集成式电驱动桥总成试验台的设计

作者简介：李珺，陕西法士特汽车传动集团有限责任公司实验中心工程师，研究方向为变速器总成测试方法及测试技术。

摘要：电驱动桥是针对电动汽车的结构和布局而设计的一种机电一体化驱动系统，其具有结构紧凑、体积小、传动效率高、成本低等优点。电驱动桥试验是电动汽车研发中的关键步骤，室内台架试验因安全性、重复可操作和经济等方面的优点成为了该试验中主要方法。本文研制了一种针对中央集成式电驱动桥总成的试验台架，能够完成集成式电驱动桥总成性能及可靠性测试。该文首先介绍了集成式电驱动桥的结构，然后介绍了试验台架的结构和功能及工作原理，最后通过具体的试验说明了该试验台的可靠性。

关键词：电驱动桥；试验台架；试验

随着环境污染日益严重、能源存储日渐匮乏，对汽车排放和耗油量的政策法规越来越严格，新能源汽车逐渐成为汽车行业的主流方向。在商用车领域，如纯电动物流车、公交车、环卫车等，由于其运输距离较短、对车辆续航里程要求不高，在纯电动车普及的过程中有更明显的优势[1]。由于纯电动汽车与传统内燃机汽车在传动系统结构及驱动方式上有很大的的不同，使得传统车桥并不适用于电动汽车，为此，各大汽车整车厂以及零部件制造商开发了适用于电动汽车的电驱动桥[2]。

电驱动桥是针对电动汽车的结构和布局而设计的一种机电一体化驱动系统，其具有结构紧凑、体积小、传动效率高、成本低等优点[3]。电驱动桥试验是电动汽车研发中的关键步骤，室内台架试验因安全性、重复可操作和经济等方面的优点成为了该试验中主要方法。集成式电驱动桥与传统车桥的区别在于，其电机、减速器和控制器高度集成一体化，工作时需要给电机和控制器提供高电压、对电机和控制器进行控制，同时要协调好电机和输出端测功机的同步控制，而这些都是传统车桥试验无法实现的，因此需要研发一款针对集成式电驱动桥总成的试验台，以满足各种测试需求。

1 集成式电驱动桥的结构

汽车驱动桥位于传动系统的末端，通过悬架和车架（或承载式车身）相连，它的两端安装车轮。汽车驱动桥的主要作用是传递车架与车轮之间各个方向的作用力和力矩。传统驱动桥与变速器和传动轴垂直相连，将变速器或传动轴传递的发动机扭矩通过主减速器、差速器和半轴等部件分别传递给左右车轮。电驱动桥使用电机和减速器代替传统车桥上的离合器、变速器和传动轴等部件，组成一个动力总成。根据电机与驱动桥的相对安装位置，电驱动桥可以分成3种，分别是垂直输入式、平行轴式/中央集成式和轮边/轮毂驱动式。

集成式电驱动桥的结构与传统驱动桥的结构有所不同，输入轴与半轴由垂直的结构变成了平行的结构，并且主减速器为两级或以上减速器，有的电驱动桥轮端还有行星减速轮，因此，电驱动桥的速比较大。集成式电驱动桥的具体结构如图1所示，产品电机固定于减速器壳体上，电机轴头与减速器输入轴通过花键连接，减速器输出轴齿轮固定于差速器上，左右半轴与差速器通过花键连接。动力由产品电机提供，经过减速器、差速器传递至半轴和车轮，从而驱动车辆前进。

由于集成式电驱动桥的输入轴与输出轴平行，两者距离较近，很难找到合适的驱动电机连接电驱动桥输入轴，而不造成驱动电机和加载电机相互干涉。本文搭建的台架是使用电驱动桥自带电机为驱动电机，台架电机为加载电机，通过控制系统使产品电机和台架电机协同控制、形成闭环。

2 集成式电驱动桥总成试验台的结构和功能

2.1 试验台的结构

集成式电驱动桥总成试验台主要由以下几部分组成：台架测试系统、台架控制系统和数据采集系统，详细情况见图2。

台架测试系统包括电池模拟单元和测功单元。电池模拟单元为一组电池模拟器，提供额定功率600kW、最大电压1200V的直流高压。测功单元由两台加载测功机和对应的变频器组成，两个变频器的输出端分别与两台测功机连接，用于给测功单元中测功机供电并且调速，满足控制需求；集成式电驱动桥总成安装在两个测功机之间。

台架控制系统由台架控制单元和PLC单元组成。台架控制单元包括工控机和台架控制器。PLC单元主要由台架PLC接口、PLC接口和PLC控制器组成，主要进行台架的辅助系统的控制，如紧急停止开关、手动操作面板等。

数据采集系统由传感器和测量盒组成，主要用来对试验过程中的各种数据如转速、扭矩、油温等参数进行实时监测和采集，并将采集到的数据上传至计算机。采集任务是由各个传感器实现的；测量盒收集传感器采集到的电流、电压、转速、扭矩等各种信号，将信号传送到工控机上。

