电动汽车驱动系统测试台架设计

付 翔，王红雷，黄 斌，杨玉强

(1.武汉理工大学 汽车工程学院,湖北 武汉 430070;2.燕山大学 车辆与能源学院,河北 秦皇岛 066004)



电动汽车驱动系统测试台架设计

付 翔1，王红雷1，黄 斌1，杨玉强2

(1.武汉理工大学 汽车工程学院,湖北 武汉 430070;2.燕山大学 车辆与能源学院,河北 秦皇岛 066004)

为了更好地进行电动汽车动力总成的开发与试验研究，利用可编程逻辑控制器(PLC)对驱动系统与测功系统同时进行控制，使得试验台架结构简单、易于操作。台架结构的布置与控制程序的编程均采用模块化处理，使得测试台架具有较好的通用性和扩展性。试验过程中，利用组态软件对台架实现动态监控，通过CAN总线实现整个台架网络的通信，并利用PLC实现数据的集中采集、显示与处理，同时将所测数据在上位机中保存下来。试验结果表明，所设计的测试台架能够满足驱动系统的测试要求。

电动汽车;驱动系统;试验台架;数据采集

电动汽车作为汽车工业发展方向之一，具有终端清洁无污染、能量转换效率高等优点，对缓解环境和能源压力，推动汽车产业转型升级具有重要意义[1-2]。电动汽车驱动系统包括驱动电机、电机控制器、变速器等部件，在装车之前需对驱动系统和单个部件进行调试、标定，以便更好地匹配车辆。动力试验台虽然较难准确地模拟汽车的道路行驶情况，但是其作用在电机轴端的动力负载的变化趋势与道路情况基本一致，有利于减少开发成本和提高开发进度[3]。鉴于此,笔者提出基于PLC的电动汽车驱动系统测试台架，并同时控制测功系统与被测系统，通过控制器局域网(CAN)总线实现整个测试系统各模块的通信与控制，利用组态软件实现台架状态的监控、试验数据的存储与报表的自动生成，并进行了驱动系统电机的性能测试，从而达到评价动力总成系统的匹配与验证动力驱动系统控制效果的目的。

1 测试台架总体设计与硬件组成

1.1 测试台架的功能

测试台架需要完成驱动系统电机的稳态性能、动态性能与可靠性测试。测试试验包括外特性、效率、馈电性能、温升与电机在速度或扭矩控制模式下的试验等。

1.2 测试台架模块化设计

为了简化驱动系统台架设计，采用模块化的设计理念，使测试台架具有较好的通用性和可扩展性[4]。其中驱动系统测试台架主要有测功系统、被测系统、数据采集系统及供能装置等。驱动系统台架设计原理图如图1所示。

图1 驱动系统台架设计原理图

对动力系统进行测试时，测功系统模拟负载进行加载，此时测功系统处于发电状态，产生三相交流电，并通过电机控制器整流转化为直流电，对动力电池进行充电，补偿测试台架的能量损耗，使得整个测试系统处于电封闭状态，减少了能量消耗。

被测驱动系统即为80 kW三相交流异步电机，它通过联轴器与测功系统连接。

测功系统采用电机与变速器组合提供负载，通过改变变速器的速比可以为被测系统提供较宽的负载，达到对不同驱动系统测试的目的，从而降低测功系统与整个试验台架的成本[5]。

控制系统由上位机、下位机(PLC)、电机控制器(MCU)等组成。上位机负责对PLC进行控制与串行通信，PLC将来自上位机发送过来的指令信号进行处理后执行输出动作，对测功系统和被测系统进行控制。

数据采集系统需要完成台架试验过程中数据的显示、集中采集和保存，包括上位机、功率分析仪、扭矩传感器、示波器等。

1.3 测试台架硬件组成

考虑到驱动系统测试的复杂性，以及对测试台架硬件的可靠性、准确性和通信能力等有较高的要求，选用西门子PLC S7-200系列PLC，CPU型号为CPU-224，扩展模块为EM235模块。

