轮毂电机驱动电动汽车试验台的设计

轮毂电机驱动电动汽车试验台的设计

新能源汽车是目前汽车行业的研究热点和重要发展方向。其中,轮毂电机驱动的电动汽车极大地优化了传动系统结构,节省了车辆布置空间,使车身设计更为灵活多样,同时动态响应更为灵敏,具有诸多传统汽车所不具备的优点面向轮毂电机电动汽车设计台架,使用CAN网络控制,实现了4个子台架的通信和联调,通过实验验证,其满足4轮毂电机驱动电动汽车的试验要求,为轮毂电机实车的研发奠定了实验基础。1轴承轴承试验台框架的设计1.1驱动电机性能测试系统为满足轮毂电机电动汽车动力系统研究的需要,所设计的试验台架必须具备以下功能:(1)可以实现驱动电机在速度控制模式以及转矩控制模式下的稳态实验;(2)对驱动电机在不同工况下进行性能测试与标定;(3)各驱动电机的联调和协同控制;(4)可以验证轮毂电机动力控制系统的控制策略和控制算法。1.2负载电机系统试验台架采用模块化的设计思想,将台架按功能划分为不同的模块(1)测功机系统。将80kW电机及变速箱动力总成作为测功机部分,通过施加负力矩来提供负载,同时可发电为电池充电,起能量循环的作用。(2)动力总成系统。将40kW电机及变速箱动力总成作为驱动电动轮。(3)数据采集与控制系统。基于CAN网络的数据采集模块,采集各部件的实时性能参数,发送给整车控制器VCU处理(4)能源管理系统。该系统由高压电池组以及电池管理系统组成。(5)散热冷却系统。电机控制器采用空冷方式冷却,电机和测功电机采用水冷方式冷却。试验台架结构如图1所示。2平台架硬件结构设计2.1测功设备采用动力总成系统由40kW三相异步电动机和4档机械式变速箱组成。测功机系统同样由三相异步电机和变速箱系统组成,区别是测功机采用80kW的大功率电机,以提供更宽广的负载范围。动力系统测试,目前主要采用的方法是水力测功(已淘汰)、电涡流测功和电力测功,而电力测功机正逐渐成为主流。测功设备主要有AVL、西门子和FEV等品牌,价格昂贵。该实验台架和系统自身即是电驱动系统,采用两套相同的电机变速箱动力系统对拖的试验方法,试验方案如图2所示,其中(1),(2),(3),(4)为电流传感器驱动系统驱动测功机系统,测功机系统提供负载并发电,变频器将发电产生的交流电转为直流电供给母线,母线再将直流电供给驱动电机变频器转为三相交流电驱动动力系统。整个系统处于电封闭状态,蓄电池组在系统中仅起起动和进行功率调节的作用,并用于补充系统因效率所损失的能耗(1)电机控制器输入功率为P其中:U(2)电机控制器输出功率为P其中:U(3)系统输出功率为P其中:T则系统效率如下:电机控制器效率η2.2整车控制器的设计数据采集与控制系统包括以下几个部分:(1)总控制柜部分包括Dspace数据采集模块、数字功率分析仪和PC显示端口。(2)驾驶员控制模块部分包括钥匙开关、前进后退选档开关、加速踏板和制动踏板。台架采集数据主要有:编码器信号;扭矩传感器模拟量信号;变速箱档位传感器信号;电机温度传感器信号;油门踏板行程模拟输入信号;制动踏板行程模拟输入信号;电位器(方向盘转角)模拟量输入信号;手动选档开关量信号等。同时,根据目前的测功机系统,设计并实现了基于CAN2.0b的通信协议,满足了在测功机中的数据采集和通信。基于CAN网络的驱动控制实现了4个子系统台架的联调和网络通信。CAN网络拓扑图如图3所示。整车控制器VCU是整个试验台架的核心控制单元,根据试验操作指令,经过VCU处理后,合理分配每个驱动电机需求转矩或者转速,以及变速箱的档位控制。由于CAN网络实现了4个子系统电机的信息交互,VCU可以对4台驱动电机进行控制,实现对轮毂驱动电动汽车各项控制策略的试验验证。