（交通信息工程及控制专业论文）电动汽车试验台测控系统研究与开发.pdf

摘要 电动汽车试验台是电动汽车开发、试验及测试的必备设备，可以为电动汽车 部件选型、参数匹配及控制策略的优化提供大量可靠数据，为电动汽车部件及整 车仿真的研究提供了更切合实际的模型，减少了实车试验时间，提高了电动汽车 开发的效率。国内外很多汽车厂家和科研单位都在进行电动汽车的研发工作，但 仍没有进入批量生产阶段，所以试验台都是根据各自新车型研发需要进行设计 的，还没有一个通用化、标准化的电动汽车试验台，也没有相关的标准和试验规 程。因此，搭建功能齐全的柔性电动汽车试验台具有十分重要的意义。 本文的主要工作是研究并搭建电动汽车试验台，同时完成其配套测控系统的 开发。首先，结合电动汽车开发流程和电动汽车的基本机构，对电动汽车试验台 应具备的功能进行了分析，就试验台的部件性能试验和工况性能试验进行了详细 阐述。其次，在对电动汽车试验台功能进行分析的基础上，采用模块化设计的思 想对电动汽车试验台的功能模块进行了划分，并就驾驶引导模块、动力输出模块、 惯量模拟模块、负载加载模块、试验台主控模块和电源模块的基本组成进行了深 入分析，并在动力输出模块部分着重介绍了驱动电机的选择原则。最后，从软硬 件两个方面介绍了电动汽车试验台部分功能模块测控系统的开发，硬件方面主要 介绍了传感器和数据采集设备的选型，搭建了测控系统硬件平台，软件方面以 l a b v i e w 为开发平台，就测控系统的关键子程序进行了设计，并结合m a t l a b 实现了位置式p i d 算法，为电动汽车试验台测控系统后续的开发工作打下了基 础。 电动汽车试验台的搭建及其配套测控系统的成功歼发，为电动汽车的部件试 验、工况性能试验提供了可靠的平台，为高性能电动汽车的开发提供了条件，对 电动汽车研发工作具有积极的意义。 关键词：电动汽车、电动汽车试验台、模块化设计、l a b v i e w i i a b s t r a c t t h ee l e c t r i cv e h i c l e ( e v ) t e s tb e n c hi st h ea b s o l u t e l yn e c e s s a r i l ye q u i p m e n tf o re v d e v e l o p m e n ta n dt e s t ，i tc a no f f e rl o t s o fa u t h e n t i cd a t af o rc o m p o n e n t ss e l e c t i o n ， p a r a m e t r i cd e s i g na n do p t i m i z i n gc o n t r o ls t r a t e g y , i t a l s oc a no f f e rap r a c t i c a b l e m o d e lf o rt h ev e h i c l ec o m p o n e n t sa n de n t i r ev e h i c l es i m u l a t i o n u s i n ge vt e s tb e n c h t od e v e l o pe vc a ns a v et i m ef o rv e h i c l et e s to nt h er o a da n di m p r o v et h ee f f i c i e n c yo f t h ee vd e v e l o p m e n t e vi sd e v e l o p e db ym a n yc o m p a n i e sa n dr e s e a r c hc e n t e r s ，b u ti t h a s n tb e e nv o l u m ep r o d u c t ，t h ee vt e s tb e n c h e st h a tt h ec o m p a n i e sa n dr e s e a r c h c e n t e r su s e da r ed e s i g n e df o rt h e i rn e wt y p ee v , t h e ya r en o tu n i v e r s a lo rn o r m a l i z e d s ob u i l d i n gaf l e x i b l ee vt e s tb e n c hi sv e r yi m p o r t a n t t h em a i nw o r ko ft h i sd i s s e r t a t i o ni st od or e l a t e dr e s e a r c h b u i l dt h ee v t e s tb e n c h , a n dd e v e l o pt h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mo ft h et e s tb e n c h f i r s t l y , c o m b i n e d w i t ht h ed e v e