高松，唐鵬，孫賓賓，趙海蘭，武哲

雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

高松，唐鵬，孫賓賓，趙海蘭，武哲

(山東理工大學(xué)交通與車輛工程學(xué)院，山東淄博255049)

為了滿足雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車動(dòng)力系統(tǒng)開發(fā)與測(cè)試的需求，搭建了基于實(shí)時(shí)控制器的試驗(yàn)平臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)。依據(jù)動(dòng)力系統(tǒng)測(cè)試功能的需求，對(duì)平臺(tái)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。基于LabVIEW軟件開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了平臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)軟件，并開發(fā)了可實(shí)現(xiàn)控制部件間控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)通信的平臺(tái)通信系統(tǒng)。分析了電機(jī)特性參數(shù)和轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)對(duì)雙電機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)功耗的影響規(guī)律，驗(yàn)證了電力測(cè)功機(jī)道路負(fù)載模擬功能。測(cè)試結(jié)果表明:所設(shè)計(jì)的雙電機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)能進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)部件特性參數(shù)試驗(yàn)、轉(zhuǎn)矩分配試驗(yàn)和道路模擬試驗(yàn)，滿足雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車動(dòng)力系統(tǒng)開發(fā)與測(cè)試要求。

雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車;試驗(yàn)平臺(tái);動(dòng)力系統(tǒng);測(cè)控系統(tǒng)

0 引言

面對(duì)能源危機(jī)和環(huán)境污染雙重壓力，發(fā)展電動(dòng)汽車已成為中國(guó)汽車工業(yè)轉(zhuǎn)型的主要戰(zhàn)略方向，被列為國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)［1－2］。在動(dòng)力電池等核心技術(shù)獲得突破前，動(dòng)力系統(tǒng)的研發(fā)是提高電動(dòng)汽車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的重要手段［3］。雙電機(jī)四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車由于具有良好的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及行駛穩(wěn)定性等優(yōu)勢(shì)［4］，已成為電動(dòng)汽車技術(shù)領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一。

在雙電機(jī)四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車動(dòng)力系統(tǒng)開發(fā)過程中，臺(tái)架測(cè)試是驗(yàn)證仿真模型及控制策略可靠性的重要技術(shù)手段［5］。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在雙電機(jī)四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車動(dòng)力系統(tǒng)方面進(jìn)行了相關(guān)研究，并取得了一定成果，如文獻(xiàn)［6－7］研究了雙電機(jī)四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車的動(dòng)力性優(yōu)化與穩(wěn)定性控制，涉及理論分析與實(shí)車驗(yàn)證。但針對(duì)整車經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化所涉及的動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配、轉(zhuǎn)矩優(yōu)化分配等方面的研究，仍集中在仿真計(jì)算層面，缺乏試驗(yàn)驗(yàn)證［8－9］。因此，開發(fā)出滿足雙電機(jī)四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車動(dòng)力系統(tǒng)測(cè)試需求的試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)雙電機(jī)四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車關(guān)鍵問題的研究具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

本文依據(jù)雙電機(jī)電動(dòng)車動(dòng)力系統(tǒng)測(cè)試功能需求，基于LabVIEW軟件開發(fā)平臺(tái)［10］，設(shè)計(jì)了適用于雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案的平臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)，并對(duì)平臺(tái)功能進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 試驗(yàn)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

依據(jù)雙電機(jī)四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車動(dòng)力系統(tǒng)開發(fā)過程中的測(cè)試功能要求，設(shè)計(jì)了雙電機(jī)系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，主要包括電源系統(tǒng)、主控制系統(tǒng)、動(dòng)力加載系統(tǒng)和被測(cè)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，如圖1所示。電源系統(tǒng)既可以供應(yīng)整個(gè)臺(tái)架的電力需求，又可以通過泄放電阻消耗多余的電能，保護(hù)被測(cè)電機(jī)控制器不受損壞。主控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)和實(shí)時(shí)控制器構(gòu)成，用于向電力測(cè)功機(jī)及被測(cè)電機(jī)發(fā)出控制指令，采集并處理各部件狀態(tài)信息。動(dòng)力加載系統(tǒng)主要由交流異步電機(jī)及變頻器構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)主動(dòng)加載和被動(dòng)加載。被測(cè)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)主要由被測(cè)電機(jī)及雙輸入單輸出齒輪箱構(gòu)成，通過被測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制，可實(shí)現(xiàn)單電機(jī)驅(qū)動(dòng)及雙電機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)模式。