2.3管理系统的结构布置试验台架的能源系统采用9节蓄电池串联而成,总蓄电池组供电电压为600V,由高压管理系统将电能传送到每个驱动电机及测功机的电机控制器中,电机控制器中的变频器再将600V的高压直流电转化为380V的三相交流电驱动电机高压管理系统结构布置图如图4所示。该系统设置在配电柜中,其主要部件分布在一张390×320×10mm的耐绝缘板上,绝缘板上方是3个接触器,靠左的是主接触器K1,居中的是附件接触器K2,靠右的是充电接触器K3,在控制线圈的左边是用于散热的风扇F;板的左下方是电流熔断器FU1,通过绝缘端子I1和I2固定在绝缘板上;右下方是防水盒,盒里面是一铜排即负极共用端HG,这两者也是通过绝缘端子与绝缘板固定在一起,防水盒的下侧面开孔,以方便电缆的连接,防水盒的端盖上固定了一个接线排,用于低压电路能源系统配有24V直流电源为电机控制器、整车控制器、冷却系统,及其他低压配件供电。蓄电池组还配有电池管理系统时刻监视电池电压、电流、温度等状态,一旦超过临界值,便报警。2.4电机冷却电路整个试验台架的散热冷却系统主要包括两部分:(1)测功电机及驱动电机的冷却。电机的冷却采用水冷的方式,通过散热器总成,将冷却液送至电机,循环冷却。(2)电机控制器的冷却。由于电机控制器集成了变频器,因此必须采用冷却装置,冷却装置采用风冷方式进行冷却。3等试验台架和网络Labview是一种基于图形开发、调试和运行程序的功能完整的集成化开发环境,应用的范围十分广泛,涵盖从简单的仪器控制、数据采集到尖端的测试和工业自动化等试验台架采用CAN网络实现数据采集和通信,采用NI公司最新性能的基于PCI和PXI总线的CAN接口卡,利用其NI-XNETCAN嵌入式网络接口,NI-XNETAPI与NILabview软件无缝集成,结合Labview实时模块使用,NI-XNET接口实现了真正的确定性和可靠性性能,这对于轮毂电机的测试是极为重要的。图5为Labview程序设计数据监控界面,通过监控界面可以直观清晰地监测4个驱动电机的实时转速、扭矩和电机温度。4框架试验和产品4.1油挤出试验和电机速度联合试验通过矢量控制算法和PID算法实现台架的速度跟随。在测功机设定预设工况下4.2主驱动电机1号电机动态负载控制由控制器发送指定程序给测功机模块,使测功机加载动态负载。主驱动电机1号电机采用扭矩控制的方式加载恒定输出驱动力矩。3号驱动电机转速跟随1号电机。动态负载下电机联调转速跟随曲线界图面如图7所示。4.3电子时差控制策略4轮毂电机独立驱动车辆取消了变速器、减速器、差速器和转向机构,布置灵活、传动系统效率高。采用4个轮毂电机独立驱动4个主动轮,电子差速控制4个主动轮的转速和转矩,实现车辆转向。电子差速控制策略是车辆转向的技术难点台架上,确定路面负载,测功机给予确定值。转向的情况下,由两个输入量来确定两个车轮转速大小,即:(1)车辆目标转速(即油门开度);(2)方向盘转角,试验台架上,方向盘转角的信号由电位器控制,提供一个0~5V电压信号模拟方向盘转角。通过电位器给予的方向盘转角信号和油门踏板信号,再由控制器中电子差速算法合理分配驱动车轮速度。实验结果的界面图如图9和图10所示。4.4整车控制器的升级改造稳态工况下速度同步误差在8r/min左右,当主动轮在拐点时,从动轮与主动轮的速度差增大至约20r/min左右,并且存在速度盲点,可通过如下措施进行改善:(1)硬件上可升级整车控制器,提高处理器的处理速度,增加处理器的采样频率,避免在速度跟随时发生数据丢失,或者响应延迟的情况。(2)采用采样频率更高的CAN