一種模擬整車環境的電驅系統測試方法

吳洪亭, 肖 亮, 劉靜雯, 邢化嶺, 王照亮

(1.中通客車股份有限公司, 山東 聊城 252022; 2.聊城職業技術學院, 山東 聊城 252004)

電驅系統是新能源車輛動力輸出的核心部件,其性能直接影響車輛的動力性、經濟性。目前針對電驅系統的測試項目主要包括：輸入輸出特性、效率特性、耐久性、環境適應性等,但這些系統級的測試項目均無法有效驗證電驅系統與整車的匹配性。

目前,針對電驅系統與整車匹配性能的測試主要借鑒標準有GB/T 19754—2021《重型混合動力電動汽車能量消耗量試驗方法》[1](CCBC工況)、GB/T 27840—2021《重型商用車輛燃料消耗量測量方法》(CWTVC工況)[2]。標準中的測試方法主要針對實車路試,基于臺架的測試方法主要有兩種：一種全工況動態整車測試臺架及方法[3];一種純電動汽車臺架測試系統及其測試方法[4]。這兩種測試方法都不能在樣車制造前對電驅系統與整車的匹配性進行有效驗證。為了解決上述問題,本文提出一種模擬整車環境的電驅系統測試方法[5]。

1 實施方法

在綜合工況(CCBC工況或CWTVC工況)下,采用模擬部件進行測試,可在樣車制造前對驅動電機性能及其與整車的匹配性進行驗證[6],可大幅降低樣車制造的不合格率和研發成本。實施方法的流程如圖1所示。

圖1 方法流程

1.1 獲取整車參數及建立整車動力學模型

獲取整車參數、電池模擬輸出狀態,建立整車動力學模型。可以采用如下方法：

步驟1)獲取整車參數(包括整車整備質量、載重質量、整車尺寸、傳動系傳動比、車輪滾動半徑等),建立待測車型的車速和受力模型。

因待測車型參數不同,所以測試控制的輸出不同,可針對待測車型采集整車參數并分別建立整車模型,待測車型可以是開發階段的樣車車型也可以是量產車型。

建立的整車動力學模型如下[7]：

式中：V為車速;N為電驅系統輸出轉速;r為車輪滾動半徑;i0為傳動系傳動比;F為整車受力;T為電驅系統輸出轉矩;ηr為傳動系效率;m為整車質量,m=ma+mz,ma為整備質量,mz為裝載質量;g為重力加速度;f為滾動阻力系數;α為道路坡度角;CD為空氣阻力系數;A為車輛迎風面積;δ為旋轉質量轉換系數;t為時間。

步驟2)獲取整車測試工況數據,將整車測試工況數據轉換為電機轉速、轉矩數據。

車速與電機轉速、轉矩的關系式如下：

式中：Nt為t時刻電驅系統轉速;Vt為t時刻車速;r為車輪滾動半徑;Tt為t時刻電驅系統轉矩;Vt+1為t+1時刻整車車速;Tk為電驅系統制動能量回收設定轉矩。

步驟3)獲取待測車型的動力電池參數,計算待測車型電池模擬器的模擬輸出狀態。后期可用電池模擬器模擬車載動力電池為被測電驅系統供電[8]。

不同的車型選擇的動力電池類型可能不同,針對待測車型確定其對應的動力電池參數(包括電池容量、輸出電壓、輸出電壓與電池荷電水平關系、最大放電電流)[9]。

動力電池參數電池模擬器模擬車載動力電池的輸出狀態,可通過以下公式確定：

式中：SOCt為t時刻電池模擬器荷電水平;U為電池模擬器輸出電壓;I為電池模擬器輸出電流;Ea為電池模擬器電能容量;f(SOCt)為實測動力電池放電時電壓變化規律;Imax為動力電池最大放電電流。

1.2 預瞄控制方法應用

根據當前時刻被測電驅系統的輸出狀態獲取的整車模型計算下一時刻的需求載荷,控制測功機模擬需求載荷輸出至被測電驅系統執行測試過程。

測控系統同時控制被測電驅系統輸出、測功機模擬相應載荷。測功機模擬的載荷為測控系統根據整車模型與被測電驅系統瞬時輸出狀態計算出的對應載荷,被測電驅系統瞬時輸出狀態包括當前轉速、轉矩。