l o pf l o wo fe va n di t sc o n f i g u r a t i o n s ，t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y s e st h eb a s i c f u n c t i o n so ft h ee vt e s tb e n c ki n t r o d u c e st h ev e h i c l ec o m p o n e n t sp e r f o r m a n c et e s t f u n c t i o na n do p e r a t i n gm o d ep e r f o r m a n c et e s tf u n c t i o no fe vt e s tb e n c hi nd e t a i l s e c o n d l y , b a s e do nt h ef u n c t i o na n a l y s i so fe v t e s tb e n c l l u s i n gt h em o d u l a rd e s i g n i d e a , t h i sd i s s e r t a t i o nc o m p a r t m e n t a l i z e st h ef u n c t i o n a lm o d u l eo fe vt e s tb e n c h ，a n d a n a l y z e st h ee s s e n t i a l l yc o m p r i s i n go ft h em o d u l e ss u c ha sd r i v i n gm o d u l e ，p o w e r t a k eo f fm o d u l e ，i n e r t i as i m u l a t i o nm o d u l e ，l o a ds i m u l a t i o nm o d u l e ，m a i nc o n t r o l m o d u l ea n dp o w e rs u p p l ym o d u l e e s p e c i a l l yi n t r o d u c e ss e l e c t i o np r i n c i p l e so f d r i v i n gm o t o ro fp o w e rt a k eo f fm o d u l e f i n a l l y , t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h e m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mo fi t sf u n c t i o n a lm o d u l eo ns o f t w a r ea n dh a r d w a r e i nh a r d w a r ed e s i g n ，t h es e l e c t i o no fs e n s o r sa n dd a t aa c q u i s i t i o ne q u i p m e n ti s i n t r o d u c e d i ns o f t w a r ed e s i g n ，s o m ei m p o r t a n ts u b p r o g r a m sd e s i g n e di nl a b v i e w a r ep r e s e n t e d t h ep i da l g o r i t h mi sa l s or e a l i z e db yu s i n gm a t l a bi nl a b v i e w a l l t h ew o r ki nt h i sd i s s e r t a t i o nh a sb e e nf o r m e da sab a s eo fd e v e l o p i n gt h em e a s u r e m e n t a n dc o n t r o ls y s t e mo ft h ew h o l ee vt e s tb e n c h t h ed e v e l o p m e n to fe vt e s tb e n c ha n di t sm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m ， p r o v i d e sr e l i a b l ep l a t f o r mf o re vc o m p o n e n t sp e r f o r m a n c et e s ta n do p e r a t i n gm o d e p e r f o r m a n c et e s t ，w h i c hc r e a t e sc o n d i t i o nf o rd e v e l o p i n gh i 曲p e r f o r m a