CN106769105A - 一种电动汽车动力系统及控制器综合试验台架及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电动汽车动力系统及控制器综合试验台架及方法，本发明集成了交流测功机、电池模拟/测试仪和台架监控系统；集成了驱动电机及控制器、动力电池及管理系统、温湿度控制箱、水冷循环机、功率分析仪、扭矩法兰、电流传感器、数据采集系统等设备和测试仪器；集成了控制器快速控制原型系统和CAN通信监控设备等。该台架能够实现电动汽车动力部件及其控制器，以及纯电动、混合动力等多种构型的动力系统综合测试。本发明的综合测试台架，具有方案切实可行，使用方便，功能齐全的特点，方便用户自主改造其结构和功能，提高了试验台架的综合利用率，应用广泛，极具推广价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种电动汽车动力系统及控制器综合试验台架及方法。
背景技术
能源危机和环境污染是当今世界面临的两大难题。电动汽车因节能环保已经成为未来汽车发展的必然趋势。动力系统及控制器的性能好坏直接影响整车的动力性、经济性和舒适性等，其性能测试在整个电动汽车系统开发中占据重要的地位。
与传统的燃油汽车不同，电动汽车的动力系统及控制器主要是电气设备和电力电子设备，主要包括驱动电机及其控制器、动力电池及其管理系统等关键部件，其开发测试流程一般包括建模仿真、台架试验、实车场地试验等。其中，实车场地试验需要配备专门的试验车辆、测试场地和熟练的驾驶员，试验周期长、投入大，安全性要求高，因此绝大部分的测试需要提前在台架上完成，而目前国内的电动汽车动力系统试验台架，普遍存在着局限于测试电动汽车某种单一部件，或是局限于测试某种单一动力构型的缺点，功能单一，特别是不能实现对动力系统的硬件在环测试。这些不足已经不能满足当前电动汽车研发和测试的需求。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种电动汽车动力系统及控制器综合试验台架及方法，本发明能够实现电动汽车动力部件及其控制器，以及纯电动、混合动力等多种构型的动力系统综合测试，本发明的综合测试台架，具有方案切实可行，使用方便，功能齐全的特点，方便用户自主改造其结构和功能，提高了试验台架的综合利用率，应用广泛，极具推广价值。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种电动汽车动力系统及控制器综合试验台架，包括驱动电机、动力电池组及其管理系统、台架监控系统、硬件在环系统和交流测功机，其中：
所述台架监控系统，分别与电机控制器、电池管理系统和硬件在环系统相连；发出控制和接收反馈信号，实现台架的全程监控；
所述的硬件在环系统，被配置为加载不同车型的动力总成模型及驾驶环境，通过所述台架监控系统控制测功机来模拟道路工况；
所述的交流测功机，接收台架监控系统的控制信号，并控制测功机的转速和扭矩，通过扭矩法兰、传动轴及适配器与电机同轴连接，并通过利用扭矩法兰测量电机扭矩和转速并将测量信号传输给台架监控系统；
所述的驱动电机，通过动力线与电机控制器相连，电机控制器通过直流母线与电池模拟测试仪或动力电池包相连；所述的电机控制器，与台架监控系统相连，通过CAN通讯将电机控制器的输入输出电压、输入输出电流、电机转速及转向、电机转矩、电机和控制器温度参数，传至台架监控系统；
所述动力电池组，与电池模拟测试仪相连，内部电池单体通过电压、温度采集模块与台架监控系统相连。
所述的动力电池组，与电池管理系统BCU或快速控制原型设备相连。
所述电池模拟测试仪，通过加载电池模型，模拟电池电压、电流的特性输出，控制电压电流输出，对动力电池组进行充放电测试。
所述快速控制原型设备，与计算机相连，计算机接收快速控制原型设备传送来的参数信息，并在界面上实时显示和记录测试数据。