电参数的采集与计算主要通过YOKOGAWA WT1600功率分析仪来完成，包括驱动电机输入/输出功率、电机控制器输入/输出功率、母线电流与电压、功率因素等参数。此外还可以接收扭矩传感器与旋变解码器发出的信号，实时显示扭矩与转速，并进行保存。通过电参数、转速与扭矩信号得出系统各部分的效率。

被测系统电机转速和测功系统电机转速的测量均使用电机轴端的数字光电式编码器，通过脉冲信号计数，可实现转速的精确测量。

温度的测量采用PT100热电阻温度传感器，它将温度信号转换为可传送的标准化直流电流信号，实现电机温度的准确测量。

试验过程中扭矩的测量采用HBM公司的T40非接触式扭矩传感器，转矩信号为脉冲信号，其信号由定子发出，可以满足被测系统电机台架测试过程中在振动、扭矩与转速变化很大及电磁干扰等恶劣环境下使用。

2 测试台架程序与通信系统设计

2.1 测试台架程序模块化设计

根据所需要的驱动系统电机的性能试验，采用STEP 7-Micro/WIN对其编程，将编辑无误后的程序下载到PLC中，结合组态软件进行监控，通过CAN网络实现整个台架系统的信息交互，完成对被测驱动系统与测功系统的控制。为了完成驱动系统的测试试验，简化程序设计的复杂性、方便调试和维护，笔者对程序进行模块化的设计[6]。控制对象分为被测驱动系统与测功系统两部分，程序模块需要完成对驱动系统与测功系统的同时控制，主要包括主程序、子程序、中断程序和CAN接收/发送模块。此外上位机还可以通过组态监控界面完成对动力电池、低压电池与冷却系统等其他设备的监控。

在驱动系统电机试验过程中，为了达到更为精确的试验结果，被测电机和测功机需要处于速度或扭矩闭环控制模式下，此时利用PLC内部的PID算法程序，PID控制器采用离散化的控制方式，离散化公式如下：

式中：u(k)为第k次采样的输出；Kp为比例系数；T为采样时间；Ti为积分时间常数；Td为微分时间常数；e(k)、e(k-1)分别为第k次和第k-1次采样时的误差值。

将被测电机试验时通过台架上的传感器测得的信号存储于CAN报文，并传递到PLC中的CAN接收模块，解析CAN报文，根据其接收的电机运行状况，通过CAN发送模块，控制测功系统模块，从而达到控制被测系统与测功系统的目的。程序设计整体框架如图2所示。

图2 程序设计整体框架图

图3 程序流程图

图3为驱动系统电机测试的程序流程图。初次使用程序时，先将参数初始化，并对PLC进行上电自检。然后进行故障自诊断，如果出现故障，上位机组态监控界面上显示出报警状态；单击报警信息查询，将会出现详细的故障部位，根据所出现的故障，由试验人员进行排除；待故障排除之后，再进入到下一流程。根据所要测试的驱动系统的试验项目，在组态软件监控界面依次写入所需试验项目参数，待参数写入后，进行驱动系统对应项目的试验，并将测试过程中的数据通过CAN网络总线实现数据传递与保存，待试验结束后，用来分析驱动系统电机的基本性能，评价驱动系统的合理性。

2.2 人机界面

PLC多采用开关量输入/输出及模拟量输入/输出，不适合进行人机对话[7]。在上位机中，采用FameView组态软件设计出人机界面与PLC实现无缝对接，具有操作简单、方便、高效等优点。监控界面根据系统要求，具有以下功能：依据界面输入参数PLC产生相应的逻辑输出，实现台架的控制；实时显示测试台架反馈的状态信息；显示报警状态信息；数据的存储；自动报表的生成等。

利用监控界面监控的参数有驱动电机的转速、测功电机的转速、扭矩、电机的定子温度、电机控制器的输出功率、电池的SOC、输出电压、电流等其他信息的监控。组态监控界面如图4所示。

