动力传动试验台技术方案说明书110620最新.docx
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动力传动试验台技术方案说明书110620最新
名称
混合动力传动试验台
方案设计说明书
代号
TZ××××XXXXXX
版本
A.1
编制
工 艺
校核
标准化
审核
批准
版本
变更人
变更日期
变更说明
变更编号
目次
1 概述
新能源汽车产业受到越来越多的重视,前途一片光明,机械传动能力是电动汽车的基础核心技术之一,而我公司缺乏相应的技术积累,人才储备和实验条件。
这已成为制约我公司,特别是动力系统的发展、进一步提升的主要瓶颈,建立混合动力传动试验台成为当务之急。
混合动力传动试验台主要用于混合动力汽车的功能试验:
功能实现、功能评价;性能试验:
性能分析、耦合分析,为混合动力系统部件选型、参数匹配及控制策略的制定、优化提供大量可靠数据。
2 适用范围
本方案设计的传动试验台适用于湖南南车时代电动汽车的10米至12米的混联、AMT并联的混合动力系统进行功能试验与性能试验。
具体车型参数如下表:
表110米客车整车技术参数
整车整备质量
11吨
整车满载质量
16.5吨
风阻系数
0.7~0.75
迎风面积
7.5m2
滚动阻力系数
0.0165
轮胎半径
0.478~0.523
变速器传动比
綦江S6-150:
1档6.98;2档4.06;3档2.74;4档1.89;5档1.31;6档1;倒档6.43
北奔:
1档6.43;2档4.18;3档2.53;4档1.54;5档1
后桥传动比
5.571
表212米客车整车技术参数
整车整备质量
13.2吨
整车满载质量
18吨
风阻系数
0.7~0.75
迎风面积
7.5m2
滚动阻力系数
0.0165
轮胎半径
0.478~0.523
变速器传动比
綦江S6-150:
1档6.98;2档4.06;3档2.74;4档1.89;5档1.31;6档1;倒档6.43
北奔:
1档6.43;2档4.18;3档2.53;4档1.54;5档1
后桥传动比
6.43
3 规范性引用文件
下列文件中的条款通过本技术条件的引用而成为本技术条件的条款。
凡是注日期的引用文件,其随后所有的修改单(不包括勘误的内容)或修订版均不适用于技术条件,然而,鼓励根据本技术条件达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。
凡是不注日期的引用文件,其最新版本适用于本技术条件。
表3相关标准
序号
标准/文件号
标准/文件名称
备注
1
GB/T17692-1999
汽车用发动机净功率测试方法
2
QC/T524-1999
发动机性能试验方法
3
GB/T18297-2001
汽车发动机性能试验方法
4
GB/T19055-2003
汽车发动机可靠性试验方法
5
GB/T18488.1-2006
电动汽车用电机及其控制器试验方法技术条件
6
GB/T18488.2-2006
电动汽车用电机及其控制器试验方法
7
GB755-87
旋转电机基本技术要求
8
GB/T1029-93
三相同步电机试验方法
9
GB1032-85
三相异步电机试验方法
10
GB775-2000
旋转电机定额及性能
4 环境条件
以下是混合动力系统传动试验台主要使用环境要求:
Ø电源电压:
380V±10%;220V±10%;0-30V直流可调电源,功率为900W;5V直流电源模块,功率>500W;
Ø环境温度:
0~40℃;噪音≤70dB;相对湿度≤90%;海拔高度≤1000m;
Ø冷却水要求:
汽车通用冷却液,含乙二醇,温度≤70℃;自来水,冷却水压≥0.15Mpa;
Ø整车气压环境;
Ø接地要求:
有独立的接地地线;
Ø供电系统连接:
手动操作的分断设备;
Ø电网频率:
额定频率50Hz,频率变化范围49Hz~51Hz;
Ø安装条件:
厂房内,有独立控制室(厂房要求良好通风)。
5 试验台主要功能
混合动力系统传动试验台应具备以下功能:
Ø试验台可模拟混合动力汽车的道路行驶工况,完成混合动力电动汽车的多工况性能试验。
Ø试验台可进行混合动力汽车的电机性能参数测试及电机控制器的测试。