所述快速控制原型设备，具体包括整车控制器HCU、电池管理系统BMS和电机控制器MCU，其中，所述的整车控制器HCU，通过CAN通讯与硬件在环系统相连，接收汽车车速、驱动电机和发动机转速转矩和电池SOC信息，经整车控制器HCU处理之后，将油门、刹车等控制信号发送到硬件在环系统，然后将转速、转矩等信号传送给台架监控系统和电机控制器，控制交流测功机和驱动电机运行；
所述的电池管理系统BMS，通过模拟和数字输入输出接口与驱动电路相连，实现对动力电池组的充放电与均衡控制；
所述的电机控制器MCU，通过模拟和数字输入输出接口与电机逆变器相连，实现对电机逆变器IGBT的开关控制和电压、电流与转速参数测量。
所述电机控制器的直流母线、三相动力线、电流传感器与功率分析仪相连，通过TCP/IP通信将采集到的电机电压、电流信号传送至台架控制系统。
所述驱动电机和电机控制器通过冷却管道与水冷循环机相连，实现水冷循环。
所述电机设置于电机底座上，所述交流测功机设置于测功机底座上，且电机底座与测功机底座设置于支撑平台上，所述支撑平台下设置有若干组减震弹簧。
系统还包括操作监控工作台，包括多台高度可调整和视角可调的液晶显示器、手动操作控制面板、急停控制开关和键盘、鼠标等操作设备。
系统还包括CAN监控设备，采用USB-CAN通信设备，通过USB线与计算机相连，通过CAN通讯分别与台架监控系统、硬件在环系统和电机控制器相连，通过计算机检测和监控CAN通信是否正常。
所述交流测功机，与驱动电机之间配有拱形门状的金属防护罩，防护罩通过与驱动电机和交流测功机支撑底座外壳紧密无缝相连。
所述电机控制器，具有预充电盒，同时并联蓄电池，以防控制器掉电。
基于上述试验台架的工作方法，利用台架监控系统发出控制和接收反馈信号，实现台架的全程监控，加载不同车型的动力总成模型及驾驶环境，通过台架监控系统控制测功机来模拟道路工况；交流测功机，接收台架监控系统的控制信号，并控制测功机的转速和扭矩，通过扭矩法兰、传动轴及适配器与电机同轴连接，并通过利用扭矩法兰测量电机扭矩和转速并将测量信号传输给台架监控系统；采集电机控制器的输入输出电压、输入输出电流、电机转速及转向、电机转矩、电机和控制器温度参数以及内部电池单体通过电压、温度。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明方案切实可行，使用方便，功能齐全，方便用户自主改进结构和功能，克服了目前国内测试台架功能单一的不足，提高了试验台架的综合利用率，应用广泛，极具推广价值；
(2)本发明方案切实可行，使用方便，功能齐全，方便用户自主改进结构和功能，克服了目前国内测试台架功能单一的不足，提高了试验台架的综合利用率，应用广泛，极具推广价值；
(3)本发明集成了交流测功机、电池模拟/测试仪和台架监控系统；集成了驱动电机及控制器、动力电池及管理系统、温湿度控制箱、水冷循环机、功率分析仪、扭矩法兰、电流传感器、数据采集系统等设备和测试仪器；集成了控制器快速控制原型系统和CAN通信监控设备等，能够实现电动汽车动力部件及其控制器，以及纯电动、混合动力等多种构型的动力系统综合测试。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是电动汽车动力系统及控制器综合测试台架结构示意图；
图2(a)、图2(b)、图2(c)是综合试验台架铸铁平台及其减震弹簧的布置方案的侧视图和俯视图。
图3(a)、图3(b)、图3(c)是应用快速控制原型系统开发HCU、MCU、BMS等控制器的原理结构简图。
