混合動(dòng)力汽車快速控制原型臺(tái)架試驗(yàn)及分析

呂康 唐嵐 何云飛 趙歆

摘 要：在現(xiàn)今社會(huì)的發(fā)展中，節(jié)能環(huán)保以及可持續(xù)發(fā)展是全球發(fā)展的主題，為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，全球各國(guó)都在積極地研究更加 環(huán)保、更加節(jié)能、可替代的新型能源的汽車。本文主要從混合動(dòng)力汽車的臺(tái)架試驗(yàn)的搭建及其分析做探討。

關(guān)鍵詞：新型能源;混合動(dòng)力汽車;臺(tái)架試驗(yàn)

利用 Matlab/Simulink 仿真可以結(jié)合系統(tǒng)的工作過(guò)程，對(duì)機(jī)電耦合系統(tǒng)模型進(jìn)行開發(fā)調(diào)整，分析影響整車性能的主要因素[1]。單純的軟件仿真無(wú)法完全反映機(jī)電耦合系統(tǒng) 的實(shí)際運(yùn)行情況，搭建功能更加全面的快速控制原型試驗(yàn)平臺(tái)可進(jìn)行整車控制系統(tǒng)算法 的測(cè)試驗(yàn)證，匹配標(biāo)定相關(guān)參數(shù)。通過(guò)對(duì)比整車模型仿真結(jié)果和快速控制原型測(cè)試的結(jié)果，進(jìn)行相應(yīng)的校正，以確保模型的可靠性，使控制算法更加符合實(shí)際應(yīng)用要求。

1混合動(dòng)力汽車概述

混合動(dòng)力汽車主要是指其驅(qū)動(dòng)能源是有兩種及以上的儲(chǔ)能器、轉(zhuǎn)換器或者能源構(gòu)成的，在進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的過(guò)程中，混合動(dòng)力汽車的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力可以是通過(guò)消耗燃料所提 供的，也可以是通過(guò)利用電能或者其他能源所產(chǎn)生的。混合動(dòng)力汽車的驅(qū)動(dòng)源是混合動(dòng)力源，其中包括蓄電池、 內(nèi)燃機(jī)、液壓儲(chǔ)能器等各種動(dòng)力裝置，混合動(dòng)力汽車主 要是通過(guò)對(duì)這些動(dòng)力源進(jìn)行協(xié)調(diào)工作，從而在混合動(dòng)力 汽車運(yùn)行的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)資源的合理配置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)低耗 能、低排放的目標(biāo) [2]。

2混合動(dòng)力汽車臺(tái)架試驗(yàn)技術(shù)

為開展混合動(dòng)力客車機(jī)電耦合系統(tǒng)（發(fā)動(dòng)機(jī)+離合器+驅(qū)動(dòng)電機(jī)+自動(dòng)變速箱）的聯(lián) 合調(diào)試、匹配標(biāo)定和測(cè)試評(píng)價(jià)等工作，搭建插電式同軸并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架，平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖 1所示。對(duì)整車道路負(fù)載進(jìn)行模擬，基于 MATLAB、dSPACE 等軟硬件工具進(jìn)行整車經(jīng)濟(jì)性的快速控制原型測(cè)試，為整車控制策略驗(yàn)證提供試驗(yàn)支撐。試驗(yàn)平臺(tái)可分為底層執(zhí)行系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

2.1 底層執(zhí)行系統(tǒng)

底層執(zhí)行系統(tǒng)主要接收上層控制指令，執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，并通過(guò)傳感器將信號(hào)反饋于上層軟件。底層執(zhí)行系統(tǒng)主要包括混合動(dòng)力客車機(jī)電耦合系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、模擬負(fù)載系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)總成輪速模擬器、油門踏板、油門踏板傳感器、顯示器、中控臺(tái)總成、基礎(chǔ)臺(tái)架等。

主要組成部分性能參數(shù)：

（1）機(jī)電耦合系統(tǒng)總成 系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、AMT、離合器等部分組成。

1.發(fā)動(dòng)機(jī)：直列 6 缸電控柴油機(jī)，滿足國(guó)5 標(biāo)準(zhǔn);額定功率/轉(zhuǎn)速，162kW± 5%/2500rpm;最大扭矩/轉(zhuǎn)速，730N.m±6%/1200～1700rpm。

