電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)測試試驗(yàn)臺(tái)研究＊

徐達(dá)偉 李東東 田韶鵬

（武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)測試試驗(yàn)臺(tái)研究＊

徐達(dá)偉 李東東 田韶鵬

（武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

介紹了所設(shè)計(jì)的電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)測試試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)原理及功能。該試驗(yàn)臺(tái)利用CAN總線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)控制信息的交互，可編程邏輯控制器(PLC)實(shí)現(xiàn)整體控制，基于虛擬儀器LabVIEW實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與顯示界面。提出了1號電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制、2號電機(jī)轉(zhuǎn)速跟隨的控制策略，并通過雙輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)模式直線行駛試驗(yàn)驗(yàn)證了控制策略的有效性，結(jié)果表明該試驗(yàn)臺(tái)能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

1 前言

在能源與環(huán)境的雙重壓力下，電驅(qū)動(dòng)車輛已成為當(dāng)前汽車工業(yè)發(fā)展的趨勢，電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車也成為汽車領(lǐng)域研究的重點(diǎn)[1]。在電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的研究和開發(fā)過程中，對其動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。盡管試驗(yàn)臺(tái)較難精確地模擬汽車的實(shí)際道路行駛狀況，但其動(dòng)力負(fù)載的變化趨勢與道路狀況基本一致[2]。通過試驗(yàn)臺(tái)測試試驗(yàn)，可以實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)控制模塊的調(diào)試和標(biāo)定以及動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的測試，也可以探索動(dòng)力系統(tǒng)各種相關(guān)的車輛控制邏輯、控制策略，同時(shí)能大幅減少整車試驗(yàn)時(shí)間、標(biāo)定時(shí)間，以及降低研究成本和實(shí)車道路試驗(yàn)的危險(xiǎn)性[3，4]。因而構(gòu)建滿足要求的動(dòng)力系統(tǒng)測試試驗(yàn)臺(tái)，對電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的開發(fā)具有十分重要的意義。本文對電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)測試試驗(yàn)臺(tái)的構(gòu)建、功能及雙輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)直線行駛模式的初步試驗(yàn)等進(jìn)行了研究。

2 試驗(yàn)臺(tái)總體設(shè)計(jì)

2.1 電驅(qū)動(dòng)機(jī)械式變速器（EMT）介紹

試驗(yàn)臺(tái)所采用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)及測功機(jī)系統(tǒng)均為武漢理工通宇有限公司自主研發(fā)的電驅(qū)動(dòng)機(jī)械式變速器（Electric-drive Mechanical Transmission，EMT）產(chǎn)品，該產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了電機(jī)和變速器的集成化設(shè)計(jì)，電機(jī)動(dòng)力輸出端與變速器的動(dòng)力輸入端進(jìn)行了同軸處理，減小了該產(chǎn)品的長度，并且可通過電機(jī)的主動(dòng)調(diào)速實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換擋。電機(jī)軸的端蓋上安裝有滾子軸承，變速器第2軸端設(shè)有軸承槽，通過該軸承槽套在電機(jī)軸的滾子軸承上。電機(jī)軸和變速器第2軸上分別裝有光電式轉(zhuǎn)速編碼器，系統(tǒng)控制器分別從這2個(gè)轉(zhuǎn)速編碼器獲取電機(jī)的轉(zhuǎn)速及變速器輸出軸轉(zhuǎn)速[5]。該產(chǎn)品適用于混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的開發(fā)。EMT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，EMT純電動(dòng)動(dòng)力總成如圖2所示。

2.2 試驗(yàn)臺(tái)的構(gòu)建

電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車按驅(qū)動(dòng)形式分為輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)和輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩種，前述EMT純電動(dòng)動(dòng)力總成可作為輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)型式的電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)，為此以該動(dòng)力系統(tǒng)為基礎(chǔ)進(jìn)行試驗(yàn)臺(tái)的開發(fā)及試驗(yàn)。先期進(jìn)行試驗(yàn)臺(tái)的功能性試驗(yàn)及汽車相關(guān)行駛工況和控制策略的制定和驗(yàn)證，所以試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)思想是：設(shè)計(jì)一個(gè)通用性較強(qiáng)的測試試驗(yàn)臺(tái)，使其既能滿足目前基于輪邊電機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的相關(guān)試驗(yàn)，也能夠?qū)崿F(xiàn)在短時(shí)間內(nèi)以盡量小的改動(dòng)即可適應(yīng)不同型式動(dòng)力系統(tǒng)測試的需求。