其中：操作监控工作台(1)、系统控制柜(2)、CAN监控设备(3)、计算机(4)、快速控制原型设备(5)、工控机(6)、功率分析仪(7)、蓄电池(8)、水冷循环机(9)、电机控制器(10)、预充电电路(11)、电池模拟测试仪(12)、供电分路单元(13)、电池管理系统(14)、动力电池组(15)、温湿度控制箱(16)、驱动电机(17)、电机底座(18)、铸铁平台(19)、适配器(20)、传动轴(21)、保护罩(22)、基础(23)、扭矩法兰(24)、交流测功机(25)、测功机底座(26)、减震弹簧(27)、测功机控制柜(28)。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
一种电动汽车动力系统及控制器综合试验台架，包括操作监控工作台(1)、系统控制柜(2)、CAN监控设备(3)、计算机(4)、快速控制原型设备(5)、工控机(6)、功率分析仪(7)、蓄电池(8)、水冷循环机(9)、电机控制器(10)、预充电电路(11)、电池模拟测试仪(12)、供电分路单元(13)、电池管理系统(14)、动力电池组(15)、温湿度控制箱(16)、驱动电机(17)、电机底座(18)、铸铁平台(19)、适配器(20)、传动轴(21)、保护罩(22)、基础(23)、扭矩法兰(24)、交流测功机(25)、测功机底座(26)、减震弹簧(27)、测功机控制柜(28)等。
所述的动力系统及控制器，包括驱动电机及其控制器、动力电池及其管理系统等；
所述系统控制柜包含台架监控系统、硬件在环系统、通信接口等；
所述的台架监控系统，分别与电机控制器、电池管理系统、测功机控制柜、硬件在环系统、快速控制原型系统相连，并发出控制和接收反馈信号，实现台架的全程监控；
所述的硬件在环系统，能够加载纯电动汽车、混合动力汽车等不同车型的动力总成模型，能够加载虚拟车辆和道路交通等驾驶环境，能够通过所述的台架监控系统控制测功机来模拟道路工况；
所述的交流测功机，与测功机控制柜相连，测功机控制柜接收台架监控系统的控制信号，并控制测功机的转速和扭矩；所述的交流测功机通过扭矩法兰、传动轴及适配器与电机同轴连接，并通过利用扭矩法兰测量电机扭矩和转速；所述的扭矩法兰，其输出的转速信号线和扭矩信号线与台架监控系统相连；
所述的交流测功机，与电机之间配有拱形门状的金属防护罩，防护罩通过与驱动电机和交流测功机支撑底座外壳紧密无缝相连；
所述的驱动电机，是电动汽车用驱动电机，通过动力线与电机控制器相连，电机控制器通过直流母线与电池模拟测试仪或动力电池包相连；所述的电机控制器，具有预充电盒，同时并联蓄电池，以防控制器掉电；所述的电机控制器，与台架监控系统相连，通过CAN通讯将电机控制器的输入输出电压、输入输出电流、电机转速及转向、电机转矩、电机和控制器温度等参数，传至台架监控系统。
所述的动力电池组，可放置于温湿度控制箱内，并与电池模拟测试仪相连，内部电池单体通过电压、温度采集模块与台架监控系统相连；所述的动力电池组，与电池管理系统BCU或快速控制原型设备相连；
所述的电池模拟测试仪，可以通过加载电池模型，模拟电池电压、电流的特性输出，还可以通过加载电池充放电程序，控制电压电流输出，对动力电池组进行充放电测试；
所述的快速控制原型设备，可以快速开发的控制系统原型，包括整车控制器HCU、电池管理系统BMS和电机控制器MCU等；所述的快速控制原型设备，与计算机相连，计算机接收快速控制原型设备传送来的参数信息，并在界面上实时显示和记录测试数据。
所述的整车控制器HCU，通过CAN通讯与硬件在环系统相连，可以接收汽车车速、驱动电机和发动机转速转矩、电池SOC等信息，经整车控制器HCU处理之后，将油门、刹车等控制信号发送到硬件在环系统，然后通过CAN通讯将转速、转矩等信号传送给台架监控系统和电机控制器，控制交流测功机和驱动电机运行；
所述的电池管理系统BMS，通过模拟和数字输入输出接口与驱动电路相连，实现对动力电池组的充放电、均衡控制等；
所述的电机控制器MCU，通过模拟和数字输入输出接口与电机逆变器相连，实现对电机逆变器IGBT的开关控制和电压、电流、转速等参数测量。
所述功率分析仪与电机控制器的直流母线、三相动力线、电流传感器相连，通过TCP/IP通信将采集到的电机电压、电流等信号传送至台架控制系统；
