实的运行工况，因而它对新能源汽车的性能研究有一定的限 制。 新能源汽车的室外道路实车试验结果较为准确，但是对于汽车设计开发来 说，道路试验存在一些弊端，比如他只能在车辆定型后得出整车设计合理性与 否的结论，给不出最佳的设计方案，如果设计或者匹配不合适，找不出改进的 措施，车辆本身的改动也较大，造成了人力、物力和时间上的浪费。 室内台架试验综合了两者的方法，利用计算机仿真快速、灵活的动态模拟 优势和道路试验准确可靠的优点来进行新能源汽车的研究，他可以在整车开发 出来之前对汽车的动力匹配、电机性能及其控制策略、制动能量回收、动力性、 经济性等进行模拟试验研究，找出最佳的设计方案，从而提高所开发车辆的整 体性能，节约开发成本，缩短开发周期阳1 。 2 1 试验台的功能要求 新试验台是在原有试验台实践经验积累的基础下进行设计的，原有以电涡 流测功机为主体的试验台在超越二号、超越三号的开发过程中发挥了巨大作用， 但也在实践过程中暴露了以下的不足： 原有动力系统匹配平台包括电涡流测功机、惯性飞轮、减速箱、被测电机 等。由于该平台是针对超越2 号、超越3 号动力系统设计的，随着新一代动力 系统的推出，其主要部件的功率均有较大提高，现有平台无法满足全部功率范 围加载的需要；现有平台没有测量扭矩信号，不能进行精确加载；测功机的能 量全部转化为热能，导致散热困难，容易超温保护，造成系统飞车；采用了减 速箱影响了测试精度；此外，动力系统联调或验证控制策略与控制算法时，需 第2 章新能源汽车动力匹配试验台总体设计及安城 要完备的实验条件。然而燃料电池、动力蓄电池等电源往往难以及时就绪，所 以电源模拟设备的缺乏也是目前平台的瓶颈之一。 斟21 原1 b 涡流洲功机试验台 新试验台就是为了解决原有试骑台的小足而啦训丌发的，其主噩优势如下： 1 1 以大功率高速电机作为测功机代稀原有的电涡流测助机，便可将测功 机的能量回馈电网，解决原系统的功率不够题和测功机的敞热问题： 2 1 增加扭i 仪能够解决精确加找问题； 3 1 增设 i i 源模拟设备有利十创造良灯的实验条件： 4 1 改进控制系统，提升设备自动化水平。 根据固家8 6 3 节能与新能源汽车重大项日有关动力系统匹配平台的要求， 新试验台的功能和开发要求如下： 1 ) 重点解决精确大范罔加载问压； 2 1 能够在整车装备前进行动力系统匹配标定； 3 1 适应不i f i | 的燃料电池发动机、二次电源部件、电流变换装备类型配置； 4 1 具有定的电源模拟和水热管理系统功能； 5 1 能够对动力系统技术平台的动力性、经济性进行评删以及系统匹配标 定。 另外，新能源汽车动力匹配试验台的设计开发还应考虑试验的通用性和可 第2 章新能源汽车动山旺配试骑台总体计及安装 护胜性，当试验对象改变时，尽可能小的改动试验台的靠置和结构，原则上h 需改变电机及_ i ；控制器、能源管理系统、混合动力汽车的动力耦台器等试验模 块就能进行汽车的相关试验。试验台的设计应具有外形美则、性能可靠、操作 简巾、使用安全等特点。除了洲功机自身各种保护功能和故障提不外，迩应在 电路r f l 实现过流、过载、飞车等保护措施，保证系统在设定范围内正常运行。 22 试验台的基本结构 新能源汽车试验台由大功率测功机、整流逆变最各、驱动电机、扭矩仪等 瞪蔷和支撑、传动、连接等装置组成【9 i ，根据各部分设计的尺寸耍求，结合试 验审的实际情况，我们采用r 如图2 2 所不的结构力案，试验台总体尺、j ( k x 宽) 为( 4 0 0 0 m m x 2 0 0 0 m m ) 。 幽2 2 试验所州怕半台 新能源汽牟动力匹配试验台的总体结构方案如图2 3 所示，测功机、扭矩 仪和r b 机按顺序依次安装固定在网2 2 所示的平台上，相邻部件之日j 通过联轴 器机械连接。山动力蓄电池( b p ) 或燃料电池( f c e ) 为电机提供电能，电机 将电能转化为机械能从电机的输出端通过联轴器、扭矩仪输给测功机测功桃 将所获得的机械能转化为电能，通过电源柜( 整流器和逆变器) ，将电能回馈给 电网。也可以在没有汽车外部能源的情况下( 动力蓄电池和燃料电池都没有到 何) ，直接由电源柜通过d c i ) c 转换器给电机供电，实现能量从电刚来，并最 后同馈电网的闭环，人大的 7 约电能。 