n c ee v t h e e vt e s tb e n c hh a ss i g n i f i c a n c et od e v e l o pe v k e yw o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ，e l e c t r i cv e h i c l et e s tb e n c i i ，m o d u l a rd e s i g n ，l a b v i e w i i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：僭唬嘲护百年铲月_ z g 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的沦文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任伺方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名 导师签名 薜晓町 门遣气 形年鲈月工占曰 66 年毕月五日 第1 章绪论 1 1 电动汽车开发的背景及意义 世界上第一辆电动汽车是由美国人汤姆斯在1 8 3 4 年发明的，5 3 年后他的同 胞佛勒德克姆保尔首次使电动汽车商品化。此后世界电动汽车曾一度辉煌，当 时仅美国就有3 0 0 多家电动汽车生产企业【1 】。然而由于电池技术的限制，电动汽 车续驶里程短、充电时间长、使用不方便等难题始终无法解决，而内燃机技术却 发展迅速，再加上1 9 世纪末2 0 世纪初发现了大量的油田，内燃机的能源有了保 障，所以到2 0 世纪3 0 年代末动力性能较好的内燃机就完全取代了电动汽车。 2 0 世纪8 0 年代，随着汽车工业的高速发展，汽车带来的环境污染、能源短 缺和资源枯竭等方面的问题越来越突出。为了解决这些问题，电动汽车再次引起 人们的注意。从环保的角度来看，电动汽车是零排放的市区交通工具，即使计入 发电厂增加的排气，总量上看，它也将使空气污染大大减少。从能源的角度来看， 电动汽车将使能源的利用多元化( 例如可使用各种再生能源) 和高效化，达到能 源的可靠、均衡和无污染地利用的目的。在改善交通安全和道路使用方面，电动 汽车更容易实现智能化。电动汽车的发展将使集中考虑能源、环保和交通成为可 能，而且，它对于促进高科技的发展、新兴工业的兴起以及经济的发展将产生深 远的影响1 2 1 。 电动车是以电力作为能源、由电机驱动的机动车辆。在外形上，电动车与传 统的汽车并无显著区别，它们的主要区别在于动力和驱动系统。电动汽车与常规 燃油汽车相比具有以下优点【3 l 【4 i ： ( 1 ) 可使用多种能源。电动车使用二次电力能源，因而不受石油资源的限 制，可利用水能、太阳能、潮汐能、氢能、核能等可再生清洁能源高效地转化为 电能，从而极大地缓解了我国石油资源短缺的压力。 ( 2 ) 能源利用效率高。普通的内燃机效率约为3 8 ，但汽车在行驶过程中 有频繁的停车、低速行驶、等待信号灯等环节，其最终效率不过1 2 ，而电动汽 车无机器空转损失，电池的8 0 以上的能量可由电机转为汽车的动力，考虑到原 油的发电效率、送配电效率、充放电效率等，其最终仍可得到1 9 左右的能量效 率。电动汽车利用夜间大量富余电力充电，有利于电网均衡负荷，减少了能源浪 费，提高了电力系统的整体效益。 ( 3 ) 良好的环境保护效果。电动汽车是典型的零排放或低污染汽车，有效 地改善了环境，若能大量使用，则可极大缓解我国环境保护的压力。 ( 4 ) 噪音低。汽车的噪音、振动大小决定于发动机本身和行驶条件。常规 燃油汽车和电动车比较，虽然因汽车行驶而引起的噪音、振动无显著差别，但对 于原动机引起的部分，电动车占有绝对的优势，这有利于减小日益严重的环境噪 声污染，提高人们的生活质量。 由于以上无可比拟的优势，虽然电动汽车在完全市场化的道路上还有很多困 难，但随着电池等高新技术的日益发展，其最终必将完全取代燃油汽车，成为 2 1 世纪的主要交通工具。 1 2 电动汽车发展概况 1 2 1 国外电动汽车发展概况嗍嘲 、 2 0 世纪9 0 年代初，美国通用、福特、戴姆勒一克莱斯勒三大汽车公司签订 协议，成立了先进电池联合体，合作研究电动汽车用电池。1 9 9 3 年，美国能源 部先后与通用、福特、戴姆勒一克莱斯勒三大汽车公司合作，积极推动电动汽车 的开发研制工作，并在随后的研究中取得了丰硕的成果。2 0 0 1 年5 月小布什政 府发表的题为国家能源计划的国情咨文中关于“氢燃料电池的报告”一文中 明确要求大力开发研制电动汽车用燃料电池，为此2 0 0 2 年1 月美国能源部长在 底特律国际车展上首次宣布了f r e e d o mc a r 计划，并于2 0 0 3 年拨款1 5 3 亿美元 用于该计划的研究。随后，f r e e d o mc a r 计划又将重点放在燃料电池的研制与开 发上来，强调早日让使用燃料电池的电动汽车走向市场。 源于欧洲石油相对短缺、对外依赖性强和欧洲对降低c 0 2 及其它污染排放物 的强烈要求以及对可持续发展目标的共同认识，由瑞士、德国、法国、英国、意 大利、挪威等组成的1 3 个工作区域联合实施了欧洲乌托邦计划( 既u t o p i a 计 划) 。