所述的水冷循环机，通过冷却管道与驱动电机和电机控制器相连，实现水冷循环。
所述的铸铁平台，大小为200cmX400cm，正下方采用二排四列共八个减震弹簧支撑，平台四周为电缆沟。
所述的操作监控工作台，包括四台可以调整高度和左右视角的液晶显示器、手动操作控制面板、急停控制开关和键盘、鼠标等操作设备；
所述的CAN监控设备，采用USB-CAN通信设备，通过USB线与计算机相连，通过CAN通讯分别与台架监控系统、硬件在环系统、电机控制器等设备相连，通过计算机检测和监控CAN通信是否正常。
以下结合说明书附图，对本发明综合测试台架的技术方案和具体实施作进一步的详细说明：
1.根据图2(a)-图2(c)设计电动汽车动力系统及控制器综合测试台架的铸铁平台及减震方案，根据交流测功机和驱动电机轴高度，设计并安装交流测功机和驱动电机底座，底座通过螺栓与铸铁平台紧固；扭矩法兰与测功机输出轴对中联接。借助水平测试仪，调节电机底座的高度，确保测功机、扭矩法兰、传动轴、适配器和电机输出轴的中心线高度保持一致和同轴共线。
2.根据图1所示的电动汽车动力系统及控制器综合测试台架结构示意图，根据测试需求搭建不同结构的试验台架。台架监控系统是系统的控制核心，分别与电机控制器、测功机控制柜、硬件在环系统、快速控制原型系统等设备相连，并发出控制信号和接收反馈信号。在试验过程中，硬件在环系统通过加载搭建的纯电动汽车、混合动力汽车等车型的动力总成，其中驱动电机、动力电池可为真实部件，而其他部件如发动机、离合器、变速箱等可为模型，通过加载虚拟车辆和交通等虚拟环境，并通过交流测功机模拟道路工况，能够在台架上实现对动力系统及控制器的硬件在环测试；
3.根据图3(a)-图3(b)采用快速控制原型系统开发HCU、MCU、BMS等控制器；所述的快速控制原型设备，可以快速开发的控制系统原型，包括整车控制器HCU、电池管理系统BMS和电机控制器MCU等；所述的整车控制器HCU，通过CAN通讯与硬件在环系统相连，可以接收汽车车速、驱动电机和发动机转速转矩、电池SOC等信息，经整车控制器HCU处理之后，将油门、刹车等控制信号发送到硬件在环系统，然后通过CAN通讯将转速、转矩等信号传送给台架监控系统和电机控制器，控制交流测功机和驱动电机运行；所述的电池管理系统BMS，通过模拟和数字输入输出接口与驱动电路相连，实现对动力电池组的充放电、均衡控制等；所述的电机控制器MCU，通过模拟和数字输入输出接口与电机逆变器相连，实现对电机逆变器IGBT的开关控制和电压、电流、转速等参数测量。所述的快速控制原型设备，与计算机相连，计算机接收快速控制原型设备传送来的参数信息，并在界面上实时显示和记录测试数据。
4.本发明的一种综合测试台架基本操作过程，主要包括测试开始前的各项安全检查，包括供电电源是否正常、电机防护罩是否牢固等；启动电机水冷循环机，设定水冷系统的温度值；启动系统后，加载系统参数、配置文件和测试任务，开启监控功能，观测监控模式下是否有警示信息；启动和设置电池模拟测试仪参数和保护限值；启动系统运行，观察台架上的驱动电机、动力电池等随工况运行情况；测试任务结束后，保存测试数据，停止测试，并重新进入监控模式；按顺序关闭系统设备，整理测试数据，编写测试报告。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种电动汽车动力系统及控制器综合试验台架，其特征是：包括驱动电机、动力电池组及其管理系统、台架监控系统、硬件在环系统和交流测功机，其中：
所述台架监控系统，分别与电机控制器、电池管理系统和硬件在环系统相连；发出控制和接收反馈信号，实现台架的全程监控；
所述的硬件在环系统，被配置为加载不同车型的动力总成模型及驾驶环境，通过所述台架监控系统控制测功机来模拟道路工况；