Ø试验台可实现离合器自动控制、选换挡控制功能和性能分析,可进行AMT系统动力性、经济性换挡试验以及AMT与其他部件的匹配试验。
Ø试验台可进行发动机的性能试验。
Ø试验台可完成混合动力传动系统性能试验。
Ø试验台可完成混合动力部件之间的耦合分析并进行匹配试验。
Ø试验台可进行11t~18t范围内的不同质量的混合动力系统的模拟试验。
Ø试验台可进行混合动力系统控制策略的验证及优化试验。
Ø试验台可进行关键部件的可靠性试验。
Ø试验台测控系统可对试验过程中的试验数据进行采集、显示及记录。
6 试验台方案原理说明
通过前期对吉林大学、法士特及重庆大学传动试验台的调研,最终确定通过与重庆大学合作共同开发混合动力系统传动试验台,初步确定该试验台的方案如下:
图1混联式混合动力客车试验台方案
图2AMT并联式混合动力客车试验台方案
该混合动力试验台系统原理框图如图所示。
图3混联式混合动力试验台原理图
混联式混合动力客车试验台原理如上图所示,该试验台分为机械连接部分和电气连接部分,机械连接部分主要有发动机、传感器、ISG电机、离合器、电机、惯性飞轮、测功机以及联轴器,电气连接部分主要有传感器和试验过程中所需的各控制单元(发动机控制单元、电机控制器、dspace等)。
对于电气连接部分,各控制单元之间的通信方式为CAN通信,各信号的采集采用专用数据采集设备,测功机采用380V交流电驱动,各传感器和控制单元采用直流电(0~30V直流可调电源,功率为900W)驱动。
对于ISG电机和电机,可采用直流电源或动力电池驱动,待具体实施方式确定后,再另加。
图4AMT并联式混合动力客车试验台原理图
AMT并联式混合动力客车试验台的原理图如上图所示,该试验台分为机械连接部分和电气连接部分,机械连接部分主要有发动机、传感器、离合器、电机、AMT、惯性飞轮、测功机以及联轴器,电气连接部分主要有传感器和试验过程中所需的各控制单元(发动机控制单元、电机控制器、变速器控制单元、dspace等)。
对于电气连接部分,各控制单元之间的通信方式为CAN通信,各信号的采集采用专用数据采集设备,测功机采用380V交流电驱动,各传感器和控制单元采用直流电(0~30V直流可调电源,功率为900W)驱动。
对于电机,可采用直流电源或动力电池驱动,待具体实施方式确定后,再另加。
7 方案分析
整车加载需求分析
在典型城市工况下依据表1、表2的整车参数,根据各时刻的对应车速,计算得到加载过程中所需加载力和加载功率,加速过程计算公式如下:
(1)
(2)
(3)
其中
为质量,f为滚动阻力系数,
为风阻系数,A为风阻面积,r为轮胎半径(取最大值0.523),
为后桥传动比,u为车速。
在减速过程中,各计算公式如下:
(4)
(5)
(6)
,其中
为第n个时刻的车速,m为质量,r为轮胎半径(取最大值0.523),
为后桥传动比,u为车速。
图5典型城市工况曲线
通过处理分析得出表1、表2车型在整备质量及满载质量情况下的转矩、功率需求如下图:
图610米、12米车典型城市工况下转矩需求
图710米、12米车典型城市工况下功率需求
可见选用额定功率450Kw、额定转速1000r/min测功机,可以满足典型城市工况下的加载需求。
不同稳定车速下加载需求
是为了验证客车台架试验的性能,及不同车速下的加载特性,根据式
(1)、
(2)、(3)及汽车动力学,
其中:
u为车速;
n为转速;
r为车轮半径;
为后桥传动比;
现从车速从0增加到100,其对应的后桥前负载扭矩,及功率,和对应的转速如下表4,表5:
表410米长客车加载数据
车速(km/h)
后桥前需求转速(r/min)
整备质量时后桥前需求转矩(N*m)
满载质量时后桥前需求转矩(N*m)
整备质量时后桥前需求功率(Kw)
满载质量时后桥前需求功率(Kw)
0
0
(167.0)
(250.4)
0
0
10
283
169.5
252.9
5.01
7.49
20
565
177.0
260.5
10.47
15.41
30
848
189.4
272.3
16.82
24.23
40
1130
206.9
290.4
24.49
34.37
50
1413
229.4
312.9
33.94
46.29
60
1695
256.9
340.4
45.60
60.42