采用預瞄控制方法,根據當前時刻被測電驅系統的輸出狀態、獲取的整車模型來計算下一時刻的需求載荷[10],計算公式如下：

式中：Nrt為t時刻測控系統給被測電驅系統發出指令的需求轉速值;Nt為被測電驅系統的當前(即t時刻)輸出轉速值;Trt為t時刻測控系統給被測電驅系統發出指令的需求轉矩值;Tt為被測電驅系統的當前(即t時刻)輸出轉距值。

1.3 獲取SOC閾值

獲取按照當前整車測試工況數據執行測試后電池模擬器的SOC值,當其小于設定的SOC閾值或者測試工況執行完畢時,停止測試。本文設定電池模擬器的SOC閾值為20%。

通過整車模型輸出車輛測試工況下對應的需求載荷,通過被測電機系統模擬執行該載荷在驅動系統上的施加,同時設置了電池模擬器來模擬實際的車載動力電池在車輛測試過程的供電狀態變化,可以實現多種車型的整車匹配性測試,減少了測試成本。采用預瞄控制算法,根據當前數據計算下一時刻的控制輸出數據,可以使測試過程持續進行。

2 模擬系統及應用驗證

2.1 模擬系統

一種模擬整車環境的電驅系統測試系統包括：聯合工況轉換計算模塊、測控系統、測功機系統、被測電驅系統、電池模擬器。其中測控系統分別與聯合工況轉換計算模塊、測功機系統、被測電驅系統和電池模擬器連接;被測電驅系統分別與測功機系統、電池模擬器連接。測試裝置框圖如圖2所示。

圖2 裝置框圖

1) 聯合工況轉換計算模塊。用于建立整車模型、計算整車測試工況數據、基于電池模擬器模擬車載動力電池的輸出狀態[11]。

2) 測控系統。根據聯合工況轉換計算模塊輸出的數據,控制測功機系統輸出測試載荷,控制電池模擬器為被測電驅系統供電[12],進行聯合工況測試：①電池模擬器用于模擬實際車載動力電池的輸出狀態[13],給被測電驅系統供電。②測功機系統包括依次連接的變頻柜、測功機和減速齒輪箱,用于實現電機對拖和模擬載荷。③被測電驅系統包括依次連接的電機控制器和驅動電機。驅動電機與減速齒輪箱通過傳動機構連接。

本文通過設置聯合工況轉換計算模塊、測控系統、測功機系統、被測電驅系統、電池模擬器,實現樣車制造前模擬整車環境并對驅動電機進行聯合工況測試,優化了新能源車輛的研發、設計流程,大大縮短了工程研發周期,降低了樣車制造的不合格率,減少了研發資金投入。

2.2 應用驗證

實際測試過程中,控制器發出需求轉矩/轉速指令到電機實際輸出,中間存在指令計算、指令傳輸、電機響應等造成的時間差,這會導致試驗過程相關實時數據曲線和給定工況數據曲線存在偏差。因為二者不在同一時間軸上,不利于通過刻度線實時查看真實偏差情況。預瞄是過濾中間時間,將中間時間后的需求指令提前發出,以提高給定曲線和實際曲線的時間貼合度,為精確分析提供保障。

如圖3所示,未加預瞄狀態的實際車速和需求車速因存在中間時間,跟隨性表現一般。添加預瞄后,可以看到實際車速和需求車速跟隨性表現較好,便于規避中間時間影響開展相關分析。

圖3 CCBC部分路譜加預瞄前后效果對比

3 結束語

本文提出了一種模擬整車環境的電驅系統測試方法,通過聯合工況對電驅動系統進行測試,采用模擬部件可以在樣車制造前對電驅系統與整車的匹配性及電驅系統性能進行驗證,縮短了新能源車輛的研發、設計周期,大幅降低了研發成本和樣車制造的不合格率。