電動汽車行駛工況虛實結合實驗教學系統設計

熊 瑞, 王 春, 何洪文

(北京理工大學 機械與車輛學院, 北京 100081)

電動汽車行駛工況虛實結合實驗教學系統設計

熊 瑞, 王 春, 何洪文

(北京理工大學 機械與車輛學院, 北京 100081)

為滿足電動汽車行駛工況實驗教學多樣化的需求,結合北京理工大學實驗教學實際情況,開發了一套虛實結合的電動汽車行駛工況實驗教學系統。該系統綜合了虛擬實驗和實物實驗的優勢,虛擬實驗部分主要在Matlab/Simulink軟件平臺上完成,實物實驗部分依托測試設備完成。實驗教學結果表明,該系統加深了學生對于車用工況的理解,有效提高了學生的工程實踐能力。

電動汽車; 行駛工況； 實驗教學； Matlab應用

北京理工大學培養專業學位碩士研究生的實驗教學以培養學生的工程實踐能力、創新能力和解決實際問題的綜合能力為目標。隨著專業學位碩士研究生招生人數的增加和對實驗教學環節要求的不斷提高,傳統的以實物實驗為主的實驗教學環節存在的缺點逐漸凸顯。首先,實物實驗普遍受到實驗教學課時數、學生人數等因素的制約,實驗教學效果不令人滿意；其次,車輛工程專業實驗教學需要的部分實驗設備投資大、實驗設備體積和重量大,對實驗場地的面積也有著較高要求[1-2]。新興的虛擬實驗雖然具有較低的實驗成本、較小的時間和空間約束和高安全性等優勢,但是其缺乏實物感,學生缺少對實際儀器、設備的實際動手操作,更重要的是虛擬實驗不具備實物實驗中的各類不確定干擾因素,不利于培養學生發現問題、解決問題的能力和創新能力[3]。由于實物實驗和虛擬實驗各自具有獨特的優勢和不足,因此,北京理工大學以培養專業學位研究生的工程素養和實踐應用能力為出發點,依托電動車輛國家工程實驗室的實驗設備,結合專業學位碩士研究生教學實際,統籌建立一套虛實結合的實驗教學系統具有十分重要的意義。

1 實驗教學系統總體方案

通常情況下,電動汽車存在兩種或多種動力源。由于儲能系統的存在,可依托工況信息應用全局優化方法完成瞬時功率分配,以實現最大化節能[4]。行駛工況等是電動汽車相關課程的重要教學內容。

以往針對電動汽車行駛工況的教學主要以理論教學為主,學生對于電動汽車行駛工況的概念、組成、分類和實驗并沒有直觀的感受。為此,基于實驗室現有設備,融入虛實結合思想,設計了一套電動汽車行駛工況實驗教學系統。該系統的虛擬部分主要在Matlab/Simulink軟件中實現,實物部分主要由ARBIN BT-5HC-5V-100A動力電池充放電測試設備、惠普系列主工作站上位機和BTT-331C三層溫度箱組成(見圖1)。ARBIN BT-5HC-5V-100A動力電池充放電測試設備可對電池單體進行-100～+100 A的充放電測試,可對電流、電壓和溫度等重要數據采樣并記錄到上位機中。BTT-331C三層溫度箱可實現箱體內-40～+150℃的溫度設定,完成電池在不同溫度下的性能測試。上位機主要用于測試數據的采集、實驗程序的編譯和實驗過程的監控。

圖1 實驗教學系統(實物部分)

在本實驗教學系統設計中,虛擬實驗和實物實驗兩者是相互依存、相互補充和相互協同的關系。

實驗教學系統虛擬部分實驗工作可依托Matlab/Simulink平臺展開,不需要其他硬件的支撐,也不受時間和空間的約束,可安排學生在課下完成。實驗的目的是讓學生從不同的切入點理解車輛行駛工況的概念、分類和特點等信息,并為以后的工況識別、工況預測等學習內容做鋪墊[5]。虛擬部分實驗步驟如下：