電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)測試試驗(yàn)臺(tái)主要包括被測驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)、動(dòng)力電池系統(tǒng)、試驗(yàn)臺(tái)總控制系統(tǒng)和測功機(jī)系統(tǒng)等幾個(gè)模塊單元。其中被測驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)包括額定功率40 kW的EMT純電動(dòng)動(dòng)力總成、電機(jī)控制器等；動(dòng)力電池系統(tǒng)包括由單節(jié)額定電壓3.2 V、額定容量60 Ah的磷酸鐵鋰電池組成的動(dòng)力電池組、電池管理系統(tǒng)及高壓管理系統(tǒng)；試驗(yàn)臺(tái)總控制系統(tǒng)包括試驗(yàn)臺(tái)總控制器及2臺(tái)計(jì)算機(jī)，其中1臺(tái)計(jì)算機(jī)裝有PCI-CAN/2通訊板卡；測功機(jī)系統(tǒng)主要包括負(fù)載電機(jī)、扭矩傳感器等，負(fù)載電機(jī)采用的是額定功率80 kW的EMT純電動(dòng)系統(tǒng)，扭矩傳感器為HBM公司生產(chǎn)的T40扭矩傳感器，量程為±5 000 N·m，精度為0.1 N·m。整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)原理如圖3所示，實(shí)際臺(tái)架如圖4所示。

該電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)測試試驗(yàn)臺(tái)在設(shè)計(jì)上有以下特點(diǎn)：

a.由于負(fù)載電機(jī)采用的是EMT純電動(dòng)系統(tǒng)，而該系統(tǒng)自帶的變速器起到增速箱的作用，可以擴(kuò)大負(fù)載的變化范圍，從而更適合較寬范圍的轉(zhuǎn)矩測量。

b.試驗(yàn)臺(tái)中的4個(gè)負(fù)載電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制，這樣試驗(yàn)臺(tái)可完成四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)汽車的相關(guān)測試試驗(yàn)。

c.整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)構(gòu)成了能量閉環(huán)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)消耗電能，而負(fù)載電機(jī)輸出的電能又回饋到動(dòng)力電池組，實(shí)現(xiàn)了能量的循環(huán)利用。

2.3 試驗(yàn)臺(tái)功能

該測試試驗(yàn)臺(tái)可實(shí)現(xiàn)以下功能：

a.能夠進(jìn)行單個(gè)輪邊驅(qū)動(dòng)電機(jī)或輪轂驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)力總成測試試驗(yàn)，對動(dòng)力總成的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行檢測，為總成參數(shù)匹配的優(yōu)化以及控制策略的制定提供依據(jù)。

b.能夠進(jìn)行輪邊驅(qū)動(dòng)電機(jī)或輪轂驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)力總成控制系統(tǒng)的調(diào)試和標(biāo)定，對提出的控制策略和控制算法進(jìn)行驗(yàn)證。

c.可模擬汽車循環(huán)工況中除制動(dòng)工況之外的所有工況，能夠進(jìn)行雙輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)或四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)汽車直線行駛、加減速、差速等工況的測試，并驗(yàn)證控制策略。

d.能夠?qū)λ妮啰?dú)立驅(qū)動(dòng)樣車進(jìn)行行駛工況的測試，檢測整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，并對整車控制器的控制策略及控制算法進(jìn)行驗(yàn)證。

3 試驗(yàn)臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺(tái)采用西門子S7-300型PLC實(shí)現(xiàn)整體控制，控制軟件采用的是與PLC相對應(yīng)的可編程控制軟件step7-Micro/WIN。

由于整個(gè)測試系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)多種測試功能，因此其軟件必須具有較強(qiáng)協(xié)調(diào)各設(shè)備通訊的能力、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確檢測能力、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能以及良好的監(jiān)視與顯示試驗(yàn)結(jié)果的功能，故控制軟件采用了模塊化設(shè)計(jì)思想，整個(gè)控制軟件由主控模塊及多個(gè)子模塊組成。子模塊由系統(tǒng)設(shè)置、控制模式、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、報(bào)警保護(hù)及顯示界面等6部分組成。

