新能源汽車方案――高精度功率分析儀和CAN總線分析儀

1、新能源汽車教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng)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領(lǐng)域教學(xué)和 科研中的需求。 圖 2

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)行車載總線評估;針對車載的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行評估測試;功能特點(diǎn)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:PA6000CAN 分析儀:CANScope-ProCANopen 主站卡:USBCAN-2E-PBMS 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,集成了高性能的扭矩和轉(zhuǎn)速傳感器 ; 基于 CAN-b

3、us (CANopen 網(wǎng)絡(luò)的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng),能夠完成對驅(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,可以對整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的評估測試,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)議分析,教學(xué)和研究o 新能源汽車整車協(xié)議分析,教

4、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)和性能評估。 PA6000高精度功率分析儀可以對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,所有的輸入通道均電氣隔離,避免各種應(yīng)用中的短路;同步采集

5、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; 圖 2 PA6000功率分析儀采用 PA6

6、000功率分析儀搭建測試平臺(tái)可以對電動(dòng)汽車電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行精確的評估:PA6000功率分析儀 的功率測量單元可以同時(shí)對電池輸出信號、 變頻器輸入輸出信號進(jìn)行測量分析, 同時(shí)具有電機(jī)測量單元, 可以對 驅(qū)動(dòng) 電機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩信號進(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)速和扭矩信號測量與波形顯示;變頻器效率測量;變頻器輸出信號諧波分析;電機(jī)效率測量

7、。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 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 3 CANScope-Pro產(chǎn)品CANScope-Pro 主要功能:CAN 示波器:捕獲 CAN 總線上的信號并分析;CAN 眼圖:對總線信號按位進(jìn)行疊加顯示、

8、統(tǒng)計(jì)分析;CAN 報(bào)文:對捕獲到的 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 4 CANScope-Pro 應(yīng)用示意圖CANScope-Pro 可以對電動(dòng)車的整車 CAN-bus 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測試和分析,對整車 CAN-bus 網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行

9、評估。 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)。新能源汽車教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng) 3. 電池管理 ZBMS-100 BMS 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： l l l l l l l l l 主節(jié)點(diǎn)同時(shí)支持

10、 SAEJ1939、iCAN 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

11、括：動(dòng)力電池，智能充電機(jī)，變頻器，扭矩傳感器，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

12、池參數(shù)： l l l l l l l l l l 高性能鋰動(dòng)力電池； 標(biāo)稱電壓 48V 標(biāo)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 045，放電-2045； 存儲(chǔ)溫度：短期（1 個(gè)月）-2045，長期（1 年）-2020； 存儲(chǔ)濕度：70% 智能充電機(jī)功能特點(diǎn)： l l l 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)等級高：防水防塵性能好； 新能源汽車教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng) l l l l l l l 智能程度高：有遠(yuǎn)近控轉(zhuǎn)換模式，方便調(diào)試及應(yīng)急

13、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： -30 75。 變頻器功能特點(diǎn)： l l l l l l 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)： l l l 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)： l l l l l 扭矩測量范圍：050N.m； 轉(zhuǎn)速

14、測量范圍：06000rpm； 測量精度 0.5%FS； 過載能力：150%FS； 扭矩信號的提取方式為應(yīng)變電測技術(shù)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。 制動(dòng)器功能特點(diǎn)： l l l l l l l l l 2 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，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。 CANopen 主站卡 USBCAN-E-P USBCAN-E-P 是集成 1 路隔離 CAN

15、 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 新能源汽車教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng) 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；通過發(fā)送 RPDO 控制 NDAM-4400 輸出電壓信號控制制動(dòng)器的轉(zhuǎn)矩；通過接受 NDAM-9020 發(fā)送的 TPDO 測量轉(zhuǎn)速、扭矩信號和溫度 信號。 USBCAN-E-P 功能特點(diǎn)： l l l l l l l l l l l l l 遵照 CANopen

16、 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)級環(huán)境溫度：-

17、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；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

18、集模塊測量電機(jī)和制動(dòng)器的溫度。 圖 5 NDAM 系列模塊示意圖 l NDAM 系列模塊功能特點(diǎn)： n n n n 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； 新能源汽車教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng) n n l 工作溫度范圍：-20+85； 工業(yè)級塑料外殼，標(biāo)準(zhǔn) DIN 導(dǎo)軌安裝。 NDAM-7404 功能特點(diǎn) n n n n n n n 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。 l NDAM-4400 功能特點(diǎn)： n n n n n n 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