第2 章新能源汽车动力匹配试验台总体设计及安装 电网 联轴器 图2 3 动力匹配试验台结构示意图 在图2 3 所示的结构方案中，电机及其控制器、燃料电池、动力蓄电池都 是试验对象，可以根据试验的需要进行变换，测功机、电源柜、扭矩仪及其显 示设备和d c d c 变换器是固定不变的试验设备。在进行不同类型的电动汽车的 不同类型的模拟试验时，只需更换相应的模块就行。比如要进行混合动力电动 汽车的模拟试验时，只需将混合动力汽车的电机、发动机以及动力耦合器替换 图2 3 中试验台上的电机，用混合动力汽车的蓄电池及其能源管理系统替换图 2 3 中试验台上的蓄电池及其能源管理系统即可进行试验，方便可靠、通用性强。 此新能源汽车结构方案的布置特点是： 1 ) 尽可能使试验台传动系统和新能源汽车实际传动系统的布置保持一 1 4 第2 章新能源汽车动力匹配试验台总体设计及安装 致，这样两者的机械损失、传动效率等能够接近； 2 ) 结构紧凑，有效的利用了试验平台的面积，节省了试验台的开发成本； 3 ) 分块设计，适用性强，作不同对象的试验时，只须改动相应的模块及 其控制器即可。 2 3 试验台的机械安装 新能源动力系统匹配试验台座落于同济大学新能源汽车工程中心实验大楼 底楼的实验室内，此实验室内包括燃料电池试验台、动力蓄电池试验台、汽车 传向系统试验台等多个试验台架，新能源汽车动力系统匹配试验台处于这个实 验室的一个角落，图2 4 是试验台的俯视图： 图2 4 动力匹配试验台布置图 试验台的主要旋转组件( 负载电机、扭矩仪、被测电机) 放置在平台上， 通过定制的支架与平台相连，支架与平台之间用螺栓固定。其他的组件，如电 器柜、开关柜等放置在平台周围的底座上，通过电缆与旋转组件相连。 整个试验台部件的机械安装是关键点和难点是要保证负载电机、扭矩传感 器和被测电机的同轴度误差在一定的范围内。因为在做试验时，负载电机和被 测电机可能要高速旋转，如果安装误差过大的话，就会在高速转动中产生应力 1 5 第2 章新能源汽下动力匹配试验台总体设计及安装 集中，进而破坏电机的输出轴。 图25 是试验台负载电机、扭矩仪和被删电机的机械连接图主视图 幽2 , 5 动力匹配试验台机械迕挂土视目 测功机( 即负载m j , j l ) 、扭矩仪和被测电机都定s u t 争j ； j 的史架，使其轴心 的峰直高度保持在3 8 0 毫米，在轴与轴的连接卜我们使用了弹性联轴器t 它存 保证传递扭矩、转速之外，还可以消除一定范【制山的司轴度洪舞，减小了设备 安装的难度。例26 为戕轴器实物图： 图2 , 6 弹性耳) 轴器 在安装过程叶 ，我们还使用了手持式= 座标定位仪来保证装配精度，并采 用边紧固、边运行、边调整的方式，最终使装备精度达到了装配图( 图27 ) 的要求。 第2 章新能源汽车动力旺配试验台总体设计及立磐 图 削27 试验台装配凹 图2 8 是试验台在计算机中的3 d 装备配模型，幽29 是机械安装后的实物 圈2 8 试验台3 d 模型 筇2 章新能源汽乍动力匹配试验台总体设计及安装 2 4 试验台的电器安装 削2 9 试验台安装现场 试验台的电器安装是为了从实验窀配电柜中将三柏工业交流电接到试验台 的屯源柜上，然后再连接电源柜和负载电机、被测电机的电源迕线，可以保证 试验台的正常运行；同时还要将电器驱动器等的控制信号线、急停按钮接到控 制室内，方便试验人员对试验台的控制。 排线过程中最重要的就是电源线的布置。由于试验台测功机功率较大 ( 1 5 ( k w ) 在4 0 0 v 的额定电压f ，通过电流可达3 7 5 h ，所以选用截面积为1 5 0 平方毫米的电缆，以保证能够承受3 7 5 a 的电流，电源线是从火实验室的配电柜 接出，通过实验室原先设置的走线桥架通到新能源汽车动力匹7 1 己试验台所在的 角落，然后经过一个选择开关柜接入电源柜中的进线柜，再经整流柜和驱动柜 供给测助机。整流柜输出的7 0 0 v 高瓜直流电也可同时输入电源模拟用d c d c 转 第2 章新能源汽车动力匹配试验台总体设计及安装 换器，用来替代燃料电池或动力蓄电池给驱动电机供电，图2 1 0 为电源接线图。 电源柜 鳓挺整蠢拒 m l o , l e2 1 a o 4 3 9 h z 图2 1 0 试验台电源线接线图 整个新能源汽车动力匹配试验台电器连接俯视图如图2 1 1 所示，试验台电 路主要包括三块，红色线表示3 8 0 v 的三相交流电源线，为一些仪器供给高压交 流电；蓝色线表示直流电源线，传递直流电；绿色线表示数据线，用于传递数 据及控制信号。 