2.驅(qū)動(dòng)電機(jī)：貫通軸式永磁同步電機(jī)，額定功率 40kW，峰值功率 65kW;額定/ 峰值扭矩 350/500 N·m;最高效率 93%;最大電流 750A，最大電壓 200V。

3.變速箱：AMT 6 擋自動(dòng)變速箱，最大輸入扭矩 1166Nm，各擋傳動(dòng)比為 7.05/ 4.13/2.52/1.59/1.00/0.78/R6.75。

4. 電池：70Ah，標(biāo)稱電壓 346V，最大沖電倍率 2C，最大放電倍率3C。

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)

1. 油門執(zhí)行器：當(dāng)作用力為120N，直線行程為100mm時(shí)，時(shí)間小于 100ms;位 置控制精度：≤±0.5%。

2. 發(fā)動(dòng)機(jī)油門拉線：長(zhǎng)度大于 1.5m。

3. 發(fā)動(dòng)機(jī)燃油恒溫控制裝置：適用300kW發(fā)動(dòng)機(jī)，冷卻流量：2.5m?/h，運(yùn)行溫度：50-150°C，溫控范圍：70-130°C。

4. 水溫調(diào)節(jié)裝置：適用 300kW 發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)，穩(wěn)態(tài)下溫度控制精度±2°C（進(jìn)口）、 ±3°C（出口），溫度測(cè)量精度±5°C，允許系統(tǒng)最大壓力 6bar。

5. 中冷空氣恒溫控制系統(tǒng)：發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷范圍為300kW，增壓空氣流量：1400kg/h， 溫度設(shè)置/控制范圍：40-75°C。

6. 發(fā)動(dòng)機(jī)油耗儀：量程范圍≥120kg/h，系統(tǒng)測(cè)量精度±0.5%FS。

（3）模擬負(fù)載系統(tǒng)

1. 交流電力測(cè)功機(jī)：額定扭矩 5000Nm，額定功率 250kW，最高轉(zhuǎn)速 3500rpm， 過(guò)載能力1.25，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小于 8kg·㎡。

2. 電力測(cè)功機(jī)變頻柜：可四象限運(yùn)行，額定電壓 380V，額定容量 600kVA，額定 電流 900A，矢量控制方式。

3. 扭矩轉(zhuǎn)速傳感器：非接觸測(cè)量方式，額定扭矩 5000N·m，額定轉(zhuǎn)速 3500rpm， 測(cè)試精度±0.5%。

4. 測(cè)功機(jī)控制儀：帶電子油門信號(hào)，控制精度±0.8%FS，測(cè)量誤差：±0.5%FS， 扭矩重復(fù)性偏差：±0.5%FS。

5. 測(cè)功機(jī)電源柜：額定容量 600kVA，中央控制，安全監(jiān)控通信接口，過(guò)流保護(hù)緊 急停車。

2.2 電氣系統(tǒng)

電氣系統(tǒng)提供車身底盤電控綜合測(cè)試平臺(tái)所需的電源，包括 220V，24V，12V 和 5V 等。電氣系統(tǒng)主要包括繼電器、接觸器、空氣開關(guān)、保險(xiǎn)絲、接線端子、穩(wěn)壓電源、線 束等。另外，系統(tǒng)還用于實(shí)現(xiàn)底層執(zhí)行機(jī)構(gòu)與上下位機(jī)之間的通訊，包括上下位機(jī)發(fā)送 給執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制信號(hào)和底層傳感器反饋于上位機(jī)系統(tǒng)的信號(hào)。 混合動(dòng)力試驗(yàn)平臺(tái)電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，以 dSPACE 為核心，完成信號(hào)的采 集、處理、發(fā)送的過(guò)程，信號(hào)來(lái)源于：各部件控制器、傳感器和整車模型。整車模型的 信號(hào)作為驅(qū)動(dòng)指令，控制電機(jī)等用電器的動(dòng)作;傳感器信號(hào)是整車模型的輸入信號(hào)之一， 如電子油門踏板傳感器，也可作為 HCU 控制器控制信號(hào)，比如主缸壓力傳感器信號(hào)和輪 速傳感器信號(hào)。