2.2 试验台的功能

集成式电驱动桥总成试验台主要功能是对集成式电驱动桥总成进行各种性能和疲劳耐久测试。试验台可以模拟车辆道路负载阻力（滚动阻力、加速阻力、坡度阻力、空气阻力）、模拟整车道路环境，以达到测试需求。

测功单元用于为集成式电驱动桥总成提供模拟道路负载；电池模拟单元用于为集成式电驱动桥总成提供测试所需的高压；变频单元与测功单元连接用于调节测功单元的扭矩和转速。台架控制单元和集成式电驱动桥MCU及变频单元相连接，用于实现对集成式电驱动桥总成的电机和测功单元的扭矩转速的协同控制。

温度控制系统包括温控单元和流体温控单元，温控单元与工控机连接用于控制轴流风机实现对测功机温度的调节；流体温控单元与集成式电驱动桥总成连接获取集成式电驱动桥总成内部流体温度，并根据目标流体温度调节集成式电驱动桥总成中的流体温度。

3 集成式电驱动桥总成试验台的工作原理

集成式电驱动桥总成试验台的工作原理如图3所示。

将测功机1和测功机2分别与变频器1和变频器2相连接，将集成式电驱动桥总成的输出端通过适配器和传动轴分别与测功机1和测功机2相连接；将集成式电驱动桥总成的电机和MCU通过高压线与电池模拟器相连接；同时集成式电驱动桥总成与温度控制系统连接，即完成了台架的硬件搭建工作。

工控机将指令给台架控制器，台架控制器将指令给MCU，通过 MCU控制集成式电驱动桥总成的电机从而模拟发动机特性曲线转动。台架控制器通过变频器1和变频器2分别调节测功机1和测功机2的转速和扭矩，模拟道路负载。测功机1和测功机2的转速和扭矩与集成式电驱动桥总成的转速和扭矩匹配，同时将集成式电驱动桥总成的输入及输出端的转速和扭矩值传输给台架控制器，形成闭环控制。传感器将采集到的转速、扭矩信号通过CAN通讯传递给台架控制器，台架控制器通过控制变频器和产品电机的MCU来调整对应电机的转速和扭矩，来实现对转速和扭矩的闭环控制。

同时，工控机直接控制温控单元、数据采集单元，来实现对测试样品的油温控制和数据采集。

在试验台进行正向扭矩加载过程中，驱动端产品电机处于发电机状态，其供电装置工作在整流状态，将电网电能转换为机械能，驱动被试件；而加载电机处于发电机状态，供电装置工作在逆变状态，将机械能转化为电能，通过变频器的直流母线回馈给驱动端，形成电封闭加载。

4 试验验证

现以某13吨商用车集成式电驱动桥为例，对其进行传动效率和疲劳耐久试验。

4.1 传动效率试验

对于集成式电驱动桥试验台，由于输入端是产品电机，其无法直接测量出实际的输入扭矩和输入转速，所能检测到的只是给出的指令值。因此，需要在电机控制器的高压线处安装功率分析仪，对进入电机控制器高压线的电压和电流信号进行实时采集，通过电压和电流计算出实际的输入功率。输出功率由两侧输出端的扭矩和转速得到，输出扭矩和输出转速分别由试验台加载电机处的扭矩传感器和转速编码器测得。

试验前，对集成式电驱动桥总成进行磨合。测试油温（80±5） ℃，试验的输入转速为2 700 r/min、3 600 r/min和4 200 r/min，输入扭矩为50 N·m、100 N·m、150 N·m、200 N·m、250 N·m。试验结果如表1所示。

4.2 疲劳耐久试验

首先对集成式电驱动桥总成进行磨合试验，按照电驱动桥额定扭矩的50%，在各个挡位下分别磨合1h。然后，进行正式试验，试验油温（90±10）℃，试验工况根据车辆实际路谱换算而来。电驱动桥总成的输入扭矩为500N·m、输入转速为2000r/min。试验油温（80±10）℃。一挡进行了12.1h，2挡进行了309.04h。在试验过程中，试验台运行稳定，未出现任何报警故障。

5 结束语

本文搭建了一款集成式电驱动桥总成试验台架，能够对集成式电驱动桥总成进行各种性能和疲劳耐久测试。实际测试结果显示，试验台结构合理、系统运行可靠，能够满足集成式电驱动桥常规性能和疲劳耐久试验的需求。

参考文献：

[1]麻友良，严运兵.电动汽车概论[M].北京：机械工业出版社，2012：1-14.

[2]黄剑飞，王建华，靳迪，等.电驱动桥研究综述[J].机械传动，2020（11）：171-176.

[3]占锐，程华国，徐康，等.轻型商用车集成式电驱动桥试验台及方法研究[J].机械传动，2020（11）：157-161.