主控模塊是整個(gè)控制軟件的框架，其它子模塊根據(jù)所選測試功能的不同分別進(jìn)行調(diào)用。其中，系統(tǒng)設(shè)置模塊用來對試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定；控制模式模塊用來對系統(tǒng)的不同控制模式進(jìn)行選擇；數(shù)據(jù)采集模塊對試驗(yàn)過程中電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、溫度等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并存放到數(shù)據(jù)庫中；數(shù)據(jù)處理模塊對存于數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理；顯示界面模塊可實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果的實(shí)時(shí)顯示；報(bào)警保護(hù)模塊會(huì)在試驗(yàn)臺(tái)出現(xiàn)故障時(shí)自動(dòng)調(diào)用，并根據(jù)情況采取不同處理措施以起到對設(shè)備安全保護(hù)的作用。

4 試驗(yàn)臺(tái)通信方式設(shè)計(jì)

該測試試驗(yàn)臺(tái)的測試系統(tǒng)主要利用控制器局域網(wǎng)(CAN)總線網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間控制信息的交互[6]，CAN總線是一種能有效支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò)[7]?；赟AE J1939通信協(xié)議，設(shè)計(jì)了電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)測試試驗(yàn)臺(tái)的CAN網(wǎng)絡(luò)，制訂了網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層協(xié)議，采用試驗(yàn)臺(tái)總控制器及其信息單元對試驗(yàn)臺(tái)的各電機(jī)控制器、電池管理系統(tǒng)等節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分布式的集中控制，從而將各自分散的設(shè)備通過CAN總線連接起來，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)測試試驗(yàn)臺(tái)的數(shù)據(jù)采集以及控制系統(tǒng)的智能化和網(wǎng)絡(luò)化。

該試驗(yàn)臺(tái)中CAN總線數(shù)據(jù)鏈路層主要參考CAN2.0B和SAEJ1939的有關(guān)規(guī)定，總線的通信速率為250 kb/s，采用CAN擴(kuò)展幀的29位標(biāo)識(shí)符。其中，試驗(yàn)臺(tái)中總控制器控制信息的優(yōu)先級是3，其余模塊信息的優(yōu)先級設(shè)為6。CAN總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。

在試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)臺(tái)總控制器根據(jù)試驗(yàn)的具體需要，通過CAN總線向試驗(yàn)臺(tái)其它模塊發(fā)出控制指令，電機(jī)控制器通過從CAN總線上接收試驗(yàn)臺(tái)總控制器的控制指令來控制電機(jī)，并對電機(jī)的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)控。電池管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)對磷酸鐵鋰電池組的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視和管理。試驗(yàn)臺(tái)總控制器、電池管理系統(tǒng)、各電機(jī)控制器之間通過CAN總線進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn)各傳感器測量數(shù)據(jù)的共享、控制指令的接收和發(fā)送。系統(tǒng)通過CAN總線組成了一個(gè)分布式控制系統(tǒng)。

5 上位機(jī)監(jiān)控與顯示界面

為了實(shí)現(xiàn)對試驗(yàn)臺(tái)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，基于虛擬儀器LabVIEW設(shè)計(jì)了上位機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與顯示界面。上位機(jī)通過通訊板卡連接到CAN總線上。各控制器將CAN幀信息發(fā)送到CAN總線上，通訊板卡在接收到CAN總線的信息后，通過LabVIEW數(shù)據(jù)采集程序?qū)⑾到y(tǒng)信息解析后實(shí)時(shí)顯示在前面板的監(jiān)控顯示界面上[8]。

在通訊板卡的選擇上，采用的是NI公司生產(chǎn)的PCI-CAN/2板卡，NI PCI-CAN/2是一款兩端口高速控制器局域網(wǎng)（CAN）接口，能夠與高速CAN設(shè)備進(jìn)行速度為1 Mbit/s的通信。該通訊卡基于NI-XNET平臺(tái)，NI-XNET平臺(tái)將一系列高性能CAN、LIN以及FlexRay接口與NI-XNET API結(jié)合在一起；NIXNET API是一個(gè)常見易用的函數(shù)集合，用于讀寫CAN、LIN與FlexRay的幀和信號。NI-XNET接口匯聚了底層微控制器編程的優(yōu)越性能以及Windows與LabVIEW實(shí)時(shí)（Real-Time）操作系統(tǒng)在開發(fā)時(shí)的速度和功能優(yōu)勢?；赑C的CAN接口通常存在系統(tǒng)延遲問題，NI-XNET設(shè)備驅(qū)動(dòng)型引擎可使此類問題大幅度降低。引擎使得板載處理器不需要中斷CPU就能在接口與用戶程序之間傳輸CAN幀和信號，使主機(jī)處理器有時(shí)間處理復(fù)雜的模型和應(yīng)用程序，從而實(shí)現(xiàn)更少編程、更高性能[9]。圖6為基于LabVIEW的上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控與顯示界面，從圖6中可看出驅(qū)動(dòng)電機(jī)和負(fù)載電機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況。