(1) 選取3個工況，分別代表車輛在高速、郊區和市區道路行駛的典型工況；

(2) 選取合適的車型，將速度信息轉換為功率信息；

(3) 將功率信息轉換為電流信息,并根據選取的電池參數等比例縮小。

實物實驗部分需要在圖1所示的系統中進行,該部分實驗教學工作需要安排在課堂上完成。由于ARBIN測試系統有16個通道,若3名學生一組,可同時滿足48名學生的實驗工作。實驗的目的是將上一步得到的工況信息在電池充放電系統中進行驗證,并為后續的狀態估計、算法驗證等提供實驗數據支撐。實物部分實驗步驟如下：

(1) 將虛擬部分得到的工況信息轉換為txt格式的文件存入主機相應文件夾；

(2) 在主機的Console軟件上編譯程序并調用步驟(1)的txt格式文件作為測試電流以模擬對應工況；

(3) 在主機的Data Watcher軟件上實時監控,保存實驗數據。

2 實驗教學系統設計

2.1 虛擬部分

由于標準工況反映的是一個區域內大量車輛運行狀況的平均水平,是一個具有普遍意義的統計樣本,具有代表性。在此選用US06_HWY、CSHVR和UDDS工況,分別代表車輛行駛工況中的高速、郊區和市區3種主要道路條件的工況類型[6-7]。選用的車型是由北京理工大學電動車輛國家工程實驗室研制的可充電式Midi電動汽車[8-9],其主要基本參數如下：

長×寬×高：4 388 mm×1 725 mm×1 768 mm

整備質量：1 320 kg

滿載質量：1 845 kg

迎風面積A：2.53 m2

空氣阻力系數CD：0.36

滾動阻力系數f：0.025

根據3種工況信息和經驗公式得到電機功率Pm。

(1)

式中,ηT為傳動效率,g為重力加速度，v為車速，a為加速度,δ為汽車旋轉質量換算系數，m為汽車質量。速度和功率工況曲線如圖2所示。選擇的電池為某三元鋰離子電池,標稱容量為25 Ah,標稱電壓Un為3.7 V,電壓范圍為2.5～4.15 V。充放電電流I為

(2)

式中：Ns為測試電池組的串聯數,Np并聯數,測試電池系統采用先并后串成組方式。

2.2 實物部分

首先,將虛擬部分得到的工況信息txt文件存入主機的Arbinsoftware/MITS_PRO/Data文件夾以備調用。

其次,在上位機Console軟件編寫并加載以下內容的程序(在實驗運行過程中,可使用Data Watcher軟件進行實時數據監控)：

步驟1：靜置2 h；

步驟2：調用并依據相應的工況信息txt文件對電池進行充放電以模擬相對應的行駛工況；

步驟3：靜置5 min；

步驟4：循環次數增加1,如果總循環次數小于10,則返回Step2重新調用工況信息txt文件；

步驟5：靜置5 min；

步驟6：以7.5 A的電流將剩余電量放光,直至電壓等于2.5 V。

最后,待實驗結束后將測試數據保存在電腦上,便于后續數據分析。

可以在不同溫度下進行工況模擬實驗,以研究溫度因素對電池工況測試的影響[10]。溫度設置有兩種模式：一種是定值溫度模式,也就是將溫度始終保持在固定的溫度值,如10 ℃、25 ℃、40 ℃,以測試電池在不同溫度下的性能；另一種是交變溫度模式,可將溫度設定在10 ℃～40 ℃的范圍內,不斷周期性或非周期性地改變溫度,模擬真實行駛過程中的動態環境。其中25 ℃下的UDDS工況虛擬實驗結果如圖3所示。