所述的交流测功机，接收台架监控系统的控制信号，并控制测功机的转速和扭矩，通过扭矩法兰、传动轴及适配器与电机同轴连接，并通过利用扭矩法兰测量电机扭矩和转速并将测量信号传输给台架监控系统；
所述的驱动电机，通过动力线与电机控制器相连，电机控制器通过直流母线与电池模拟测试仪或动力电池包相连；所述的电机控制器，与台架监控系统相连，通过CAN通讯将电机控制器的输入输出电压、输入输出电流、电机转速及转向、电机转矩、电机和控制器温度参数，传至台架监控系统；
所述动力电池组，与电池模拟测试仪相连，内部电池单体通过电压、温度采集模块与台架监控系统相连。
2.如权利要求1所述的一种电动汽车动力系统及控制器综合试验台架，其特征是：所述的动力电池组，与电池管理系统BCU或快速控制原型设备相连。
3.如权利要求1所述的一种电动汽车动力系统及控制器综合试验台架，其特征是：所述电池模拟测试仪，通过加载电池模型，模拟电池电压、电流的特性输出，控制电压电流输出，对动力电池组进行充放电测试。
4.如权利要求2所述的一种电动汽车动力系统及控制器综合试验台架，其特征是：所述快速控制原型设备，与计算机相连，计算机接收快速控制原型设备传送来的参数信息，并在界面上实时显示和记录测试数据。
5.如权利要求2所述的一种电动汽车动力系统及控制器综合试验台架，其特征是：所述快速控制原型设备，具体包括整车控制器HCU、电池管理系统BMS和电机控制器MCU，其中，所述的整车控制器HCU，通过CAN通讯与硬件在环系统相连，接收汽车车速、驱动电机和发动机转速转矩和电池SOC信息，经整车控制器HCU处理之后，将油门、刹车等控制信号发送到硬件在环系统，然后将转速、转矩等信号传送给台架监控系统和电机控制器，控制交流测功机和驱动电机运行；
所述的电池管理系统BMS，通过模拟和数字输入输出接口与驱动电路相连，实现对动力电池组的充放电与均衡控制；
所述的电机控制器MCU，通过模拟和数字输入输出接口与电机逆变器相连，实现对电机逆变器IGBT的开关控制和电压、电流与转速参数测量。
6.如权利要求1所述的一种电动汽车动力系统及控制器综合试验台架，其特征是：所述电机控制器的直流母线、三相动力线、电流传感器与功率分析仪相连，通过TCP/IP通信将采集到的电机电压、电流信号传送至台架控制系统；
或所述驱动电机和电机控制器通过冷却管道与水冷循环机相连，实现水冷循环。
7.如权利要求1所述的一种电动汽车动力系统及控制器综合试验台架，其特征是：所述电机设置于电机底座上，所述交流测功机设置于测功机底座上，且电机底座与测功机底座设置于支撑平台上，所述支撑平台下设置有若干组减震弹簧。
8.如权利要求1所述的一种电动汽车动力系统及控制器综合试验台架，其特征是：系统还包括CAN监控设备，采用USB-CAN通信设备，通过USB线与计算机相连，通过CAN通讯分别与台架监控系统、硬件在环系统和电机控制器相连，通过计算机检测和监控CAN通信是否正常。
9.如权利要求1所述的一种电动汽车动力系统及控制器综合试验台架，其特征是：所述交流测功机，与驱动电机之间配有拱形门状的金属防护罩，防护罩通过与驱动电机和交流测功机支撑底座外壳紧密无缝相连；
或所述电机控制器，具有预充电盒，同时并联蓄电池，以防控制器掉电。
10.基于如权利要求1-9任一项所述的试验台架的工作方法，其特征是：利用台架监控系统发出控制和接收反馈信号，实现台架的全程监控，加载不同车型的动力总成模型及驾驶环境，通过台架监控系统控制测功机来模拟道路工况；交流测功机，接收台架监控系统的控制信号，并控制测功机的转速和扭矩，通过扭矩法兰、传动轴及适配器与电机同轴连接，并通过利用扭矩法兰测量电机扭矩和转速并将测量信号传输给台架监控系统；采集电机控制器的输入输出电压、输入输出电流、电机转速及转向、电机转矩、电机和控制器温度参数以及内部电池单体通过电压、温度。
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