该计划的重心致力于对混合动力、燃料电池、传统发动机的改造，扩大甲 基烷、乙烷等替用燃料在汽车上的使用范围，并提供整个欧洲区汽车工业的发展 与能源、环境问题的整体解决方案。同时。该计划也为欧洲各国发展电动汽车提 供了动力与参考。其中，法国的汽车公司在电动汽车的研制、开发与生产方面投 入较多，标致一雪铁龙汽车公司是生产电动汽车的最大厂商，在欧洲登记注册的 电动汽车中，有将近7 5 的电动汽车是该公司生产的。另外还有s a i l 公司、雷 诺汽车公司及其它几家公司在蓄电池生产方面很活跃，2 0 0 1 年至2 0 0 3 年两年内 在电动汽车的研究方面投入最多的当属雷诺汽车公司，该公司的k a n g o o e l e c t r o a d 型电动汽车在2 0 0 1 年世界汽车展上就引起了普遍的关注。当然标致一 雪铁龙与雷诺两大汽车公司也合作了一些项目，两大公司在1 9 9 0 年就使j 5 和 c - 2 5 型电动货车投入生产，1 9 9 5 年，两公司又共同建成世界第一条电动轿车专 用生产线，同年标致1 0 6 和雪铁龙a x 电动汽车投入生产。其中，标致1 0 6 电动 汽车是以镍镉电池为动力，性能优异，在欧洲各国的政府部门中拥有大量的用户。 日本汽车保有量居全球第二，并且人口密集，国土狭小，石油几乎全部依靠 2 进口，因此，日本政府十分重视电动汽车的研发。1 9 9 1 年，在日本政府制定第 三界电动汽车普及计划后，日本各汽车制造商均开始了电动汽车的开发与研制。 1 9 9 7 年后日本汽车制造商推出了装载镍氢、锂离子电池的第二代纯电动汽车， 丰田公司研制出r a v 一4 e v 型纯电动轿车，其动力装置是一台免维护5 0 k w 交 流同步电机，由2 8 8 v 镍氢电池提供电能，充电时间5 - 6 小时，最高车速1 2 5 k m h ， 一次充电行驶里程2 1 5 k m 。日本在其经济产业部、资源能源局的第1 2 次燃料电 池实用化战略研究会上，提出了在2 0 3 0 年燃料电池车1 5 0 0 万辆、加氢站8 5 0 0 个的建设目标。 部分国家的电动汽车保有量如表1 - 1 所示。 表1 - 1 部分国家的电动汽车保有量【4 l 国家美国日本法国德国 意大利瑞士 年份 2 0 0 2 2 0 0 32 0 0 12 0 0 12 0 0 12 0 0 1 电动汽车保有量( 辆) 5 4 6 6 5 6 0 0 7 5 9 22 3 0 0 5 7 5 0 2 1 0 0 1 。2 2 国内电动汽车发展概况旧口1 在传统的汽车领域，中国落后于发达国家二三十年，中国已经失去了追赶的 机会，而在电动汽车领域，中国与国外相比，技术水平和产业化程度差距相对较 小。我国政府对电动汽车及相关产业的发展十分关注、高度重视和大力支持。“八 五”期间正式列入国家攻关项目；“九五”期间，国家为了推动电动汽车的开发， 先后投入了1 亿多元，为国家发展电动汽车奠定了基础，并在广东汕头成立了国 家电动汽车运行试验示范区；“十五”期间经国家科教领导小组第十次会议批准， 电动汽车列入“8 6 3 ”计划十二个重大专项之一，专项计划总投资8 8 亿人民币， 为科技部历史上最大的一笔投资。一些企业在2 0 世纪9 0 年代中期就已推出了电 动汽车样车、电动轿车概念车、燃料电池中巴车等。东风汽车公司1 9 9 6 年就推 出了电动汽车样车，今年又与高校和科研单位共同组建了东风电动汽车股份有限 公司专门开发生产电动汽车；天津一汽开发的“夏利纯电动轿车”，目前已经试 制了5 辆样车，其最高车速大于1 2 0 k m h ，续驶里程等速法大于2 3 0 k m ，工况法 大于1 5 0 k m ：上汽集团奇瑞汽车有限公司与高校和科研单位合作开发了纯电动轿 车，该车一次充电等速续驶里程达3 0 8 k m ，全程开空调情况下市区道路续驶里程 达2 0 3 k m 。 中国电动汽车的研发己经有了一定的基础，因此，中国汽车研究单位与汽车 企业应抓住这个良机，争取在“8 6 3 计划”与“绿色奥运”的推动下，研制出一 批具有中国特色的性能优异的电动汽车，为进一步发展民族汽车工业奠定坚实的 基础。 3 1 3 电动汽车试验台开发的意义 目前电动汽车主要的开发方式为计算机仿真、试验台开发和实车平台开发三 种1 8 j 。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 的数学模型的制约，难以得到准确结果，仿真结果的可信性、可用性必须通过其 它途径来检验，因此，计算机仿真平台一般用于整车的参数匹配和性能预测分析 阶段。实车平台的优点是能够为开发对象提供真实的运行环境，但成本高、周期 长、适应性差、测试和调节难度大电动汽车试验台及与其相关测试设备的使用， 一方面可以对电动汽车关键部件进行测试，另一方面可以方便有效地进行工况性 能试验，对控制策略的优劣进行分析和评价，在电动汽车整车的开发中具有计算 机仿真和实车平台所不可替代的作用，是电动汽车开发的基础设施。 虽然国内关于电动汽车的研究与开发已有一段时间，但是相当一部分单位的 工作仍然停留在仿真阶段。分析其原因主要有两点：资金和技术。