【系統(tǒng)方案】新能源汽車教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng)方案

1、新能源汽車教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng)完全滿足新能源汽車領(lǐng)域教學(xué)和科研需求概述新能源汽車由于能夠?qū)崿F(xiàn)超低排放甚至零排放的要求,因此得到了國家政府和企業(yè)的高度重視,并被視為 調(diào)整交通能源使用結(jié)構(gòu)和改善城市大氣環(huán)境質(zhì)量的有效途徑之一。 電力驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)是新能源汽車的核心, 主 要包括了:驅(qū)動(dòng)電機(jī),變頻器、動(dòng)力電池。動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制器的性能對(duì)整個(gè)電動(dòng)汽車的性能起到至關(guān) 重要的作用,如下圖所示。 圖 1 新能源汽車的基本結(jié)構(gòu)新能源汽車教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng)采用了與實(shí)際電動(dòng)汽車電力驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)類似的組成部分,能夠直觀、真實(shí)地 模擬電動(dòng)汽車的實(shí)際組成結(jié)構(gòu)和運(yùn)行工況, 并能夠?qū)φ麄€(gè)系統(tǒng)進(jìn)行測試分析, 能夠滿足在新能源汽車

2、領(lǐng)域教學(xué)和 科研中的需求。 圖 2 新能源汽車教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng)圖 直接測量變頻器(電動(dòng)汽車功率調(diào)節(jié)器輸入和輸出,逆變效率測試。 完善馬達(dá)分析功能(選件測量扭轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速、頻率、轉(zhuǎn)差率、馬達(dá)功率; 測試汽車電子 CAN 總線相關(guān)數(shù)據(jù); 模擬電動(dòng)汽車主要組成部件,可進(jìn)行車載總線評(píng)估; 針對(duì)車載的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估測試;產(chǎn)品組成 圖 3 新能源汽車教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng)基本組成 高精度功率分析儀:PA6000 CAN 分析儀:CANScope-Pro CANopen 主站卡:USBCAN-2E-P BMS 系統(tǒng):ZBMS-100 電機(jī)平臺(tái):ZMotor-100完整的驅(qū)動(dòng)模擬系統(tǒng):包括驅(qū)動(dòng)電機(jī),變頻器以及制動(dòng)器,集成了高

3、性能的扭矩和轉(zhuǎn)速傳感器 ; 基于 CAN-bus (CANopen 網(wǎng)絡(luò)的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng),能夠完成對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制和監(jiān)測;可以集成基于 CAN-bus 總線的 BMS 系統(tǒng);集成高性能的功率分析儀 PA6000,可以對(duì)整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的評(píng)估測試,滿足新能源汽車教學(xué)平臺(tái)在驅(qū) 動(dòng)系統(tǒng)教學(xué)和科研中的需要;o 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率測試o 變頻系統(tǒng)性能測試o 動(dòng)力系統(tǒng)性能測試o 驅(qū)動(dòng)運(yùn)行工況測試集成高性能的 CAN 分析儀 CANScope-Pro ,可以對(duì)整個(gè) CAN-bus 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析測試,滿足新能源汽 車教學(xué)平臺(tái) CAN-bus 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議教學(xué)科研需要;o BMS 系統(tǒng)協(xié)議分析,教學(xué)和研究o 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)協(xié)議分

4、析,教學(xué)和研究o 新能源汽車整車協(xié)議分析,教學(xué)和研究o SAE J1939高層協(xié)議分析,教學(xué)和研究o 并支持 CANopen 等其它高層協(xié)議分析,教學(xué)和研究提供有豐富的教學(xué)和開發(fā)資料,便于教學(xué)和科研應(yīng)用設(shè)備功能介紹1. PA6000高精度功率分析儀PA6000高精度功率分析儀可以廣泛應(yīng)用于節(jié)能和新能源領(lǐng)域, 例如混合型電動(dòng)汽車、電動(dòng)汽車等功率設(shè)備 的開發(fā)和性能評(píng)估。 PA6000高精度功率分析儀可以對(duì)多相高電壓和大電流進(jìn)行精確測量,其功能特點(diǎn)如下:采用先進(jìn)的測量技術(shù),支持 DC,0.1Hz 1MHz 帶寬,保證了可靠的測量準(zhǔn)確度,基本精度:0.02%; 最多可以支持 6相功率輸入,所有的輸入通