2 測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。傳感器將電機(jī)溫度、泵油壓力等原始物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。部分電信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理設(shè)備進(jìn)行濾波、放大、隔離等處理后送達(dá)數(shù)據(jù)采集設(shè)備，不需調(diào)理的電信號(hào)可直接傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集設(shè)備。數(shù)據(jù)采集設(shè)備采用美國(guó)國(guó)家儀器(national instruments，NI)有限公司的PCI-6221型數(shù)據(jù)采集卡和PCI-8512/2型雙端口高速控制器局域網(wǎng)絡(luò)(controller area network，CAN)接口卡，將模擬的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可識(shí)別的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，通過外部設(shè)備互連(peripheral component interconnect，PCI)總線傳送給工控機(jī)進(jìn)行處理，也可將工控機(jī)編寫的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)輸出。

2.2 測(cè)控系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

對(duì)于測(cè)控系統(tǒng)上位機(jī)而言，良好的人機(jī)界面可有效減少測(cè)試成本。本文基于LabVIEW軟件開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了測(cè)控系統(tǒng)上位機(jī)人機(jī)界面。該測(cè)控平臺(tái)能夠監(jiān)控被測(cè)電機(jī)、電力測(cè)功機(jī)、主軸轉(zhuǎn)矩傳感器的工作狀態(tài)，采集關(guān)鍵部件信息參數(shù)。圖3為數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控界面示意圖。所設(shè)計(jì)的上位機(jī)軟件系統(tǒng)，能夠監(jiān)控、采集大功率直流電源的輸出電壓和電流，用于計(jì)算動(dòng)力系統(tǒng)的總輸入功率。通過監(jiān)控、采集主軸轉(zhuǎn)矩傳感器轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，可計(jì)算被測(cè)動(dòng)力系統(tǒng)輸出功率;通過監(jiān)控、采集被測(cè)電機(jī)1和被測(cè)電機(jī)2的狀態(tài)信息，能夠分析被測(cè)電機(jī)運(yùn)行特征規(guī)律。

圖1 雙電機(jī)系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)

圖2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)圖

圖3 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控界面示意圖

基于上位機(jī)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)控制模式的選擇，各控制模式可向電力測(cè)功機(jī)及被測(cè)電機(jī)控制器發(fā)出控制指令。圖4為系統(tǒng)控制界面示意圖。所設(shè)計(jì)的測(cè)試平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速模式(N/P)、轉(zhuǎn)矩模式(M/P)、道路阻力模式(RG/P)和負(fù)載跟隨模式(RG/V)控制。其中，對(duì)于轉(zhuǎn)速模式，電力測(cè)功機(jī)運(yùn)行于轉(zhuǎn)速控制，被測(cè)電機(jī)運(yùn)行于轉(zhuǎn)矩控制;轉(zhuǎn)矩模式下，被測(cè)電機(jī)運(yùn)行于轉(zhuǎn)矩控制模式;道路阻力模式用于模擬車輛道路阻力;負(fù)載跟隨模式基于設(shè)定的坡度和速度，計(jì)算出需要傳給測(cè)功機(jī)的扭矩。

此外，為了拓展平臺(tái)測(cè)試功能，本文在上位機(jī)軟件中設(shè)計(jì)了車輛參數(shù)設(shè)置模塊，用于模擬不同車型參數(shù)下道路阻力特征規(guī)律。通過上位機(jī)輸入模擬車型基本參數(shù)，下位機(jī)(實(shí)時(shí)控制器)可實(shí)時(shí)計(jì)算不同狀態(tài)下電力測(cè)功機(jī)被動(dòng)加載值。