高校及一些研 究单位没有足够的资金搭建功能完善的电动汽车试验台。此外，由于在国内这一 方面的研究尚处于开始阶段，没有可借鉴的成熟技术方案。国外电动汽车的技术 虽然已经比较成熟，并且各大公司相继有样车推出，甚至已投放市场，但他们的 试验台均是根据新产品开发需要进行设计的，尚未建立一种标准化、通用化的试 验台。 电动汽车试验台的最终建立，可直接对电动汽车的工况性能，如动力性能和 续驶里程进行全面的测试，同时也可对电动汽车关键部件进行全面调试和检测， 缩短整车性能的试验周期，降低电动汽车研制的风险和成本。有利于提升我国电 动汽车整车和电动汽车零部件总成的试验水平，有利于建立一整套统一、规范、 科学的电动汽车试验规程、试验方法和试验标准，有利于建立统一、科学的电动 汽车整车和零部件总成的评价体系。同时，在电动汽车试验台的研制过程中取得 的宝贵经验，对电动汽车整车和零部件总成的设计亦具有十分重要的指导意义。 综合以上分析，建立一整套完整的具有国内、国际先进水平的电动汽车试验 台系统，不管对电动汽车的理论研究还是电动汽车技术成果的推广都具有十分重 要的现实意义。 电动汽车可以分为纯电动汽车、燃料电池汽车和混合动力电动汽车三类，那 么试验台的建设应该以哪一种电动汽车为首选开发对象值得思考。纯电动汽车所 涉及到的电机及其驱动技术、电池及其管理系统、整车控制策略等是纯电动汽车、 混合动力汽车及燃料电池汽车发展的技术基础。国际上成功的经验表明：拥有最 先进的混合动力汽车、燃料电池汽车技术的丰田、通用等公司，恰恰是拥有领先 的纯电动汽车核心技术的汽车巨头。只有实现纯电动汽车关键技术的突破，混合 动力汽车、燃料电池汽车才会有真正的发展基础。结合我校的情况，电动汽车试 4 ， r 验台的开发对象定位为纯电动汽车。 1 4 研究的主要内容 电动汽车试验台在电动汽车开发的过程中担负了极其重要的角色，而目前国 内关于电动汽车试验台研究仍处于起步阶段，因此，结合我校的实际情况，开展 电动汽车试验台的搭建及相关测控系统的开发是十分必要的。本文研究的主要内 容如下： ( 1 ) 对电动汽车试验台应该具备的功能进行分析，对电动汽车试验台的主要部 件试验功能和工况试验功能进行深入详细的阐述。 ( 2 ) 在对电动汽车试验台功能分析的基础上，基于模块化的布设思想对试验台 的功能模块进行划分，对各个功能模块的组成结构进行详细的介绍，提出搭建能 够开发不同结构电动汽车的柔性试验台方案。 ( 3 ) 在试验台建设初期，首先针对驱动电机试验平台构建测控系统，完成测控 系统的硬件选型和软件设计，为试验台的后期建设提供可借鉴的思路和方法。 t 5 第2 章电动汽车试验台功能分析 电动汽车试验台的研究与开发，一方面可以通过强大的零部件试验功能支持 计算机仿真平台的开发工作，另一方面可以部分取代实车平台进行工况性能试验 及控制策略的研究，在电动汽车开发过程中具有计算机仿真平台和实车平台所不 可替代的作用，是电动汽车开发的基础设施。因此，在搭建电动汽车试验台时， 必须对电动汽车的开发流程以及电动汽车的基本结构有充分的了解，正确分析电 动汽车试验台应具有的功能，这样才能为电动汽车部件测试、工况性能测试及控 制策略优化建造良好的柔性试验平台。 试验台建设的前期目标是可以完成对电动汽车驱动系统和主能源系统的测 试，并可以对简单工况进行模拟；长远目标是可以对多种类型的电动汽车各个部 件性能进行详细测试，能够进行复杂工况模拟，建立完善的试验数据处理与测试 对象评价体系。 2 1 电动汽车开发流程及其基本结构 功能分析是系统设计的前提和关键，功能分析是否充分合理，直接影响系统 的功能、性能和成本。电动汽车试验平台的开发是为电动汽车开发服务的，因此， 必须从电动汽车整个系统工程的角度来分析试验台的功能。 2 1 1 电动车开发流程 电动汽车的开发流程一般遵循这样的步骤，先进行概念设计，继而依次进行 部件选型、参数匹配、部件研发、部件试验及标定、控制算法的制定、计算机离 线仿真、系统集成，最后是整车试验。结合上文所提及的三个电动汽车开发平台， 进一步分析我们不难发现，随着瞬态和动态测功机的出现，试验平台的动态问题 得以解决，可以做到模拟包括大强度加速和制动过程在内的所有工况。另外，汽 车电子技术的发展，已经可以提供高可靠性的电子元器件，足以满足汽车实际运 行的恶劣环境。我们可以发现电动汽车开发中的相当一部分工作可以直接借助试 验台来完成。 结合电动汽车的开发流程，我们可以确定电动汽车试验台应包括两个基本功 能：一、能够完成电动汽车的部件试验，二、能够完成电动汽车工况性能试验。 2 1 2 电动汽车的基本结构 与燃油汽车相比，电动汽车的结构特点是灵活，这种灵活性源于电动汽车具 6 有以下几个独特的特点：首先，电动汽车的能量主要是通过柔性的电线而不是通 过刚性联轴器和转轴传递的，因此，电动汽车各部件的布置具有很大的灵活性； 其次，电动汽车驱动系统的布置不同( 如独立的四轮驱动系统和轮毂电动机驱动 系统等) 会使系统结构区别很大，采用不同类型的电动机( 如直流电动机和交流 电动机) 会影响到电动汽车的质量、尺寸和形状；不同类型的储能装置也会影响 电动汽车的质量、尺寸及形状。 电动汽车的基本结构【9 】如图2 1 所示，电动汽车系统可分为三个子系统，即 电力驱动子系统、主能源子系统和辅助控制子系统。