5、道均電氣隔離,避免各種應(yīng)用中的短路;同步采集所有相,精確測量電壓、電流和功率參數(shù);提供豐富的分析功能:諧波閃變分析、頻譜分析、采樣波形顯示和矢量圖;超大容量存儲(chǔ)(10G ,支持長時(shí)間的數(shù)據(jù)記錄;可通過外部傳感器測量扭矩和轉(zhuǎn)速,用于馬達(dá)和驅(qū)動(dòng)應(yīng)用;12.1” 彩色液晶顯示器, 1280*800分辨率良好的操作性:提供豐富、快捷的功能按鍵,并支持觸摸屏和鼠標(biāo)鍵盤控制簡單的用戶界面確保操作簡單、直觀;標(biāo)準(zhǔn)配置和自定義配置允許用戶精確設(shè)定適合其應(yīng)用的相應(yīng)功能;標(biāo)配 USB 、 Ethernet 和 GPIB 三種接口,可以快速、方便地連接到 PC 。配備有 PC 軟件,可用來下載數(shù)據(jù)、分析和生成報(bào)表;

6、圖 3 PA6000功率分析儀采用 PA6000功率分析儀搭建測試平臺(tái)可以對(duì)電動(dòng)汽車電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行精確的評(píng)估:PA6000功率分析儀 的功率測量單元可以同時(shí)對(duì)電池輸出信號(hào)、 變頻器輸入輸出信號(hào)進(jìn)行測量分析, 同時(shí)具有電機(jī)測量單元, 可以對(duì) 驅(qū)動(dòng) 電機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩信號(hào)進(jìn)行測量。通過控制系統(tǒng)的配合, PA6000功率分析儀可以測量電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速、不 同轉(zhuǎn)矩下變頻器的性能、電機(jī)的加速性能等,從而可以模擬出汽車在高速或大阻力下整個(gè)系統(tǒng)的性能。 PA6000可實(shí)現(xiàn)如下功能:電源輸出電壓、輸出電流數(shù)值測量與波形顯示;變頻器輸入 /輸出電壓值和電流值測量與波形顯示;轉(zhuǎn)速和扭矩信號(hào)測量與波形顯示;變頻器效率

7、測量;變頻器輸出信號(hào)諧波分析;電機(jī)效率測量。2. CANScope-Pro CAN總線分析儀CANScope-Pro 分析儀是 CAN 總線開發(fā)與測試的專業(yè)工具,集海量存儲(chǔ)示波器、網(wǎng)絡(luò)分析儀、誤碼率分析 儀、協(xié)議分析儀及可靠性測試工具于一身,并把各種儀器有機(jī)的整合和關(guān)連;重新定義 CAN 總線的開發(fā)測試方 法,可對(duì) CAN 網(wǎng)絡(luò)通信正確性、可靠性、合理性進(jìn)行多角度全方位的評(píng)估;幫助用戶快速定位故障節(jié)點(diǎn),解決 CAN 總線應(yīng)用的各種問題,是 CAN 總線開發(fā)測試的終極工具。 圖 4 CANScope-Pro產(chǎn)品CANScope-Pro 主要功能:CAN 示波器:捕獲 CAN 總線上的信號(hào)并分析;

8、CAN 眼圖:對(duì)總線信號(hào)按位進(jìn)行疊加顯示、統(tǒng)計(jì)分析;CAN 報(bào)文:對(duì)捕獲到的 CAN 幀進(jìn)行顯示,提供統(tǒng)計(jì)報(bào)表等;CAN 波形:將模擬波形轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制碼流,并解碼形成 CAN 幀;網(wǎng)絡(luò)共享:提供遠(yuǎn)程多人協(xié)作分析功能;CANScopeEx :多種應(yīng)用層協(xié)議數(shù)據(jù)的發(fā)送與解析;支持 CANopenJ1939DeviceNetiCAN等協(xié)議。 自定義分析:用戶可指定協(xié)議規(guī)則,實(shí)現(xiàn)儀表顯示、趨勢(shì)圖顯示等功能。CANScope-Pro 應(yīng)用在汽車電子網(wǎng)絡(luò)或者工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)中如下圖所示。 圖 5 CANScope-Pro 應(yīng)用示意圖CANScope-Pro 可以對(duì)電動(dòng)車的整車 CAN-bus 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測試和

9、分析,對(duì)整車 CAN-bus 網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行評(píng)估。 也可以借助于 CANScope-Pro 的完成電動(dòng)車整車 CAN-bus 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的制定、研究等教學(xué)和科研任務(wù)。3. 電池管理 ZBMS-100BMS 系統(tǒng) ZBMS-100(以下簡稱為系統(tǒng)主要用于電動(dòng)車動(dòng)力系統(tǒng)主要部件電池組的電池電壓、 表面溫度 和電池組總電壓、總電流的監(jiān)測。系統(tǒng)由監(jiān)控系統(tǒng)主節(jié)點(diǎn)(以下簡稱主節(jié)點(diǎn)、電池檢測子節(jié)點(diǎn)(以下簡稱子節(jié) 點(diǎn)、 LCD 診斷儀和 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)組成。采集到的電容電壓、電流、溫度等數(shù)據(jù)通過符合 SAEJ1939協(xié)議的 CAN 總線與整車儀表系統(tǒng)連接。系統(tǒng)特性如下:主節(jié)點(diǎn)同時(shí)支持 SAEJ1939、 iCA