圖4 系統(tǒng)控制界面示意圖

2.3 測(cè)控系統(tǒng)下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

測(cè)控系統(tǒng)下位機(jī)會(huì)依據(jù)上位機(jī)中控制模式的選擇，運(yùn)行不同的子模塊。以道路阻力計(jì)算模塊為例，首先，下位機(jī)會(huì)依據(jù)上位機(jī)設(shè)置的油門開度向被測(cè)電機(jī)發(fā)出轉(zhuǎn)矩控制指令，被測(cè)電機(jī)拖動(dòng)電力測(cè)功機(jī)運(yùn)行;此后，下位機(jī)依據(jù)主軸轉(zhuǎn)矩傳感器信號(hào)，結(jié)合上位機(jī)所設(shè)定的整車特征參數(shù)，計(jì)算電力測(cè)功機(jī)需要輸出的阻力矩，用于模擬車輛行駛阻力。

3 雙電機(jī)系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)搭建及應(yīng)用

依據(jù)上述設(shè)計(jì)方法，搭建了雙電機(jī)系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)。基于該試驗(yàn)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)被測(cè)電機(jī)特性參數(shù)測(cè)試、雙電機(jī)轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)對(duì)系統(tǒng)功耗影響規(guī)律測(cè)試及道路負(fù)載模擬測(cè)試。

3.1 被測(cè)電機(jī)特性參數(shù)測(cè)試

3.1.1 被測(cè)電機(jī)拖轉(zhuǎn)阻力測(cè)試

對(duì)于雙電機(jī)四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車而言，當(dāng)車輛運(yùn)行于單電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式時(shí)，非工作電機(jī)會(huì)被整車拖轉(zhuǎn)運(yùn)行，其所產(chǎn)生的拖轉(zhuǎn)損耗會(huì)對(duì)整車能量利用效率造成負(fù)面影響。因此，制定轉(zhuǎn)矩分配策略時(shí)，需考慮非工作電機(jī)拖轉(zhuǎn)損耗問題。圖5為電機(jī)拖轉(zhuǎn)特性圖。電力測(cè)功機(jī)運(yùn)行于轉(zhuǎn)速控制模式，通過主動(dòng)加載，拖轉(zhuǎn)被測(cè)電機(jī)運(yùn)行于不同的設(shè)定轉(zhuǎn)速。由圖5可看出:對(duì)于被測(cè)的交流異步電機(jī)而言，處于拖轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生拖轉(zhuǎn)扭矩，且隨轉(zhuǎn)速的升高，被測(cè)電機(jī)的拖轉(zhuǎn)扭矩逐漸增大，即非工作電機(jī)的拖轉(zhuǎn)阻力隨拖轉(zhuǎn)速度的升高逐漸增大。

圖5 電機(jī)拖轉(zhuǎn)特性

圖6 測(cè)試工況點(diǎn)陣分布

3.1.2 被測(cè)電機(jī)功耗特征規(guī)律測(cè)試

對(duì)于雙電機(jī)四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車而言，制定轉(zhuǎn)矩分配策略時(shí)，被測(cè)電機(jī)功耗模型是必不可少的參考依據(jù)。由于被測(cè)電機(jī)功耗主要受電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及工作溫度影響，因此，設(shè)計(jì)了如圖6所示的測(cè)試工況點(diǎn)陣分布。電機(jī)溫度取40～70℃，水平間隔為10℃。測(cè)試時(shí)，電力測(cè)功機(jī)運(yùn)行于恒轉(zhuǎn)速控制模式，被測(cè)電機(jī)運(yùn)行于轉(zhuǎn)矩控制模式，依據(jù)測(cè)控系統(tǒng)上位機(jī)所保存的部件狀態(tài)信息，可計(jì)算電機(jī)功耗。依據(jù)各測(cè)試工況點(diǎn)的測(cè)試功耗，本文建立了如式(1)所示的電機(jī)功耗預(yù)測(cè)模型。該模型可為轉(zhuǎn)矩分配策略的制定提供重要的參考依據(jù)。