70
1978
289.3
372.8
59.93
77.22
80
2260
326.8
410.3
77.35
97.12
90
2543
369.2
452.7
98.32
120.56
100
2826
416.7
500.2
123.29
147.99
表512米车客车加载数据
车速(km/h)
后桥前需求转速(r/min)
整备质量时后桥前需求转矩(N*m)
满载质量时后桥前需求转矩(N*m)
整备质量时后桥前需求功率(Kw)
满载质量时后桥前需求功率(Kw)
0
0
(173.6)
(236.7)
0
0
10
326
175.8
238.9
6.00
8.16
20
652
182.3
245.4
12.45
16.76
30
978
193.0
256.2
19.78
26.25
40
1304
208.2
271.4
28.44
37.07
50
1631
227.7
290.1
38.88
49.66
60
1957
251.5
314.6
51.53
64.47
70
2283
279.6
342.7
66.84
81.93
80
2609
312.1
375.2
85.26
102.51
90
2935
348.8
412.0
107.22
126.62
100
3261
389.9
453.1
133.17
154.73
其不同车速所对应的扭矩,功率及其转速曲线,如图2所示:
图8不同车速下对应的转矩、功率图
可见选用额定功率450Kw,额定转速1000r/min的电机完全可以满足要求。
惯性飞轮设计
整车参数如下表:
表6整车参数
整备质量
满载质量
后桥传动比
10米车
11吨
16.5吨
5.63,5.571
12米车
13.2吨
18吨
6.43
轮胎半径
0.478m到0.523m之间
飞轮密度
7850Kg/m3
惯性飞轮设计计算初始依据:
7.3.110米车惯量计算
若后桥传动比为5.571,根据轮胎半径的取值范围,选取轮胎半径r=0.523m,则试验台飞轮所需模拟的最大转动惯量为:
由两部分组成:
整备质量当量转动惯量:
载重质量当量转动惯量:
根据飞轮的当量转动惯量可以得出飞轮半径与飞轮厚度之间的关系式:
式中,
为飞轮密度,
为飞轮半径,
为飞轮厚度。
惯性飞轮组半径与质量对比
当量转动
惯量Kg.m2
飞轮盘r=500mm
备注
飞轮盘r=550mm
备注
厚度mm
质量Kg
厚度mm
质量Kg
整备质量
96.95
125.8
775.6
每10mm厚的飞轮盘重量为61.7Kg
85.9
640.8
每10mm厚的飞轮盘重量为74.6Kg
载重质量
48.47
62.9
387.8
43.0
320.8
总质量
145.42
188.7
1163.4
128.9
961.6
若后桥传动比为5.63试验台飞轮所需模拟的最大转动惯量为
由两部分组成:
整备质量当量转动惯量:
载重质量当量转动惯量:
惯性飞轮组半径与质量对比
当量转动
惯量Kg.m2
飞轮盘r=500mm
备注
飞轮盘r=550mm
备注
厚度mm
质量Kg
厚度mm
质量Kg
整备质量
94.93
123.2
759.57
每10mm厚的飞轮盘重量为61.7Kg
84.1
518.51
每10mm厚的飞轮盘重量为74.6Kg
载重质量
47.46
61.6
379.79
42.1
259.56
总质量
142.39
184.8
1139.36
126.2
778.07
7.3.212米车惯量计算
根据轮胎半径的取值范围,选取轮胎半径r=0.523m,则试验台飞轮所需模拟的最大转动惯量为
由两部分组成:
整备质量当量转动惯量:
载重质量当量转动惯量:
惯性飞轮组半径与质量对比
当量转动
惯量Kg.m2
飞轮盘r=500mm
备注
飞轮盘r=550mm
备注
厚度mm
质量Kg
厚度mm
质量Kg
整备质量
87.33
113.3
698.54
每10mm厚的飞轮盘重量为61.7Kg
77.4
477.2
每10mm厚的飞轮盘重量为74.6Kg
载重质量
31.75
41.2
254.01
27.1
173.25
总质量
119.08
154.5
952.55
104.5
650.45
结论:
