电动汽车综合性能试验台设计及制作

丁左武， 屈敏， 郝腾飞， 郑堃

(1. 南京工程学院，江苏 南京 211167; 2.先进数控技术江苏省高校重点建设实验室，江苏 南京 211167)

电动汽车综合性能试验台设计及制作

丁左武1，2， 屈敏1， 郝腾飞1， 郑堃1

(1. 南京工程学院，江苏 南京 211167; 2.先进数控技术江苏省高校重点建设实验室，江苏 南京 211167)

为了检测电动汽车控制器的性能、动力铅酸蓄电池组或者锂离子蓄电池组在使用过程中的参数变化、驱动电机的各项性能，设计出一种电动汽车综合性能试验台,包括负载配重块、主减速器、传动轴、变速器、带轮、驱动电机、主控制器、辅助控制器、负载电机、驱动电机、蓄电池组、加速踏板、制动踏板和蓄电池组。试验台在驱动桥的左右两端分别设置有六个模拟车辆不同载荷的加载配重块。试验台能够模拟车辆在不同载荷条件下的ECE(Economic Commission of Europe safety regulations)循环试验、制动能量回收试验等。控制器检测车辆运行速度、动力蓄电池组的工作电流、蓄电池组的端电压、蓄电池组在使用过程中的容量变化等参数，为电动汽车的研发提供试验平台。

电动汽车；综合性能试验台；制动能量回收；铅酸蓄电池；锂离子蓄电池

0 引 言

电动汽车开发过程中，需要检测控制器的驱动效率、工作电流，动力蓄电池的容量、使用过程中蓄电池的温度变化、蓄电池的使用寿命，驱动电机的扭矩等参数[1-2]。电动汽车整车生产企业在选配不同厂家生产的蓄电池、电机之前，需要对不同生产厂家送检的蓄电池、电机进行相关的性能试验。为了对电动汽车的相关参数进行检测，本文设计出一种电动汽车综合性能试验台。该试验台不仅能够模拟驾驶员实际踩下加速踏板的幅度调节车辆不同的行驶速度，并且可以按照事先编制好的速度曲线运行[3-4]。

1 电动汽车综合性能试验台设计

为了模拟车辆运行惯量，混合动力汽车研发机构和电动汽车研发机构通常在驱动电机的输出端用发电机作为负载。本试验可以模拟电动汽车制动过程动能和电能的相互转换，为了使运行过程车辆的能量以动能的形式存在，本试验选用飞轮形状的配重块作为加载模块[5-6]。图1所示为电动汽车综合性能试验台原理图，图2所示为电动汽车综合性能试验台实物图。

图1 电动汽车综合性能试验台原理图

图2 电动汽车综合性能试验台实物图

加载配重块中，配重块1、配重块3、配重块4和配重块6的材质为球墨铸铁，通过铸造而成，配重块2和配重块5为大功率发动机飞轮改造而成。飞轮形状的加载模块模拟车辆负载，具有成本低廉，制造简单的优点。但是当模拟大负载的车辆时，所制造的飞轮形状加载模块，对动平衡要求较严格，否则飞轮高速运转时，试验台抖动严重。

根据能量守恒定律，车辆的飞轮等传动系统旋转部件的传动动能和车辆平行移动的惯性能相等[7-8]，则:

(1)

(2)

(3)

式中If为飞轮转动惯量；ωr为车轮角速度；ωf为飞轮角速度；mv为车辆平动质量；v为车辆运行速度。

本文的试验台驱动电机选用7.5 kW的直流无刷电动机；制动阻力模拟电机选用5 kW的直流有刷并励电动机；变速器选取具有5个档位的面包车用变速器；驱动桥的主减速比为4.226。

2 直流无刷驱动电动机控制器设计

图3 直流无刷 电动机控制器实物

本试验台选取7.5 kW的直流无刷电动机作为驱动动力源，选取三菱公司生产的PM150CLA060作为电动机的驱动模块，选用量程300 A、输出电压0-5.0 V的霍尔电流传感器对蓄电池输出电流进行检测，选取集成的AC-DC模块为控制器提供+5.0 V和+15 V的用电电压，选取MC9S12XS128单片机作为控制系统CPU。图3所示为设计出的直流无刷电动机控制器实物图。

3 负载电阻的驱动模块设计

本试验台选取5 kW的直流有刷并励电动机作为制动阻力电机，该电机的额定电压为72 V，选用并列3组MOS管作为负载电阻的驱动模，负载为11个并列的阻值为10 Ω、功率为500 W的功率电阻组成。为了增加负载电阻的散热能力，11个功率电阻放置于水槽里。

功率电阻的工作与否，通过辅控制系统控制。在制动能量回收阶段，当负载电机的端电压超过蓄电池组的端电压时，负载电机向蓄电池充电。当负载电机的端电压低于蓄电池组的端电压时，辅控制器使负载电机的电量释放到功率电阻上。

4 控制系统相关模块设计

本文选取霍尔效应式加速踏板传感器，进行加速信号测量，该传感器采用+5 V供电，输出电压信号值为0.8 V～4.8 V，信号输出口接MC9S12XS128的PAD3口。

图4 温度检测电路接线原理图

图5 车轮转速传感器安装图

本文采用DS18B20对控制器的温度进行检测，图4所示为温度检测电路接线原理图。温度传感器安装时，用卡子固定在靠近驱动模块的控制器壳内部。温度信号与MC9S12XS128具有外部中断功能的PJ0口相连接。

本文所选用的车速传感器型号为LJ13A3-8-Z/BX。该款传感器的供电电压较宽，为5.0 V～36.0 V，测量距离最大值为8 mm，传感器的输出信号与MC9S12XS128的外部中断口H7口相连接。图5所示为车轮转速传感器安装图。