其中，电力驱动子系统又由 电控单元、功率转换器、电机、机械传动装置和驱动车轮组成；主能源子系统由 主电源、能量管理系统和充电系统构成；辅助控制子系统具有动力转向、温度控 制和辅助动力供给等功能。根据从制动踏板和加速踏板输入的信号，整车控制器 发出相应的控制指令来控制功率转换器的通断，功率转换器的功能是调节电机和 电源之间的功率流。当电动汽车制动时，再生制动的动能被电源吸收，此时功率 流的方向要反向。能量管理系统和电控系统一起控制再生制动及其能量的回收， 能量管理系统和充电器一同控制充电并监视电源的使用情况。辅助动力供给系统， 供给电动汽车辅助系统不同等级的电压并提供必要的动力。除了从制动踏板和加 速踏板给电动汽车输入信号外，转向盘也是一个重要的输入信号，动力转向系统 根据转向盘的角位置来决定汽车灵活地转向。 i 制动： 踏板 么+ ： 么+ ； 加速 踏板j 电气连接控制信号连接=机械连接 图2 1 电动汽车基本结构 从电动汽车基本结构中可以发现，电动汽车的主要部件是电机和蓄电池，在 电动汽车台架试验中应首先进行这两个部件的试验。作为电动汽车大脑的整车控 制器，在电动汽车试验台开发过程中，其功能可以利用测控系统来实现，实现工 7 况性能的试验。 2 2 电动汽车主要部件试验功能 从电动汽车开发流程中，我们可以发现电动汽车的部件试验具有承上启下的 作用。一方面，它可以检验部件研发实际效果，评价部件性能的优劣，为部件的 改进提供试验依据；另一方面，由于电动汽车元件类型繁多，在进行计算机仿真 时理论建模困难，故需要通过部件的试验获得试验数据进行试验建模。在试验台 建设的初期，主要的部件试验功能定位于实现电机和电池的试验。随着试验台建 设的深入，可以不断加入其它元件试验功能。 2 2 1 电动汽车电机驱动系统试验 电机驱动子系统是电动汽车的心脏，它的主要任务是在驾驶员的控制下，高 效率地将储能装置的能量转化为车轮的动能，或者将车轮的动能反馈到储能装置 中。从功能的角度看，电动汽车的电机驱动系统可以分为电气和机械两大系统。 电气系统由电机、功率转换器和电子控制器三个子系统组成，机械系统主要包括 机械传动装置( 可选的) 和车轮。 电机驱动系统的输出特性决定了电动汽车的动力特性，同时，它的效率对电 动汽车效率的影响也非常大。目前，在电池技术未取得突破的背景下，电机驱动 系统的研究成为电动汽车技术研究的主要热点，目的是提高电动汽车的驱动性 能、续驶里程以及行驶方便性、可靠性等。电机驱动子系统的研究以驱动电机的 研究为中心，辅以各种新型控制技术而展开。 2 。2 1 1 电动汽车对其驱动电机性能的基本要求 汽车行驶的特点是频繁地启动、加速、减速、停车等。在低速或爬坡时需要 高转矩，在高速行驶时需要低转矩。这就决定了电动汽车所使用的驱动电机与一 般工业应用电机有所不同。归纳起来，电动汽车对其驱动电机主要有以下几点要 求【4 】【5 】： ( 1 ) 高电压。在允许的范围内，尽可能采用高电压，可以减少电机的尺寸 和导线等装备的尺寸，特别是可以降低功率转换器的成本； ( 2 ) 应具有较大的启动转矩和较大范围的调速性能。在恒转矩区和恒功率 区都应具有宽广的调速范围，在恒转矩区要求低速运行时具有大转矩，以满足起 动和爬坡的要求，在恒功率区要求低转矩时具有高的速度，以满足汽车在平坦的 路面上高速行驶的要求； ( 3 ) 应具有较强的过载能力( 过载系数4 巧) ，以满足短时加速行驶与最大 8 爬坡的要求； ( 4 ) 应具有高效率、低损耗，并且在车辆减速时，实现再生制动将制动能 量回收，以提高1 次充电的续驶罩程； ( 5 ) 应具有快速的转矩响应特性，应能够达到与内燃机汽车加速踏板和制 动踏板同样的控制响应，在各种车速范围内能快速而柔和地控制驱动和制动转 矩： ( 6 ) 质量轻、体积小，具有较高的比功率( 电机单位质量输出的功率) ； ( 7 ) 应具有较高的可靠性、耐温、耐潮，能够长时间工作于恶劣环境下； ( 8 ) 结构简单，便于维护。 2 2 1 2 电动汽车常用电机驱动系统分类 驱动系统是电动汽车研究和开发的重点，而驱动系统研究的重点是各种类型 的驱动电机及其控制系统，并以电机为中心展开，电动汽车常用的驱动电机1 4 1 1 9 包括有刷直流电机、交流感应电机、永磁电机及开关磁阻电机。 ( 1 ) 有刷直流电机驱动系统f 1 0 1 ” 有刷直流电机驱动系统是以有刷直流电机为驱动电机的电动汽车驱动系统。 与有刷直流驱动电机相匹配的变流器是斩波器，它将固定的直流电压变成可调的 直流电压，调速方法主要是调压调速和调磁调速。 有刷直流电机是最早应用于电动汽车驱动系统上的电机。它的优点是具有优 良的电磁转矩控制特性，启动转矩、制动转矩大，易于快速启动停车；调速比较。 方便，调速范围宽，易于平滑调节；控制装置简单、廉价。有刷直流电机的磁场 和电枢可以分别控制，因此控制起来比较容易，而且控制性能较好。有刷直流电 机的容量范围很广，可以根据所需的转矩和最高转速来选用所需的容量。市场上 有各种不同结构的有刷直流电机供选用，有刷直流电机的制造技术和控制技术都 比较成熟。 有刷直流电机的缺点是效率较低、质量大、结构较复杂、体积大。有刷直流 电机上有电刷、换向器等接触零件，它们容易磨损。