根据以上计算可以得出,在轮胎半径为0.523m时,10米车和12米车的飞轮的当量转动惯量范围为87.33~145.42Kg.m2之间。
为了设计出来的飞轮能够模拟两种车型的整车惯量,采用飞轮组的形式,飞轮组由一个固定飞轮部分和多个可动飞轮部分组成。
7.3.3飞轮组设计
根据计算的飞轮当量转动惯量范围,可以设计成固定飞轮部分和可动飞轮部分的形式,假设固定飞轮部分的当量转动惯量为100Kg.m2,取飞轮半径为0.5m,则固定部分的厚度和质量为:
可动飞轮半径与质量对比
编号
当量转动
惯量Kg.m2
飞轮盘r=300mm
飞轮盘r=400mm
厚度mm
质量Kg
厚度mm
质量Kg
1
5
50.1
111.2
15.8
35.07
2
10
100.1
222.18
31.7
70.36
3
20
200.2
444.35
63.4
141.38
由上表可以选取可动飞轮部分的半径为r=300mm
8 试验台主要技术参数
电源参数
供电电源:
AC380V±10%,220V±10%,50Hz,0~30v直流电源模块,功率900w,5V直流电源模块,功率>500W。
数据采集模块
FC2022数据采集模块在FC2000发动机、电机自动测控系统里是一个CAN节点,用于接入各种形式的传感器,对发动机、电机测量采集的数据实时发送到CAN总线上,通过FC2023数据显示单元显示或由计算机显示。
●技术参数
电源
DC24V
通道数
16/台
温度测量精度
±0.5FS
压力测量精度
±0.5FS
通讯方式
CAN
可测量:
不超过10V的直流电压信号
不超过20mA的直流电流信号
不超过2500欧姆的电阻信号
使用条件:
环境温度:
0–40°C
环境湿度:
≤85RH
●供货范围
检定记录
1份
FC2022数据采集模块
1个
CAN通讯线
1根
3芯信号线
100m
3芯插座
16个
5A保险丝管
1个
测功机参数
Ø吸收/驱动额定功率:
470kW;
Ø吸收/驱动额定扭矩:
4156Nm;
Ø驱动、吸收持续最高工作转速:
≥2800r/min;
Ø基速:
1080r/min;
Ø系统控制精度:
扭矩精度:
≤±1N·m,转速精度:
≤±1r/min;
Ø转速传感器测量范围:
≥12000r/min;
Ø转速传感器速度分辨率:
≤1r/min;
Ø转速传感器转速测量精度:
≤±1r/min;
Ø电力测功机转动惯量(不带传动轴):
≤0.35kg㎡;
Ø过载能力:
≥120%额定负荷过载(每10分钟1分钟);
Ø扭矩响应时间:
≤50ms;
Ø扭矩、转速采集频率:
≥100Hz;
Ø冷却方式:
强制空气冷却或水冷;
Ø测功机在转速0~2800r/min范围内空载运行,距离测功机1米处测量的噪声均不得超过90dB(A);
控制系统
控制系统采用工控机集中控制实现相应的功能,设备控制信号的传递采用上位机来实现,包括与控制相关的检测数据传送等。
控制系统与电机控制器之间采用CAN总线通讯。
与测试系统其他部件的数据传送采用CANBUS或者RS485通讯方式。
测试系统
测试电压参考范围:
0~±800V,精度:
<1%
测试电流参考范围:
0~±300A,精度:
<1%
辅助系统
控制电源:
隔离变压器提供AC220V,容量2kVA,满足控制箱工作的需要;
UPS:
容量1kVA(满足逆变器控制电源工作的需要,确保控制电源不间断工作至少3分钟);
水冷系统:
温度可调,最高温度70℃,流量>15L/min;
辅助工装:
按照试验需求制造,工装要求易于拆装、美观、牢固。
9 设备构成及功能
整个试验台主要由电源系统、测功机系统、控制系统、测控系统、被试电机及其控制器、辅助系统等组成。
9.1 电源系统
电源系统主要功能是为电机及其控制器以及测功机提供牵引供电电源。
其中电机电源由220V交流电提供。
测功机系统引入电源是由用户厂房高压供电电网提供的三相交流380V工频电源。
9.2 测功机系统
测功机系统概述
测功机系统主要有负载电机、ABBACS800系列四象限变频器、高精度、高转速转矩转速传感器、FC2012电力测功机控制仪控制仪、机械堵转装置、传动轴及其保护罩、被测电机固定工装、FC2420T1水温调节装置以及电机开发试验台控制系统等组成。
测功机系统主要设备构成
负载电机