5 电动汽车综合性能试验台控制软件设计

本文利用MAX232实现笔记本电脑与试验台控制器之间的通信。

本试验台的控制器选用PWM值控制驱动电机的速度。用来控制试验台驱动电机的PWMPER值为255，PWMDTY的取值范围为0～255。PWM通过分频设定工作频率值为20 kHz。

假设踏板的加速度信号值为x，x的取值范围为0.8 V～4.8 V，8位AD转换之后的对应值范围为41～244。驱动MOS管开度大小的PWMDTY对应值为y，则y的取值范围为0～255。

为了达到加速踏板在不同的位置所对应的不同加速度效果，y和x的对应函数关系可以是线性的，也可以是分段线性，还可以是曲线。图6所示为y与x值对应关系线。

图6 y与x值对应关系线

图6(a)的y与x值对应关系是直线。此种情况下，起步阶段和加速阶段都是匀速前进的。y和x的对应线性关系为：

(4)

图6(b)中的y与x值对应关系是分段线性平缓起动线。此种情况下，起步阶段加速度较平缓，过了A点之后，加速度较急。A点的位置选取没有固定的算法，往往依据驾驶人员的驾驶感受进行调试。假设A点的坐标为A(150,80)则SA线段中y和x的对应线性关系为：

(5)

AE线段中y和x的对应线性关系为：

(6)

图6(c)中y与x值对应关系是分段线性暴力驱动线。此种情况下，起步阶段加速度较急，过了B点之后，加速度较缓慢。B点的位置选取没有固定的算法，往往依据驾驶人员的驾驶感受进行调试。假设B点的坐标为B(100,150)则SB线段中y和x的对应线性关系为：

(7)

BE线段中y和x的对应线性关系为：

(8)

图6(d)是y与x值对应的线性快速运行对应关系线。按照该线运行的控制器，在加速转把转动幅度不大的情况下，控制车辆运行速度快慢的MOS管开度已经达到较大的值。

图7 ECE循环工况 显示程序

图8 串口通信绘制出的ECE曲线

在定时中断子程序里绘制ECE曲线。图7所示为绘制ECE曲线程序流程。图8为串口通信绘制出的ECE曲线。预先把速度线按照时间t-速度v的关系利用程序编制在计算机里，当试验台运行时，车辆的加速踏板按照图8所示车辆不同运行时刻对计算机输入不同的加速度信号，使得车辆的运行速度和图8中的运行速度保持一致。加速踏板输出的信号，可以由人工手动输入，或者由计算机编程输入。

6 试验研究

试验用动力电池是2组72V容量为20 AH磷酸铁锂型电池并联而成，驱动电机的功率为7.5 kW，主减速器的传动比为4.266。试验时，先把72 V的锂离子蓄电池充满电，然后静置1小时，再连接充电器继续充电，直到充电器的充电指示灯变成绿色为止。变速器的传动比选择1∶1，室内环境温度为30 ℃。试验时，当载重块的转速达到300转/分钟时，驱动电机停止工作，负载电机开始工作，对系统进行制动。当载重块的转速为0时，驱动电机又开始驱动传动系统，直到载重块的转速达到300转/分钟时，驱动电机停止工作，负载电机进行制动。整个过程往复进行，直到锂离子动力蓄电池组的端压下降到62 V为止。试验过程，试验台控制器采取自然冷却方式。

试验分两种不同的负载工况进行。工况一的负载为配重块1、配重块2、配重块3、配重块4、配重块5和配重块6；工况二的负载为配重块2、配重块3、配重块4和配重块5。表1、表2为试验实测参数表。

表1 工况一所测参数

表2 工况二所测参数

7 结束语

(1) 本文所设计出的电动汽车综合性能试验台，可以安装不同数量的配重块，模拟车辆的不同载荷，达到测试在车辆不同载荷条件下的运行速度、蓄电池组的工作电流、蓄电池组的端电压、蓄电池的使用过程中的容量变化、电机的转矩等参数。

(2)本试验台能够模拟车辆制动过程的动能变化过程，进行电动汽车控制器的制动能量再生功能的开发。

(3)对蓄电池组性能进行检测。通过设计试验，进行重复性的蓄电池组充放电试验，以分析蓄电池组容量的衰减变化规律、循环寿命的长短。

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Design and Manufacture of a Comprehensive Performance Test Bed for Electric Vehicles

Ding Zuowu1,2, Qu Min1, Hao Tengfei1, Zheng Kun1

(1. Nanjing Institute of Technology, Nanjing Jiangsu 211167, China;2. Jiangsu Province Colleges and Universities Key Laboratory for Advanced Numerical Control Technology, Nanjing Jiangsu 211167, China)

To test electric vehicle’s controller performance, parameter change of power lead-acid battery pack or lithium ion battery pack in use process, and various performances of drive motors, this article introduces the design of a comprehensive performance test bed for electric vehicles, including a load balancing weight, main reducing gear, driving axle, speed changer, belt?wheel, drive motor, main controller, secondary controller, load motor, battery pack, accelerator pedal and brake pedal. Six load balancing weights simulating different vehicle loads are arranged on each side of the drive bridge. The test bed can simulate cyclic tests under different load conditions in accordance with ECE (Economic Commission of Europe) safety regulations as well as brake energy recovery tests. The controller can test vehicle speed as well as working current, terminal voltage and capacity change of power battery packs, thus providing a test platform for the R&D of electric vehicles.

electric vehicle； comprehensive performance test bed； brake energy recovery； lead-acid battery； lithium ion battery

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.02.015

TH13

A

1000-3886(2017)02-0049-03

丁左武(1975-)，男，安徽人，副教授，专业：车辆电子电气。

定稿日期: 2016-09-08