在高速旋转时电刷与换向器 之间会产生火花，严重时形成“环火”，使它的转速( 其最高转速在6 0 0 0 8 0 0 0 r p m 之间，只有三相交流电机最高转速的一半甚至更低) 和使用寿命都受到限制。 ( 2 ) 交流感应电机驱动系统【l o l 相对于直流电机而言，交流感应电机的调速系统比较复杂。由于蓄电池以直 流电的形式输出能量，所以要用蓄电池输出的能量来驱动交流感应电机，就先必 须将蓄电池输出的直流电进行变流处理，将其逆变为交流电。逆变器的工作原理 是通过电力电子器件的开关及合理的变流电路来将直流电逆变成交流电。最初由 于电力电子技术以及调速方法的限制，它在电动汽车驱动系统中的应用并不被看 9 好。随着现代电力电子技术的发展，大功率电力电子器件的出现，以及调速方法 的改进，使得交流感应电机的调速性能逐渐赶上并超过了直流电机。耳前交流感 应电机已经成为在工业应用中使用最为广泛的拖动电机。现在，虽然交流感应电 机调速系统比较复杂，成本较高，但是由于电机本身具有体积较小、成本较低、 调速范围宽、响应快等优点，目前交流感应电机驱动系统在电动汽车领域得到越 来越广泛的应用。 ( 3 ) 永磁电机驱动系统 永磁电机是一种高性能的电机。具有高的“功率，质量”比，比其它类型的 电机有更高的效率和转矩，而且极限转速和制动性能优于其它类型的电机，更加 适合作为电动汽车的驱动电机。电动汽车用永磁电机主要有永磁无刷直流电机和 永磁同步电机两大类。 永磁无刷直流电机【1 1 】 永磁无刷直流电机是在直流电机的转子上装置永久磁铁，不再用电刷和换向 器为转子输入励磁电流，工作时，直接将方波电流输入无刷直流电机的定子中， 控制其运转。与其他电机相比其特点有：一是低速转矩大，低速可以达到理论转 矩输出；启动转矩可以达到额定转矩的两倍甚至更高，并且过载容量大，负载转 矩变动在2 0 0 以内输出转速不变。二是转速弹性大，转速变化范围为几十转到 十万转；运转精度高，转速精度可达1 3 0 0 0 转，并且不受电压与负载变动的影 响。三是结构简单牢靠、少维护甚至免维护、运转费用低，没有保养维修的烦恼。 四是用磁无刷直流电机尺寸小、质量轻，具有很高的功率密度。五是综合效率高， 明显高出有刷直流电机的效率。 永磁无刷直流电机不采用机械式换向器和电刷，而是由固态逆变器和转轴位 置检测器组成电子换向器。转轴位置检测器用来检测转子在运动过程中的位置， 并将位置信号转换为电信号，保证各相绕组的正确换流。永磁无刷直流电机常采 用电流斩波控制，控制系统由桥式变换器、p w m 控制电路、电机转轴位置检测 器和方波永磁直流电机等几部分组成。 永磁同步电机 永磁同步电机是指正弦波永磁电机，转子上装有永久磁体，一方面可形成很 强的气隙磁场，另一方面转子部分没有热源，不需要冷却装置。此电机有较高的 能量密度，惯性低，响应快，适用于电动车辆驱动系统，有极好的应用前景。永 磁同步电机低速时常采用矢量控制，高速时用弱磁控制( 永磁同步电机转子为永 磁体，无法调节，必须通过调节定子电流，增加定子电流去磁分量来削弱磁场， 提高转速，采用弱磁控制调速可以使电机保持较宽的恒功率范围，满足电动车负 载要求) 。 ( 4 ) 开关磁阻电机驱动系统 开关磁阻电机是一种新型电机，它的结构比其它任何一种电机都要简单，效 率可达8 5 棚3 ，转速可以达1 5 0 0 0 r m i n 。其转矩一转速特性较好，在较宽的 转速范围内，转矩、速度可灵活的控制，并有高的起动转矩和低的起动功率的机 械特性，是一种极具潜力的驱动电机。但目前，它的控制系统较复杂，调节性能 和控制精度要求高，工作时噪声和转矩波动比较大，在电动汽车上的应用还不是 很广泛。 下面采用数字的评分方法来比较上述几种电机的性能，主要对电机六个方面 的性能加以评价，每个性能的得分为1 5 分，表2 - 1 给出了比较结果。从表中可 以看出交流感应电机是最容易接受的。如果永磁无刷电机的成本下降，其技术更 加成熟时，这种电机将是最受欢迎的。传统的有刷直流电机正在失去竞争力，而 开关磁阻电机在电动汽车的应用中具有很大的发展潜力。 表2 - 1 各种驱动电机的性能比较【2 l 有刷直流电机交流感应电机永磁无刷电机开关磁阻电机 功率密度 2 53 553 5 效率2 53 553 5 可控制性 544 3 可靠性35 4 5 成熟性 5544 成本 4534 综合 2 22 62 52 3 2 2 1 3 驱动电机及控制器主要试验内容 电动汽车用驱动电机及控制器的工作条件恶劣，工作负荷与转速变化范围 大，且变化剧烈，空间受到很大限制。对电机及控制器的比功率和性能要求严格， 对安全性和可靠性要求高。同时，实现电机及其控制器的最佳匹配与整合，并将 两者作为一个系统来考核、检验和评价是必要的。电机及其控制器除了遵守和满 足现有的相关标准和法规外，还应提出相关的试验技术规范，以便于科学、准确、 全面地对电动汽车电机及其控制器进行评价和性能对比。 试验主要分为型式试验、常规试验与研究性试验三类【1 2 1 ，对于新设计的电机 及其控制器，必须进行型式试验与常规试验，这些试验属强制性试验。强制性试 验分两阶段进行，首先进行型式试验的性能试验部分，在性能满足要求的前提下， 再进行型式试验的其余部分和常规试验。