電動汽車道路工況模擬測試平臺

周美蘭　張小明　劉占華　張宇

摘要：針對電動汽車路況模擬問題，搭建了一個能真實再現(xiàn)電動汽車道路工況的模擬測試平臺。該測試平臺采用電機對拖測試方式，加載電機選用能夠正反雙向加載電力測功機；平臺使用兩個單獨控制器實現(xiàn)對電機控制，依靠上位機發(fā)送相關(guān)控制指令給控制器來模擬實際中電動汽車行駛道路工況，實驗平臺既能滿足電機穩(wěn)態(tài)測試需求又能完成瞬態(tài)連續(xù)循環(huán)路況測試。測試表明，平臺響應(yīng)時間快，測得數(shù)據(jù)同理論結(jié)果相比，實驗結(jié)果均在允許的誤差范圍之內(nèi)，能源利用率也達到80%以上，說明所搭建的平臺不僅滿足了模擬測試的要求而且節(jié)能效果也非常明顯。

關(guān)鍵詞：電動汽車；道路工況；模擬測試；電機對拖；控制器

DOI：10.15938/j.jhust.2018.01.015

中圖分類號： TM912；U469.72

文獻標(biāo)志碼： A

文章編號： 1007-2683（2018）01-0081-06

Abstract：Aiming at the problem of simulating road conditions of the electric vehicle，a test platform is set up to simulate the road conditions of the electric vehicle. The simulation test platform adopts the towed mode to simulate the road conditions of the electric vehicle.Bidirectional electric dynamometer is used for loading motor. The platform uses two separate controllers to achieve the control of the motor，relying on host computer to send the relevant control commands to the controller to simulate the actual driving road conditions of the electric vehicle. Test platform not only can meet the steadystate testing requirements of the motor but also can

complete the test of the transient and continuous cycling road. The test shows that the experimental results are all in the allowable error range compared with the theoretical results. The response time of testing platform is faster and the energy utilization rate also reaches more than 80% indicating that the platform achieve the requirements of the simulation test and energy saving effect of the test platform is also very obvious.

Keywords：electric vehicle； road conditions； simulation test； towed motor； controller

0引言

隨著全球能源危機加劇，大量排放廢氣引起溫室效應(yīng)以及近些年來國內(nèi)出現(xiàn)的越來越多霧霾天，人們對新能源的關(guān)注也愈發(fā)強烈[1]。純電動汽車因“零排放、無污染、低能耗”，受到社會各界對其極大興趣，政府也出臺各種政策加大電動汽車推廣力度[2]。電動汽車日漸興起，國內(nèi)外對電動汽車路況模擬平臺設(shè)計研究更加深入，設(shè)計測試平臺操作起來更簡單、精確、環(huán)保[3-5]；電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)做為評價電動汽車性能[6-8]優(yōu)劣重要標(biāo)準(zhǔn)之一，科研高校進行了平臺試驗方法和快速評價方法研究[9]，室內(nèi)模擬電動汽車行駛道路工況臺架測試臺就是測試評價電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)性能平臺，搭建的測試平臺給檢測電機驅(qū)動性能、能量再生制動回收策略[10-11]提供了很好驗證方式，模擬運行的實驗數(shù)據(jù)也給研發(fā)人員優(yōu)化設(shè)計方案提供了一定的參考價值。本文測試平臺采用能夠滿足瞬時、雙向加載特性的直流電力測功機實現(xiàn)負(fù)載加載[12]，電力測功機相較傳統(tǒng)磁滯、磁粉、電渦流測功機，不僅體積縮小不少而且在驅(qū)動電機帶動其發(fā)電運行時還能將能量回饋到電網(wǎng)中，使能源利用效率能達到80%以上；平臺既能滿足電機穩(wěn)態(tài)測試需求又能完成瞬態(tài)連續(xù)循環(huán)路況測試，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)實時準(zhǔn)確地給驅(qū)動電機加載，還能控制其作為電動機帶動驅(qū)動電機發(fā)電運行，模擬汽車剎車制動能量再生狀態(tài)過程。整個測試平臺操作便捷、安全可靠、測試準(zhǔn)確、能量利用率高，相較與常見測試平臺，本實驗測試平臺優(yōu)勢還是很明顯的。

1電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)動力學(xué)模型分析

1.1電動汽車道路行駛受力分析

電動汽車在道路上行駛時會受到多種阻力作用，正常行駛時主要受到地面的滾動摩擦阻力Ff，空氣阻力Fw，爬坡時的坡道阻力Fi，加速運行時還需要克服由于汽車自身質(zhì)量產(chǎn)生的阻礙加速慣性力Fj[13]。

汽車道路行駛時，所提供的驅(qū)動力及所受的各個阻力如圖1所示：

2測試平臺道路工況模擬的硬件設(shè)計

道路工況模擬測試平臺硬件結(jié)構(gòu)與真實搭建測試臺架如圖2、3所示，主要包括以下幾個部分：蓄電池管理系統(tǒng)、被測電機控制系統(tǒng)、測功機控制系統(tǒng)、上位機通訊與數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。