图4 组态监控界面

2.3 数据通信系统设计

控制器局域网总线(controller area network，CAN)是一种能够支持高效安全的分布式控制与实时控制的串行通信协议[8]。近年来CAN总线已经逐渐发展成为车辆电子系统、发动机控制单元及试验台架的主流现场总线之一[9]。

台架中的CAN通信网络基于SAE J1939通信协议，实现了PLC与台架各部分的信息交互；并制定了网络应用层协议，实现了试验台架控制系统对试验过程中数据的集中采集及各设备的分布式控制[10]。为了实现整个试验数据采集和控制系统的智能化与网络化，附件设备和功率分析仪等通过信息单元转换为CAN总线控制；利用CAN总线通信控制MCU、BMS等设备，并直接连接到网络。测试台架CAN总线的通信速率为250 kb/s，扩展帧为29位标识符，CAN总线网络拓扑结构如图5所示。

图5 CAN总线网络拓扑结构

测试过程中，上位机监控系统根据用户具体控制要求，发送控制指令到 CAN总线上，驱动电机控制器和负载电机控制器接收CAN总线上控制指令以控制驱动电机和负载电机，同时监控电机运行状态和报警故障信息，BMS通过CAN总线监控动力信息。功率分析仪主要用于检测与计算试验中的电参数；MCU、BMS和试验控制台通过 CAN总线网络，实现各传感器测量数据的共享与测试用户控制指令的收发。

3 测试台架的运行与结果分析

3.1 驱动系统电机性能试验

根据设计好的试验台架，选择某一电动汽车用驱动电机进行试验，试验项目包括效率、外特性、温升,以及馈电试验等。试验用驱动系统三相交流异步电机的参数如表1所示。

表1 驱动电机参数

以测试驱动系统电机MAP图为例，试验时，被测电机采用转速闭环控制，利用上位机组态监控界面给定速度数值，经PLC驱动模块处理，通过CAN发送模块，将转速信息传送到CAN网络，控制被测电机控制器，电机控制器再控制被测电机，速度传感器将测得的转速信号反馈给PLC，实现转速的闭环控制，最终将转速提升到相应的测试转速。待转速稳定到较理想的数值后，再利用监控界面给定测功机不同的扭矩数值，PLC控制测功电机在不同转速下施加不同负载，并在同一转速下逐步增大轴端负载扭矩，直至被测电机在相应转速下达到输出最大扭矩为止，以此来测得驱动电机在每一转速下各工作点的效率和扭矩。

进行驱动电机的馈电试验时，将驱动电机作为发电机，利用测功机在转速闭环控制下拖动被测电机，被测电机作为发电机，产生三相交流电，经驱动电机控制器整流处理后转换为直流电输出给动力电池，直到该转速下达到最大功率为止，并依次在不同转速下进行驱动电机的馈电特性试验。

驱动电机的温升特性是在额定状态下的测试，此时将驱动电机转速维持在1 600 r/min，动力电池蓄满电后电压保持在540 V左右，测功电机负载扭矩为477 N·m，连续运转1 h，记录1 h内电机定子的温度变化。

3.2 试验结果与分析

根据设计的测试台架测得的试验数据，并将试验数据进行处理与分析，最终得到的驱动系统电机峰值特性、驱动电机馈电峰值特性与温升特性如图6所示。

图6 电机特性测试数据

从图6(a)中可以看出驱动电机的最大功率为159 kW、最大扭矩为889 N·m，并且拐点在1 600 r/min左右，符合理想的电机峰值工作特性;根据图6(b)可知定子温升最大值为114 ℃，峰值馈电功率拐点约为1 600 r/min，最大馈电功率的绝对值为157 kW，试验测得的各参数与电机标定参数基本一致。

图7 电机MAP图

由图7试验电机MAP图分布分析可知，效率较高的区域都分布在额定转速和额定扭矩附近，并且在电机额定转速变化较大范围内，仍然具有较高的效率，符合电动汽车用驱动电机工作性能要求。试验结果表明，该试验台架可以完成驱动系统电机的外特性、效率、馈电，以及温升试验。