電氣系統(tǒng)分為兩大模塊：電源模塊和信號(hào)模塊。電源模塊主要包括直流 12V、直流 5V、交流 380V、交流 220V 和常用電路輔助器件，其中各模塊系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制，選 擇性在環(huán)模擬，并加裝急停開關(guān)，以保證操作過(guò)程中的安全性。信號(hào)模塊是以 dSPACE 為核心的信息流動(dòng)系統(tǒng)，dSPACE 實(shí)時(shí)仿真技術(shù)是dSPACE 公司所研究開發(fā)出來(lái)的，其基本的設(shè)計(jì)理念與方法是基于對(duì) MATLAB/ Simulink 從而進(jìn)行開發(fā)研究的一款用來(lái)開發(fā)和測(cè)試控制系統(tǒng)的工作平臺(tái)，由于其主要是就是根據(jù) MATLAB/ Simulink 進(jìn)行開發(fā)的，所以可以與 MATLAB/Simulink 實(shí)現(xiàn)完美的連接 [3]。可以完成對(duì)模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)、CAN 三種形式信號(hào)的處理，具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性。

2.3 多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

在快速控制原型測(cè)試中，僅僅通過(guò)電氣接口無(wú)法連接 ECU，在這種情況下，利用 dSPACE 為機(jī)電部件和機(jī)電系統(tǒng)搭建高動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試平臺(tái)是絕佳的選擇。借助快速控制原 型技術(shù)可以輕松集成和測(cè)試電子控制單元和車輛總線。負(fù)載機(jī)械的參考值由實(shí)時(shí)仿真模 型實(shí)時(shí)提供。利用合適的I/O接口可以在測(cè)試臺(tái)架部件、ECU 與仿真之間實(shí)現(xiàn)真正的閉 環(huán)操作。因此，通過(guò)測(cè)試臺(tái)架與仿真器的耦合可以為電子和機(jī)械部件創(chuàng)建真實(shí)的負(fù)載場(chǎng) 景。測(cè)試系統(tǒng)由以下組件組成：

（1）PC 機(jī)：用于測(cè)試的配置和自動(dòng)化的軟件它在PC上運(yùn)行，用于仿真模型參數(shù)化 和仿真可視化的軟件也在PC上運(yùn)行。數(shù)據(jù)管理軟件可以用于處理和管理測(cè)試數(shù)據(jù)，例 如模型、信號(hào)、參數(shù)、測(cè)試和測(cè)試結(jié)果。

（2）dSPACE：用于計(jì)算仿真模型以及連接實(shí)時(shí)模型和相關(guān) I/O 的處理單元，主要 使用的設(shè)備為 MicroLabBox 和 MicroAutoBox。dSPACE SCALEXIO 處理硬 件提供多核和多處理器支持，并通過(guò) IOCNET 與 I/O 接口進(jìn)行通信，能在實(shí)時(shí)條件下 處理大量的 I/O 通道和總線通道，這里選用 MicroLabBox 作為采集設(shè)備，能夠滿足多 種采集要求。

利用 MicroAutoBox 用來(lái)檢查控制功能的可靠性，可以實(shí)現(xiàn)全面的軟件和硬件支持。 MicroAutoBox II 配備的接口可以滿足多數(shù)主流汽車總線系統(tǒng)的需要，如 CAN、LIN、K-Line/L-Line、FlexRay 和以太網(wǎng)[4]。

3 試驗(yàn)步驟

3.1 設(shè)備上電 ，依次對(duì)電氣設(shè)備及輔助設(shè)備進(jìn)行上電操 作：

1） 總電源柜上電;

2） 混合動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)電源箱上電;

3） 操作臺(tái)上電;

4） 外水循環(huán)設(shè)備上電;

5） 油耗儀上電;

6） 排風(fēng)機(jī)上電;

7） 散熱油泵上電;

8） 工控機(jī)上電;

3.2 設(shè)備運(yùn)行

1）打開混合動(dòng)力實(shí)驗(yàn)臺(tái)架軟件，將 AFE（Active Front End）電源電壓設(shè)定為 330V;