10、N 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議接口;可同時(shí)檢測 18個(gè)電池單體電壓,每個(gè)電池電壓 05V;可同時(shí)檢測每組電池的表面溫度,檢測范圍 0100,誤差 1;主節(jié)點(diǎn)具有電壓傳感器接口,輸入電壓5V ,可連接電壓傳感器用于電池組總電壓測量;主節(jié)點(diǎn)具有電流傳感器接口,輸入電流 0120mA,可連接電流傳感器用于電池組總電流測量; 主節(jié)點(diǎn)具有 4路繼電器輸出接口,可用于控制外部風(fēng)機(jī)或指示燈;LCD 診斷儀可以顯示系統(tǒng)所有電壓、電流、溫度參數(shù),并輸入報(bào)警上下限;系統(tǒng)供電:DC24V2A;工作溫度:-20+85。4. 電機(jī)平臺(tái) ZMotor-100電機(jī)平臺(tái) ZMotor-100主要包括:動(dòng)力電池,智能充電機(jī),變頻器,扭矩傳感器,

11、制動(dòng)器, CANopen 主站 卡 USBCAN-E-P , NDAM 數(shù)據(jù)采集模塊(NDAM-9020、 NDAM-7404、 NDAM-4400和 NDAM-6608。CANopen 主站卡 USBCAN-E-P , NDAM 系列數(shù)據(jù)采集模塊組成電機(jī)平臺(tái)的控制系統(tǒng),能夠通過 CANopen 總線對(duì)整個(gè)電機(jī)平臺(tái)進(jìn)行控制,調(diào)整電機(jī)平臺(tái)的運(yùn)行參數(shù)。1 電機(jī)部分組成電機(jī)部分組成包括了:動(dòng)力電池,智能充電機(jī),變頻器,扭矩傳感器,制動(dòng)器。通過電源和變頻器控制電 機(jī)運(yùn)行,通過制動(dòng)器可以調(diào)節(jié)電機(jī)的負(fù)載大小,扭矩傳感器可以對(duì)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的扭矩和轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量。動(dòng)力電池參數(shù):高性能鋰動(dòng)力電池;標(biāo)稱電壓 48V標(biāo)

12、稱容量 60Ah ;最大放電電流 2C ;推薦充電電流 20A ;充電限制電壓 54V ;放電限制電壓 37.5V ;工作溫度:充電 0 45,放電 -20 45;存儲(chǔ)溫度:短期(1個(gè)月 -20 45,長期(1年 -20 20;存儲(chǔ)濕度:70%智能充電機(jī)功能特點(diǎn):根據(jù)鋰電池特性設(shè)計(jì)充電曲線,提高電池安全性和延長電池壽命;保護(hù)功能齊全:過壓,過流、反接、短路、過溫;防護(hù)等級(jí)高:防水防塵性能好;智能程度高:有遠(yuǎn)近控轉(zhuǎn)換模式,方便調(diào)試及應(yīng)急充電;CAN 通訊,可根據(jù) BMS 指令進(jìn)行充電;充電電壓:30V54.7V;最大充電電流:30A輸入功率因數(shù)高:98%;整機(jī)效率高:93%;工作溫度范圍寬:-3

13、0 75。變頻器功能特點(diǎn):額定輸入電壓 48V ;連續(xù)電流 85A ;峰值電流 250A ;內(nèi)置保護(hù)功能,輸出過流,過電壓,電池電壓過低,溫度過高等保護(hù);采用 CAN 總線通信;控制策略:矢量控制。電機(jī)功能特點(diǎn):電機(jī)輸出功率 3KW ;電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩 15N.m ;電機(jī)額定轉(zhuǎn)速 1500rpm ;扭矩傳感器功能特點(diǎn):扭矩測量范圍:050N.m;轉(zhuǎn)速測量范圍:06000rpm;測量精度 0.5%FS;過載能力:150%FS;扭矩信號(hào)的提取方式為應(yīng)變電測技術(shù),動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。制動(dòng)器功能特點(diǎn):轉(zhuǎn)矩:150N.m;轉(zhuǎn)速:03000rpm;連續(xù)運(yùn)行功率 3KW ;水冷連續(xù)運(yùn)行功率 6KW ;轉(zhuǎn)子為空心鼓形轉(zhuǎn)子