图2 1 l 试验台电器连接俯视图 1 9 第2 章新能源汽车动力匹配试验台总体设计及安装 图2 1 1 是按照试验台所有部件布置的实际位置所画的，能基本反映所有连 线的长度、走向。其中电源控制柜是试验台最主要的供电与控制部分，它由辅 助电路、整流器和逆变器构成，主要作用是为测功机与测功机上的风冷电机提 供交流电，并提供电压可控的直流电源，而且在控制面板上拥有控制按钮，或 者通过数据线与p c 通信由p c 给出控制信号，调节测功机转速与转矩，模拟不 同工况。此外，控制开关柜是直流电源的控制枢纽，为p c u 提供不同类型的直 流电源，包括蓄电池、燃料电池和电器柜中d c d c 模拟车载电池的直流电源。 p c u 再将直流电转为交流电为电机供电，并且通过p c 控制电机转速。 试验时所有人员可以在实验室内通过绿色的控制线，直接对电机驱动器、 p c u 进行控制，并能够通过扭矩仪直观了解轴上的扭矩和转速。 2 5 本章小结 本章详细介绍了新能源汽车动力匹配试验台的功能要求，在此基础上设计 了试验台的基本结构，然后在机械和电器连接两部分具体落实了试验台的布置 方案，为试验台的搭建提供了依据。 2 0 第3 章试验台关键器件分析和选型 第3 章试验台关键器件的分析和选型 新能源汽车动力匹配试验台主要由测功机、电机驱动器、测量设备等组件 组成，根据试验台实际情况，选择合适的组件，是决定设计动力匹配试验台成 功与否的重要因素。 3 1 测功机的选型 在进行各种新能源汽车动力系统试验时，都需要给被测对象( 电机) 一个 机械负载，以使电机能够稳定运行，不至于发生飞车事故。常用的加载设备是 测功机，它能够在满足实验所需的加载范围内平稳、精确地调节负载，同时可 以实现集中的远距离操纵。新能源汽车动力匹配试验台的负载就是选用测功机 作为加载装置的，根据电动汽车的实际运行工况，通过控制系统调节测功机的 吸收功率，从而实现行驶阻力的实时加载。 3 1 1 各种测功机的性能比较n 们 测功加载装置按工作原理可以分为水力测功机、机械摩擦制动器、磁粉制 动器、电涡流测功机、电力测功机等。其中，水力测功机是利用控制水的阻力 使机械能变成热能来消耗发动机或电机产生的能量从而实现加载；机械摩擦制 动器是通过控制摩擦面的压力来控制发动机或电机的载荷，使发动机或电机产 生的能量通过摩擦变成热能消耗掉；磁粉制动器是利用通电后内部的磁粉产生 的磁阻来实现加载，使机械能变成热能消耗掉；电涡流测功机是利用电涡流效 应使机械能转化为热能，然后通过水冷或风冷的方式将热能散发掉，从而达到 加载的目的；电力测功机是将发动机或电机产生的机械能转化为电能，然后将 其存储或用电阻消耗或直接回馈电网。机械摩擦制动器和磁粉制动器不具备测 功的能力、加载效率也较低，很少用在动力系统匹配试验台上。在试验台上采 用较多的是水力测功机、电涡流测功机和电力测功机。表( 3 1 ) 列出了三种测 功机的特点，从中可以看出其各自的优缺点。 2 1 第3 章试验台关键器件分析和选型 表3 1 测功机的特点比较 水力测功机电涡流测功机电力测功机 结构简单 结构较简单装置复杂 精度一般 精度较高精度较高 转动惯量小，频响最高转动惯量小，频响高自动控制容易、惯性大 不能做倒拖试验不能做倒拖试验能倒拖、并能测机械损失 能量不能回收能量不能回收可以回收电能 需水源需电源与冷却水源需电源 价格低廉价格低廉价格高 此外，由于新能源汽车的驱动电机同传统汽车的内燃机的特性差别内 燃机转速过低会导致熄火，而驱动电机没有这个问题，可以工作在很低的转速 所以对于用在新能源汽车动力匹配试验台上的测功机来说，低速制动性能 是一个很重要的质量指标。图3 1 给出了水力、电力、电涡流三种测功机的低 速制动性能曲纠1 1 l 。由此图可以看出，水力测功机的低速最大制动力矩近似的 与转速的平方成正比，而此当转速下降时，制动力矩将随之急剧下降，低速时 的制动力矩低是水力测功机的重大不足，所以不能采用水力测功机。而电力测 功机和电涡流测功机在低速时仍能提供足够的制动力矩，在这两者中选择我们 使用的测功机。 互 图3 1 三种测功机低速制动性能比较 2 2 第3 章试验台关键器件分析和选型 我们最后决定在此新能源汽车试验台上采用交流电力测功机而不是电涡流 测功机，是出于以下考虑： 1 ) 电力测功机能够实现电能的回