根據(jù)實驗室條件整個測試平臺模擬測試的是一種觀光用的小型電動車一個模型。

蓄電池方面選用功率密度高、使用壽命長的磷酸鐵鋰電池，其額定輸出電壓24V；實驗用的驅(qū)動電機是由兩塊電池串聯(lián)輸出48V供電。為了驗證電動汽車復(fù)合儲能及能量控制策略，平臺還采用了雙向DC/DC與超級電容串聯(lián)再與電池并聯(lián)連接方式。

被測電機即驅(qū)動電機控制器采用直流輸入交流輸出模式驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)，其內(nèi)部功率變換器[14]能量是可以雙向流通的，滿足處于發(fā)電狀態(tài)時可將能量回饋給電池。驅(qū)動電機是一種有位置無刷直流電機，位置傳感器把磁極位置信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號傳到DSP處理單元，然后處理器發(fā)出驅(qū)動信號驅(qū)動功率管通斷；控制器實現(xiàn)控制方式有恒轉(zhuǎn)速、恒轉(zhuǎn)矩、恒功率輸出模式。其具體相關(guān)參數(shù)如表1。

測功機是一種電力測功機，實驗室選用直流調(diào)速控制裝置實現(xiàn)測功機一系列調(diào)控，其內(nèi)部功率變換器能量也是可以雙向流通的，滿足處于發(fā)電狀態(tài)時可將能量回饋給電網(wǎng)。控制器控制實現(xiàn)方式有恒轉(zhuǎn)速、恒轉(zhuǎn)矩、恒功率輸出模式。配合驅(qū)動電機控制模式可以測試不同情況下驅(qū)動電機性能。其具體參數(shù)如表1。

此外還有數(shù)據(jù)采集卡、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器、RS232串口通信線，USBTOCAN數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，研華工控機，數(shù)字顯示與電源開關(guān)操作柜，可以親身操控的駕駛員模型等。

3測試平臺道路工況模擬實現(xiàn)過程

測試平臺實現(xiàn)道路工況模擬主要依靠被測電機控制系統(tǒng)、功率加載電機控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合[15]，選定一段汽車行駛路況信息，依照電動汽車運動方程、汽車車速與電機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換方程，計算出每時刻汽車車速對應(yīng)的電機轉(zhuǎn)速[16]以及每時刻測功機應(yīng)當(dāng)給驅(qū)動電機加載的阻轉(zhuǎn)矩，然后上位機以時間為基準(zhǔn)同時分別給兩個控制器發(fā)送轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩命令，以此來模擬現(xiàn)實中電動汽車行駛道路工況，控制器也可以通過系統(tǒng)設(shè)置單獨實現(xiàn)控制，實現(xiàn)對電機多方面動靜態(tài)測試需求。實驗平臺既能滿足電機穩(wěn)態(tài)測試需求又能完成瞬態(tài)連續(xù)循環(huán)路況測試。

上位機通過USBTOCAN通訊[17]轉(zhuǎn)換器與兩個電機控制器建立互通聯(lián)系，控制系統(tǒng)可以設(shè)置兩個電機不同控制方式以實現(xiàn)不同測量目的，但兩個電機控制方式不能設(shè)置相同，上位機測試界面既可以定點設(shè)置測定驅(qū)動電機運動狀態(tài)又可以連續(xù)模擬路況變化。測試過程如圖4所示：

4測試平臺道路工況模擬測試及結(jié)果分析

4.1電動汽車爬坡能力模擬測試

根據(jù)選用的被測電機及測功機加載電機性能指標(biāo)，測試平臺適合模擬汽車的基本參數(shù)[18]取值如表2。

坡路是汽車行駛過程中常見路況，汽車應(yīng)具有一定爬坡能力，隨著坡路角增大汽車所承受坡道阻力也就越大，設(shè)置電機轉(zhuǎn)速970r/min，對應(yīng)汽車車速8.9km/h，以此來測試汽車穩(wěn)速爬不同坡度路況能力。依據(jù)平臺選定驅(qū)動電機額定輸出轉(zhuǎn)矩14N·m，能夠模擬坡度從 0到12%（約6.7o），相應(yīng)加載阻力從1.5N·m到13.2N·m，測功機設(shè)定加載點的加載阻力從初始2N·m每隔6s增加一個單位牛頓阻力直到13N·m。測得實驗數(shù)據(jù)及參數(shù)變化曲線如圖5、6所示：

圖5中可以看出，電機轉(zhuǎn)速基本穩(wěn)定沒有太大波動，隨著加載阻力增大，被測電機輸入電流、輸出轉(zhuǎn)矩隨著同趨勢增大變化，加載最大轉(zhuǎn)矩大概對應(yīng)模擬坡度14%，選用輸出轉(zhuǎn)矩更大電機會克服更大坡度角；圖6中可以看出每個坡度增大轉(zhuǎn)折點處電流都會有增大波動而后趨于穩(wěn)定。