研究性试验是为获得补充性资料进行深 入研究所需要的，为非强制性试验。 型式试验主要包括【1 4 】【1 5 l ： ( 1 ) 环境试验。包括温度、湿度和热绝缘电阻试验，定频振动和扫频振动， 盐雾试验； ( 2 ) 温升试验； ( 3 ) 特性曲线试验。包括电机连续额定输出功率特性试验，高效区特性试 验，短时过载特性试验； ( 4 ) 最高转速和超速试验； ( 5 ) 馈电试验； ( 6 ) 接触电流试验； ( 7 ) 防水防尘试验； ( 8 ) 电磁兼容性试验。包括辐射干扰试验和电磁抗干扰试验； ( 9 ) 耐久性试验。 常规试验主要包括【1 4 】嘲：。 ( 1 ) 电机空载转速； ( 2 ) 电机定予绕组的冷态直流电阻值； ( 3 ) 电机绕组匝间绝缘； ( 4 ) 控制器壳体机械强度； ( 5 ) 电机定子绕组对机壳的绝缘电阻： ( 6 ) 耐电压； ( 7 ) 堵转转矩和堵转电流； ( 8 ) 噪声； ( 9 ) 电压波动； ( 1 0 ) 电机控制器的过载能力； ( 1 1 ) 电机控制器保护功能； ( 1 2 ) 安全接地检查。 2 2 电机系统试验结构图 以上几点基本构成了电动汽车驱动电机试验应该包括的内容。其中一些需要 花费大量时间和在特殊设备上进行的测试项目，应委托电机生产单位完成。只有 与整车设计和仿真密切相关的重要测试才应该由电动汽车试验台完成，主要包括 特性曲线试验、馈电试验、电机空载转速、堵转试验等，试验过程中需要采集的 数据包括电机系统输入端的电压、电流和电功率，电机系统输出的转速和转矩。 电机系统试验结构图如图2 2 所示。 2 2 2 电动汽车电池组试验 在内燃机汽车上，常常采用电池作为发动机起动机、点火系统、照明、信号 系统、刮水器以及车载娱乐和通讯设备等装备的电源。它们所需要的电能容量较 小，工作时间较短。但是在电动汽车中，动力电池组必须是具有强大能量的动力 电源，除了作为驱动动力能源外，还要向空调系统、动力转向系统提供电力能源。 另一方面还要向照明、信号系统、刮水器以及车载娱乐和通讯设备等装备提供低 压电源。毫无疑问，电池组的性能极大地影响着电动汽车的整体性能。 2 2 2 1 蓄电池的主要性能指标 蓄电池是目前以及近期电动汽车能量源的主要选择。由美国能源部、电能研 究所、福特、通用、克莱斯勒公司以及电池生产商联合会成立的美国先进电池联 合会( u s a b c ) 致力于先进电池技术的研究，制定了目前开发的电动汽车用蓄 电池性能指标如表2 2 所示。 表2 - 2 蓄电池的主要性能指标嘲 性能指标单位中期过渡期远期 比能量( 3 h 率) w h k g 8 0 1 0 01 5 02 0 0 能量密度( 3 h 率) w h 几1 3 52 3 03 0 0 比功率 ( 8 0 d o d 3 0 s ) w k g 1 5 0 - 2 0 03 0 04 0 0 功率密度 w 几 2 5 04 6 06 0 0 ( 8 0 d o d 3 0 s ) 循环次数 次6 0 01 0 0 01 0 0 0 ( 8 0 d o d ) 寿命 焦 51 01 0 正常充电时间 h664 4 05 06 0 快速充电时间 m l n 1 5 2 0 2 0 工作温度 - 3 0 6 03 0 6 54 0 - 8 5 自放电率天 1 5 3 2 5 1 2 连续放电1 h 率额定能量 7 07 57 5 注：d o d ：放电深度，放电容量与总容量的百分比 2 。2 2 。2 电动汽车常用蓄电池分类 目前可用于电动汽车的蓄电池可以分为铅酸电池、镍基电池、金属空气电池 和锂离子电池等。 ( 1 ) 铅酸电池 铅酸电池是最早应用于电动汽车的蓄电池。经历了一个多世纪的发展，具有 许多显著的优点：技术可靠，生产工艺成熟，成本低，单体电池电压高，适合电 动汽车使用的良好的大电流输出性能，良好的高温和低温性能，高的能量效率以 及多种多样的型号和尺寸。另外，铅酸电池也有一些缺点还需要进一步完善，比 如，铅酸电池的比能量和能量密度比较低( 通常为3 5 w h k g 和7 0 w h l ) ，循环 寿命相对较低( 约为5 0 0 次) ，由于硫酸腐蚀电极不便于长期存储等。 ( 2 ) 镍基电池 镍基电池是指采用氧化镍作正极的电化学电池，主要有镍镉电池和镍氢电 池。 镍镉电池的工作电压较低，单体电池的标称电压为1 2 v 。3 h 率比能量为 5 5 w h k g ，比功率可以超过2 2 5 w k g ，循环使用寿命达2 0 0 0 次以上。可以进行 快速充电，充电1 5 m i n 可恢复5 0 的容量，1 h 可恢复1 0 0 的容量，但一般情况 下完全充电需要6 h 。可以在4 0 - 8 0 的环境温度下工作。镍镉电池中含有有害 重金属镉，在电池报废后必须进行有效回收。 镍氢电池的单体电池的电压1 2 v ，3 h 率比能量7 5 8 0 w h k g ，能量密度达 到2 0 0 w h l ，比功率1 6 0 - 2 3 0 w k g 、功率密度4 0 0 - 6 0 0 w k g 。充电1 8 r a i n 可恢 复4 0 一8 0 的容量，应急补充充电性能好，一次充电后行驶里程长，而且启动 加速性能较好