圖2 速度和功率工況曲線圖

圖3 25 ℃下的UDDS工況虛擬實驗曲線圖

采用虛實結合的實驗教學方式，可讓學生綜合運用所學知識，獨立設計實驗,并熟練操作測試設備完成預定實驗,提高工程實踐能力、創新能力和解決實際問題的綜合能力。要求學生在進行實驗之前掌握電動汽車行駛工況的基本概念和分類,然后尋找國內外典型工況并建立工況數據庫,按照車速特征進行分類,進而在Matlab/Simulink平臺上進行理論分析,靈活地完成虛擬部分的實驗內容。在實物實驗部分,學生通過實際動手連接電池、編寫程序和操作測試設備等環節提高動手能力,并且對整個電動汽車行駛工況實驗系統有了更為深刻的認識[11]。

3 結語

北京理工大學在電動汽車行駛工況實驗教學中采取“課外虛仿、課內實做”“先仿后做、虛實結合”的方法,既通過虛擬實驗降低了實物實驗的消耗,深化了學生對工況的理解,又通過實物實驗鍛煉了學生的動手能力,鞏固了學生的理論知識,取得了良好的實驗教學效果[12],為車輛工程專業學位碩士研究生畢業后能夠快速勝任崗位工作打下了堅實的工程實踐基礎。

References)

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[3] 郭楚飛,王利軍,韓東太.本科實踐教學虛實結合實驗平臺的構建[J]教育與職業,2016(11):99-101.

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[6] 鄧濤,盧任之,李亞南,等.基于LVQ工況識別的混合動力汽車自適應能量管理控制策略[J].中國機械工程,2016(3):420-425.

[7] He Hongwen,Sun Chao,Zhang Xiaowei. A Method for Identification of Driving Patterns in HybridElectric Vehicles Based on a LVQ Neural Network[J].Energies,2012(5):3363-3380.

[8] 熊瑞.插電式混合動力車用復合電源系統仿真研究[D].北京:北京理工大學,2010.

[9] 何洪文.電動汽車原理與構造[M].北京：機械工業出版社,2015.

[10] 彭赟,彭飛,劉志祥,等.基于PLC和LabVIEW的燃料電池測試系統設計[J].電源技術,2016,40(3):575-579.

[11] 胡燕,黃霞,張冰洋.“自控原理”虛實結合實驗平臺設計與應用[J].實驗技術與管理,2015,32(12):84-88.

[12] 王革思,周天,高明生,等.構建“三位一體”實驗教學體系培養本科生創新型人才[J].實驗技術與管理,2016,33(9):18-21.

·字義辨析·

粘與黏

國家語言文字工作委員會和中華人民共和國新聞出版署于1988年3月25日《關于發布<現代漢語通用字表>的聯合通知》中恢復使用“黏(nin)”字，在表達“黏”的概念時，恢復使用“黏”字，如：黏膜、黏液、黏度系數、黏性等；在表達“粘(zhn)”的概念時，使用“粘”字，如：粘貼等。

《實驗技術與管理》編輯部 編錄

Design of virtuality-reality experimental teaching system for driving cycles of electric vehicles

Xiong Rui, Wang Chun, He Hongwen

(School of Mechanical Engineering,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China)

With the increase of enrollment number for graduates of professional degree and the constant improvement of requirement for engineering practical ability,there are a lot of existing limitations in electric vehicle experimental teaching system. To satisfy the requirements of experimental teaching,a novel virtuality-reality experimental teaching system for driving cycles of electric vehicles is developed. This system combines the advantages of virtuality and reality test bench. In addition,the virtual experiment is implemented by the Matlab/Simulink software platform,and the realistic experiment is carried out by the test equipment. The results of the experimental teaching show that the proposed system can not only strengthen the understanding of the vehicular driving cycles ,but also improve students’engineering practical ability effectively.

electric vehicles; driving cycles; experimental teaching; Matlab application

10.16791/j.cnki.sjg.2017.04.031

2016-11-30 修改日期：2017-01-13

北京理工大學研究生學術精品課程項目(YJPKC-2015-A02)；北京理工大學“雙一流”專業學位精品課程(ZYXW2016007)

熊瑞(1985—),男,湖北仙桃,博士,副研究員,碩士生導師,主要從事電傳動車輛電池系統管理與控制等方面的教學與研究工作.

E-mail：rxiong@bit.edu.cn

U462

A

1002-4956(2017)4-0122-04