4.2電動汽車加速模擬測試

電動汽車平地加速時候除受到摩擦阻力、風(fēng)阻等阻力外，還要克服本身車重所產(chǎn)生慣性力即加速阻力mdvdt，為了確保汽車速度連續(xù)性，在確定時間內(nèi)選取盡量多測試點，32s（熱身時間7s）內(nèi)由8.3km/h增大到17.5km/h，基本上是1.5s對應(yīng)一個速度點，對應(yīng)轉(zhuǎn)速由900r/min加到1900r/min，根據(jù)式（6）汽車運動方程算出所受阻力由3.8N·m增到5.4N·m。測得參數(shù)變化曲線如圖7所示：

按照設(shè)定點模擬汽車從8.3km/h加大到17.5km/h，加速過程中汽車會相應(yīng)輸出比阻力大的驅(qū)動力去實現(xiàn)汽車加速；圖5可以看出加速時候驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、電流都呈現(xiàn)出上升一個趨勢，這是電機實現(xiàn)加速必要變化過程。

4.3電動汽車再生制動回饋模擬測試

電動汽車在剎車制動、減速時候會拖動電機發(fā)電運行，這種回饋能量的有效回收利用成為提升電動汽車?yán)m(xù)航里程關(guān)鍵，測試平臺選用雙向加載的電力測功機拖動被測電機運轉(zhuǎn)來模擬測試電動汽車制動減速過程中能量回饋變化。測試選用一段中國城市標(biāo)準(zhǔn)減速路況模擬，依照路況設(shè)定電機轉(zhuǎn)速由2956.0r/min（對應(yīng)車速27.2km/h）下降到151.8r/min（對應(yīng)車速1.4km/h），中間對應(yīng)24個采集點，每隔5s記錄一個點相關(guān)參數(shù)信息。測得參數(shù)曲線如圖8所示：

由測功機拖動驅(qū)動電機減速轉(zhuǎn)動模擬汽車減速，制動回饋測試即模擬汽車剎車制動過程，測試中驅(qū)動電機處于剎車狀態(tài)；由于測功機可以實現(xiàn)雙向加載，測功機拖動電機模擬汽車剎車后減速運行瞬態(tài)過程，圖6中可以看出，制動回饋過程中電池電壓會有一個短時間升高，伴隨轉(zhuǎn)速下降，電機輸出回饋給電池的電流、功率相應(yīng)減小。

4.4電動汽車連續(xù)制動回饋路況模擬測試

汽車在正常行駛過程中，會頻繁地減速、剎車制動，測試平臺循環(huán)路況內(nèi)連續(xù)控制測功機加載電機正反加載方向模擬汽車這種頻繁地減速、剎車制動。為了更好看出反向加載時運行狀態(tài)，連續(xù)兩個點設(shè)為反向加載運行。開始時正向啟動驅(qū)動電機，測功機給驅(qū)動電機提供正向加載阻力，下個時刻測功機給電機施加反向阻力矩（拖動驅(qū)動電機發(fā)電運行），反向拖動驅(qū)動電機運行時驅(qū)動電機自動進入制動狀態(tài)，測功機拖動電機運轉(zhuǎn)，直至達到穩(wěn)速運行。測得參數(shù)曲線如圖9、10所示：

曲線坐標(biāo)由于軟件設(shè)置問題沒有負(fù)值，所以圖中看不出參數(shù)正負(fù)變化，為了更好看出反向加載時運行狀態(tài)，連續(xù)兩個點設(shè)為反向加載運行，圖9中反向加載轉(zhuǎn)矩連續(xù)兩個點是一直線，從電池電壓變化曲線也可以看出，每當(dāng)負(fù)載電機反向加載時候電池電壓都會有個明顯上升趨勢，也可以從圖10電流探頭測得電池輸出電流示波器圖形中看出正負(fù)，驅(qū)動時蓄電池供電電流為正，制動回饋時蓄電池供電電流為負(fù)。

5結(jié)論

搭建的對拖式電動汽車道路工況模擬測試平臺，既能滿足電機穩(wěn)態(tài)測試需求又能完成瞬態(tài)連續(xù)循環(huán)路況測試，模擬測試平臺軟件測試系統(tǒng)將兩個控制器通訊傳輸集合在一個測試界面上，配合集成電源操作控制柜使得加載電機與驅(qū)動電機響應(yīng)時間同傳統(tǒng)測試平臺相比提升20%左右，并且控制也很精確，能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動電機多方面性能測試需求；平臺采用的能量雙向流通變流電路設(shè)計，能源綜合利用率[19-20]也能達到80%以上。測試實驗結(jié)果因受到各方面因素影響同理論結(jié)果比較雖有一定誤差，但都在允許誤差范圍之內(nèi)，達到整個測試要求的標(biāo)準(zhǔn)，測試結(jié)果也為后續(xù)研發(fā)人員優(yōu)化設(shè)計方案提供了一定的依據(jù)。

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（編輯：王萍）