2）可調(diào) AFE 電源運(yùn)行;

3）發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng);

4）打開 AFE 電源啟停旋鈕，AFE 電源運(yùn)行;

5）變頻器運(yùn)行。

3.3 軟件設(shè)置

1）打開操作臺(tái)軟件，默認(rèn)狀態(tài)為混合工作模式，選擇軟件自動(dòng)控制方式。

2）打開主機(jī)，進(jìn)入 dSPACE Installation Manager 鏈接 dSPACE 和 Matlab。

3）修改 Matlab 模型。 啟動(dòng) Matlab，在 dSPACE 硬件平臺(tái)的選擇對(duì)話框中選擇 RTI1006。進(jìn)入 RTI CAN操作界面，進(jìn)行 CAN 卡設(shè)定。打開 Simulink 模型中的 HCU 子系統(tǒng)，將 RTI CAN 界面中的 CAN CONTROLLER SETUP 模塊放入模型中。對(duì)CAN發(fā)送和接收模塊進(jìn)行配置，導(dǎo)入通訊協(xié)議，如圖3所示。

4）仿真系統(tǒng)配置

對(duì)仿真系統(tǒng)的配置參數(shù)做相應(yīng)的修改，具體修改如下：開始時(shí)間必須設(shè)為 0，求解 器必須為定步長(zhǎng)，推薦選擇 ode1，ode3 和 discrete 求解器，終止時(shí)間設(shè)為無(wú)窮大。

5）在 ControlDesk 中建立工程進(jìn)行試驗(yàn)

Autobox 通過(guò)以太網(wǎng)與主機(jī)聯(lián)接，新建工程，定義工程與試驗(yàn)，添加硬件平臺(tái)，導(dǎo)入sdf文件。在變量顯示窗口中選擇所要顯示的變量。點(diǎn)擊 Go Online 選擇在線運(yùn)行，點(diǎn)擊 Start Measuring 觀測(cè)變量。

4試驗(yàn)結(jié)果

為了對(duì)基于博弈理論的能量管理策略進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，運(yùn)行中國(guó)典型城市工況。測(cè)試初始，動(dòng)力電池實(shí)際SOC為65.6%，將其統(tǒng)一設(shè)定為臺(tái)架試驗(yàn)和仿真的初始SOC，觀察該駕駛工況下實(shí)際運(yùn)行結(jié)果與仿真結(jié)果是否吻合。

1）測(cè)試結(jié)果

從表1結(jié)果可以看出，測(cè)試?yán)锍袒疽恢拢嚹芰肯姆矫妫_(tái)架試驗(yàn)所得到的試驗(yàn)電耗比用博弈論算法求得的仿真測(cè)試電耗高約 0.16 度，全程油耗高約 0.11L。

2）臺(tái)架試驗(yàn)與仿真測(cè)試曲線對(duì)比

從曲線對(duì)比可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的能量流、動(dòng)力輸出在大部分情況下與仿真結(jié)果相符，臺(tái)架試驗(yàn)?zāi)軌蜉^好的響應(yīng)控制策略。

5結(jié)論

通過(guò)對(duì)快速控制原型實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的底層執(zhí)行系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)三大部分的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行了介紹。并且對(duì)試驗(yàn)臺(tái)架的搭建做了詳細(xì)的介紹，基于 Matlab/Simulink、dSPACE 軟硬件工具進(jìn)行整車經(jīng)濟(jì)性的快速控制原型測(cè)試，驗(yàn)證整車能量管理策略，對(duì)比分析試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果，實(shí)現(xiàn)改善燃油經(jīng)濟(jì)性的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

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[2] 朱志富.混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其臺(tái)架試驗(yàn)[D].重慶：重慶大學(xué)，2012.

[3] 李戰(zhàn)龍.混合動(dòng)力汽車試驗(yàn)臺(tái)架的研究與開發(fā) [D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2004.

[4] 叢 麗 娜，榮志強(qiáng).基于快速原型汽車網(wǎng)關(guān)開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2018（13）：96-98，115.

作者簡(jiǎn)介：呂康（1994.12-），男，漢族，四川南充，碩士，汽車性能測(cè)試與仿真。