驱动系统电机空载时通过上位机编程软件设定的转速和实测电机转速如图8所示，可以看出测得的试验转速与给定的转速基本一致，表明该驱动系统电机试验台架可以较准确、真实地记录试验数据。通过上述试验分析说明，该电动汽车驱动系统电机试验台架能够满足电机性能试验要求，为电动汽车动力驱动系统的设计、研究与匹配提供了重要依据。

图8 给定转速与实测转速对比图

4 结论

所设计的电动汽车驱动系统试验台架采用PLC对测功系统与被测驱动系统同时进行控制，并且结合组态软件实现了试验过程中的动态监测、分析、故障报警及其报表生成等功能；采用CAN网络通信，实现了数据的准确传递与精确控制。测试台架结构布置与控制程序均采用了模块化处理，便于测试台架的扩展、升级与改造。完成了驱动电机的外特性、效率、温升与馈电试验，试验结果表明，所设计的电动汽车驱动系统测试台架能够完成电机基本特性试验，可以为今后电动车驱动系统性能测试提供参考。

[1] 张冠哲,宋大为.新能源汽车试验台测控系统研发[J].机械设计与制造,2014(11):36-38.

[2] 蔡灿,徐达伟,田韶鹏.两挡纯电动驱动系统试验台架研究[J].武汉理工大学学报(信息与管理工程版),2014,36(6):812-815.

[3] 刘忠途,伍庆龙,宗志坚.基于台架模拟的纯电动汽车能耗经济性研究[J].中山大学学报(自然科学版),2011,50(1):44-48.

[4] 欧阳三泰,周琴,欧阳希.基于Lab VIEW平台和PLC的电机试验台数据采集系统设计[J].电机与控制应用,2007(1):45-48.

[5] 曹正策.基于电驱动自动变速器(EMT)的Plug_in并联混合动力系统研究[D].武汉:武汉理工大学,2011.

[6] 孙善辉,夏超英.电动汽车电机及驱动系统试验平台的设计与开发[J].电气传动,2006,36(2):42-44.

[7] 李新,肖峻.基于PLC和人机界面的辅助电机试验台[J].内燃机车,2005(7):33-34.

[8] 陈燕平.基于CAN总线的混合动力大客车动力系统台架试验研究[D].上海:上海交通大学,2011.

[9] 曹珊,于秀敏,高莹,等.CAN总线在混合动力电动公共汽车中的应用[J].汽车技术,2005(6):13-17.

[10] 黄万友,程勇,纪少波,等.基于CAN总线的纯电动汽车动力总成试验台测控系统的开发[J].汽车工程,2012,34(3):266-271.

FU Xiang:Assoc. Prof. ; School of Automotive Engineering, WUT, Wuhan 430070, China.

[编辑：王志全]

Test Bench Design on Drive System of Electric Vehicle

FUXiang,WANGHonglei,HUANGBin,YANGYuqiang

In order to develop and carry out experimental study of electric vehicle power train better, a programmable logic controller (PLC) was used to control the drive system and the dynamometer system simultaneously. The test bench structure was then simple and the test bench was easy to operate. Modular processing was applied to bench structure layout and control procedural programming, making the test bench have good versatility and scalability. In test process, configuration software was employed to realize dynamic monitoring, communicate via CAN bus network, and combined with PLC to realize the centralized acquisition, display and processing of data. Meanwhile the data were saved in the upper monitor. The test results show that the design of the test bench can meet the test requirements drive system.

electric vehicle; driving system; test bench; data acquisition

2015-03-17.

付翔(1973-),女,湖北随州人,武汉理工大学汽车工程学院副教授;博士.

中央高校专项资金资助项目(2014-II-004)；武汉市科学技术局科研基金资助项目(2013011801010596).

2095-3852(2015)05-0571-05

A

U467.3

10.3963/j.issn.2095-3852.2015.05.010