14、,慣性小,承受離心力大;力矩產(chǎn)生是由磁粉鏈的拉力形成,力矩變化具有緩沖性;靜態(tài)轉(zhuǎn)矩力矩平滑,沒有齒槽波動(dòng)轉(zhuǎn)矩,無剩磁轉(zhuǎn)矩;無摩擦結(jié)構(gòu),使用壽命長;操作方便,只需調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流即可改變力矩大小。2 CANopen 主站卡 USBCAN-E-PUSBCAN -E-P 是集成 1路隔離 CAN 通道,支持 CANopen 主站協(xié)議的 USB-CAN 接口卡。該設(shè)備遵循 CANopen 規(guī)范 DS301,具有 USN2.0全速接口,支持 32個(gè)從站, 128個(gè) RPDO 和 512個(gè) TPDO 。在新能源汽車 教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng)中 USBCAN -E-P 通過發(fā)送 RPDO 控制變頻器啟停和輸出不同頻率;通過

15、發(fā)送 RPDO 控制 NDAM-4400輸出電壓信號(hào)控制制動(dòng)器的轉(zhuǎn)矩;通過接受 NDAM-9020發(fā)送的 TPDO 測量轉(zhuǎn)速、扭矩信號(hào)和溫度 信號(hào)。USBCAN-E-P 功能特點(diǎn):遵照 CANopen 規(guī)范 DS301 V4.02和 DS303-3進(jìn)行設(shè)計(jì);支持 PDO 、 SDO 、緊急報(bào)文發(fā)送; 支持所有 NMT 網(wǎng)絡(luò)管理功能; 支持所有 PDO 通訊類型,并可實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè) PDO 的監(jiān)控; 主站卡硬件自動(dòng)存儲(chǔ)緊急報(bào)文; 一路電氣完全隔離的 CAN 通道; 支持 5Kbps 1Mbps之間的標(biāo)準(zhǔn)波特率; ESD (靜電放電保護(hù):IEC 61000-4-2 Level 3; CAN 通信接口支

16、持 2KV 、 5/100Hz群脈沖保護(hù); CAN 通信接口支持 2KV 、 5/100Hz浪涌保護(hù); 內(nèi)置 120歐姆終端電阻,可通過跳線選擇; 2500Vrms 電氣隔離保護(hù);工業(yè)級(jí)環(huán)境溫度:-20 +85 ;3 NDAM 系列模塊NDAM是新一代基于網(wǎng)絡(luò)通訊的刀片式數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。 采用積木化結(jié)構(gòu), 簡單、靈活, 通訊模塊和各 種數(shù)據(jù)采集控制模塊自由組合, 應(yīng)對(duì)各種現(xiàn)場應(yīng)用。 NDAM 系統(tǒng)可通過 RS-485/RS-422/RS-232、 以太網(wǎng)或 CAN-bus 等通訊方式實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場各種傳感器的數(shù)據(jù)采集和設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。在新能源汽車教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng)中,采用 NDAM-9020作為通信模

17、塊,該模塊以 CANopen 協(xié)議作為通信協(xié)議; 采用 NDAM-7404計(jì)數(shù)測頻模塊采集扭矩和轉(zhuǎn)速信號(hào);采用 NDAM-4400模擬量輸出模塊控制制動(dòng)器;采用 NDAM-6608熱電偶采集模塊測量電機(jī)和制動(dòng)器的溫度。 圖 6 NDAM系列模塊示意圖 NDAM 系列模塊功能特點(diǎn): 32位 ARM 處理器; 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng); ESD 保護(hù); 支持遠(yuǎn)程升級(jí); 工作溫度范圍:-20+85; 工業(yè)級(jí)塑料外殼,標(biāo)準(zhǔn) DIN 導(dǎo)軌安裝。NDAM-7404功能特點(diǎn) 輸入路數(shù):2路隔離輸入和 2路非隔離輸入; 最大計(jì)數(shù)值:32bits ; 可編程數(shù)字濾波:165535us;輸入信號(hào)頻率:非隔離通道:100kHz;隔離通道:1MHz;2路非隔離輸入電壓:可編程門檻電壓;可選擇門控輸入模式,對(duì)測量值進(jìn)行捕獲;具有匹配超限功能,匹配超限值獨(dú)立配置。NDAM-4400功能特點(diǎn):4通道模擬量輸出;12位雙緩沖 D/A轉(zhuǎn)換器;電壓輸出:010V;電流輸出:020mA/420mA ;輸出精度:0