6 雙輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)直線行駛臺(tái)架試驗(yàn)

電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車在驅(qū)動(dòng)模式選擇上有雙輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)和四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)兩種模式，而車輛在實(shí)際行駛過程中會(huì)遇到直線行駛和差速行駛等多種行駛工況。為簡化試驗(yàn)，在電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車試驗(yàn)臺(tái)完成后，首先進(jìn)行了雙輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)模式直線行駛工況的初步試驗(yàn)，以驗(yàn)證試驗(yàn)臺(tái)是否能滿足試驗(yàn)要求。

對于雙輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)直線行駛工況，要求控制系統(tǒng)能夠通過相應(yīng)的控制策略來實(shí)現(xiàn)兩側(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的協(xié)同工作，以保證兩側(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速能夠保持基本一致，不出現(xiàn)明顯的速度差，從而實(shí)現(xiàn)車輛的正常直線行駛。為此，提出了1號驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制、2號驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速跟隨的控制策略。該控制策略以1號電機(jī)采用轉(zhuǎn)矩控制模式控制該電機(jī)的轉(zhuǎn)速，2號電機(jī)以1號電機(jī)的實(shí)時(shí)速度值為轉(zhuǎn)速目標(biāo)值，通過PID控制算法進(jìn)行計(jì)算后，電機(jī)控制器以最快的響應(yīng)去實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)跟隨。驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制框圖如圖7所示。

雙輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)模式直線行駛工況的試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。從圖8可看出，在加速、減速、勻速等工況下，兩電機(jī)轉(zhuǎn)速都能保持基本一致，兩電機(jī)轉(zhuǎn)速差能夠維持在合理的范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速跟隨狀況良好。兩電機(jī)的轉(zhuǎn)速差最大處出現(xiàn)在由加速變減速的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，這表明PID算法需進(jìn)一步改進(jìn)以盡量減小轉(zhuǎn)速差。總體來看，兩電機(jī)速度同步狀況良好，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了控制策略的有效性，試驗(yàn)臺(tái)能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

7 結(jié)束語

開發(fā)了電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的測試試驗(yàn)臺(tái)架。該試驗(yàn)臺(tái)采用西門子S7-300型PLC實(shí)現(xiàn)整體控制;利用控制器局域網(wǎng)(CAN)總線網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間控制信息的交互;基于虛擬儀器LabVIEW設(shè)計(jì)了上位機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與顯示界面，實(shí)現(xiàn)了對試驗(yàn)臺(tái)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與顯示。通過雙輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)直線行駛工況的初步試驗(yàn)，驗(yàn)證了該試驗(yàn)臺(tái)的可靠性。

1張緩緩.采用電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制研究: [學(xué)位論文].長春:吉林大學(xué),2009.

2陳燕平，殷承良，張勇.混合動(dòng)力大客車動(dòng)力總成試驗(yàn)臺(tái)架的構(gòu)建及試驗(yàn)研究.汽車工程，2011,33（6）:468～471.

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8邵斌，朱茂桃，張彤，等.混合動(dòng)力汽車CAN網(wǎng)絡(luò)信號監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的開發(fā).汽車技術(shù)，2009（2）:46～49.

9美國NI公司.控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）概述.2011.

（責(zé)任編輯文楫）

修改稿收到日期為2013年11月21日。

Research on the Test Bench for Powertrain System of Electric-wheel Driving EV

Xu Dawei,Li Dongdong,Tian Shaopeng
（Hubei Key Laboratory of Advanced Technology of Automotive Parts,Wuhan University of Technology）

This paper introduces the development of the test bench for power train system of electric-wheel driving EV.The structure principle and functions of the test bench are highlighted.The whole test bench uses CAN bus network to achieve the interaction of the control information,and uses programmable logic controller(PLC)for the integral control. The PC real-time monitoring and display interface is developed based on virtual apparatus LabVIEW.In the end,the control strategy for motor 1 torque control and motor 2 speed following has been proposed,which is validated by straight driving test with two-wheel independent driving mode,the results show that the test bench can fully meet the design requirements.

EV,Two-wheel independent drive,Power train,Control strategy

電動(dòng)汽車雙輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)控制策略

U467.5+2

：A

：1000-3703（2014）03-0031-04

國家科技部“863”項(xiàng)目（2011AA11A260），湖北省研究與開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2011FAA007）。