负载电机采用一台三相永磁同步电机,参数如下:
型号:
1PH8358-1*D1*-***0
额定功率:
470kW
恒转矩:
4156N.m(0-1080r/min)
恒功率:
470kW(1080-1400r/min)
最高工作转速:
2800r/min
额定定额 S1
峰值定额 S230s
噪声 ≤90dBA(最高转速)
ABBACS800系列变频器
ABB在提供所有类型测试台应用的交流变频器方面享有无与伦比的声誉,在齿轮、发动机、电机、传动设备等测试中所用电机,ABB变频器可对其进行精确的速度及转矩控制。
由于采用了称为直接转矩控制(DTC)的智能技术,ABB变频器带来了传统直流电机和其他交流电机控制方面无法实现的超高准确度以及动态转矩控制。
直接转矩控制(DTC)是ABB工业领域变频器中的ABB电机控制平台,用以进行交流电机的精准控制。
施加于测试台的负荷应当满足测试区控制系统的要求。
这就需要延迟时间最小,与此同时在整个测试周期内保持恒定的性能。
DTC通过提供下列特性,满足这些需要:
*转矩之准确度,可重复性以及线性度
*非常快速的转矩上升时间
与传统的交流变频器控制不同,DTC确保交流电机转矩为首要控制元素,而不是电机电流。
采用了DTC控制的电机,电流是实现所需转矩的结果。
再之,DTC控制交流电机转矩的间隔为25μs,大约每秒控制40,000次。
这就保证了准确度以及施加于测试台的负载转矩的动态特性。
为了达到最好的动态特性,需要认真考虑交流电机的惯量以及漏电感。
该数值越小,转矩上升时间就越快,轴转矩的变化就越快。
在许多测试程序中,这是一个关键的问题。
无论是否正在使用ABB电机或者使用其他制造商的电机,ABB工业变频器都有一个内置的电机模型,在测试台调试到该特定型号交流电机的参数期间,该模型自动进行精确调整。
ABB工业变频器的特点是拥有一个有源前端单元,有利于节省能源。
在测试过程中,发动机或汽车产生的能源被回馈到电网。
反馈回来的电流质量很高,没有谐波成分。
这是由于在电网侧有一个集成的正弦波滤波器并能保持恒定的功率因数,确保不干扰其他的功率装置。
这样,在供电设备方面的投资可以做到最小。
有源前端也补偿电网的低电压电平,以便电压电平不影响测试台的测试性能。
高精度、高转速转矩转速传感器
采用德国HBM公司原装进口T10F系列扭矩传感器,T系列扭矩传感器是一种非接接触式的传感器、由转子和定子组成,转子随轴旋转,扭矩以脉冲频率信号经定子输出,本结构新颖、小巧,动态响应高。
T系列扭矩传感器的主要技术特征:
额定扭矩:
2000、5000N.m
额定转速:
9000r/min
超载能力:
200%
破坏载荷:
≥400%
测量精度:
≤±0.05%F.S;
扭矩传感器标定设备精度等级:
ClassM1级、
扭矩传感器标定设备要求标定操作简单快捷,并能够多次使用。
FC2012电力测功机控制仪
用于被试电机机械功率的测试。
FC2012电力测功机控制仪与HBM扭力环及与其信号兼容的扭矩传感器,电力测功器,变频器等配套使用,用来测量和控制发动机的扭矩,转速,功率等参数。
仪器采用数字增量式PID控制算法,控制精度高。
扭矩,转速设定采用光电式数字电位器,无接触,无磨损,长寿命。
无记忆,便于实现控制方式的无扰动切换。
输入,输出,电源全部隔离,具有很高的抗干扰能力。
采用先进的CAN现场总线技术。
CAN先进的“无主”结构,使系统的构筑和扩充非常的方便。
与变频器连接采用RS485接口,直接用数据通讯,避免了模拟信号带来的干扰等问题,使系统运行更可靠,智能化程度更高。
仪器支持正,反转双向调零。
仪器自带汉字库,配合液晶显示器和简洁的键盘,使仪器的人机对话十分轻松。
菜单式和选项式的操作,简单明了。
技术参数
转速测量精度:
±1rpm
扭矩测量精度:
±0.2%FS
转速控制精度:
±1rpm
扭矩控制精度:
±0.1%FS
电源:
220V+10%/-10%/50/60Hz;0.4kVA
环境温度:
0to40°C
重量:
5
- 配套讲稿:
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- 动力 传动 试验台 技术 方案 说明书 110620 最新