其中:n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，r·min－1;T為電機(jī)轉(zhuǎn)矩，N·m;t為溫度，℃。

為論證上述響應(yīng)面數(shù)學(xué)模型的適應(yīng)性和精確性，依據(jù)式(2)對(duì)其預(yù)測(cè)能力進(jìn)行了評(píng)估:

其中:R2為模型相關(guān)系數(shù)，越接近1越好;Edisk為試驗(yàn)?zāi)芎模琖;為回歸能耗，W;為樣本平均能耗，W;SSE為E與E^的離差平方和;SST為E與的離差平方和。

diskdiskdisk

計(jì)算結(jié)果表明:模型相關(guān)系數(shù)R2=0.999 87，學(xué)生化殘差為－4～+4，模型具有很高的預(yù)測(cè)精度，可作為兩擋速比參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的參考數(shù)學(xué)模型。

3.2 轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)對(duì)系統(tǒng)功耗影響規(guī)律測(cè)試

通過測(cè)試不同轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)下雙電機(jī)系統(tǒng)功耗特征規(guī)律，可歸納雙電機(jī)最優(yōu)轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)。在工況點(diǎn)Td=80 N·m、轉(zhuǎn)速n=1 000 r·min－1、不同溫度組合下，雙電機(jī)系統(tǒng)功耗與轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)特征規(guī)律如圖7所示。圖7a為基于50℃，溫度為50～80℃、轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)0.2～0.8的實(shí)測(cè)系統(tǒng)功耗。圖7b為基于60℃，溫度為60～80℃、轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)0.2～0.8的實(shí)測(cè)系統(tǒng)功耗。由圖7a和圖7b可知:被測(cè)工況點(diǎn)下，最優(yōu)轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)為0.50～0.55。

圖7 Td=80 N·m、n=1 000 r·min－1雙電機(jī)系統(tǒng)功耗與轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)特征規(guī)律

3.3 道路負(fù)載模擬測(cè)試

通過道路負(fù)載模擬，可在平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)車道路模擬試驗(yàn)。圖8為道路負(fù)載模擬試驗(yàn)圖。電機(jī)油門開度0%～60%，步長(zhǎng)為5%，測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)速經(jīng)換算對(duì)應(yīng)于實(shí)際車速。由圖8可看出:給定電機(jī)一個(gè)油門開度，測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)速隨之升高，待計(jì)算的模擬阻力等于驅(qū)動(dòng)力時(shí)，測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)速趨于穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)道路模擬。

圖8 道路負(fù)載模擬試驗(yàn)

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了可用于雙電機(jī)四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車動(dòng)力系統(tǒng)性能測(cè)試的雙電機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)。包括平臺(tái)電源系統(tǒng)、主控制系統(tǒng)、動(dòng)力加載系統(tǒng)和被測(cè)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，并基于LabVIEW設(shè)計(jì)了平臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)。通過測(cè)試電機(jī)特性參數(shù)和給定工況下雙電機(jī)轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)，分析了對(duì)雙電機(jī)系統(tǒng)功耗的影響規(guī)律，指出在特定工況點(diǎn)下最優(yōu)轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)為0.50～0.55，為雙電機(jī)轉(zhuǎn)矩優(yōu)化分配策略的制定提供了參考依據(jù)?；跍y(cè)試平臺(tái)動(dòng)態(tài)道路負(fù)載模擬模式，可實(shí)現(xiàn)車輛道路工況模擬，為整車經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化提供了參考依據(jù)。

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U469.72

A

1672－6871(2017)05－0020－05

10.15926/j.cnki.issn1672－6871.2017.05.005

山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(ZR2015EM054);山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃基金項(xiàng)目(2015GGX105009)

高松(1965－)，男，山東淄博人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)殡妱?dòng)車輛能源動(dòng)力系統(tǒng)匹配理論與控制技術(shù)、智能車輛與智能交通系統(tǒng).

2016－12－05