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，平臺響應時間快，測得數據同理論結果相比，實驗結果均在允許的誤差范圍之內，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以及近些年來國內出現(xiàn)的越來越多霧霾天，人們對新能源的關注也愈發(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，國內外對電動汽車路況模擬平臺設計研究更加深入，設計測試平臺操作起來更簡單、精確、環(huán)保[3-5]；電動汽車驅動系統(tǒng)做為評價電動汽車性能[6-8]優(yōu)劣重要標準之一，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動系統(tǒng)性能平臺，搭建的測試平臺給檢測電機驅動性能、能量再生制動回收策略[10-11]提供了很好驗證方式，模擬運行的實驗數據也給研發(fā)人員優(yōu)化設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動電機帶動其發(fā)電運行時還能將能量回饋到電網中，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，不僅能夠實現(xiàn)實時準確地給驅動電機加載，還能控制其作為電動機帶動驅動電機發(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電動汽車驅動系統(tǒng)動力學模型分析

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量產生的阻礙加速慣性力Fj[13]。

汽車道路行駛時，所提供的驅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計

道路工況模擬測試平臺硬件結構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)、上位機通訊與數據采集控制系統(tǒng)。

根據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。

被測電機即驅動電機控制器采用直流輸入交流輸出模式驅動電機運轉，其內部功率變換器[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變成數字信號傳到DSP處理單元，然后處理器發(fā)出驅動信號驅動功率管通斷；控制器實現(xiàn)控制方式有恒轉速、恒轉矩、恒功率輸出模式。其具體相關參數如表1。

測功機是一種電力測功機，實驗室選用直流調速控制裝置實現(xiàn)測功機一系列調控，其內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?？刂破骺刂茖崿F(xiàn)方式有恒轉速、恒轉矩、恒功率輸出模式。配合驅動電機控制模式可以測試不同情況下驅動電機性能。其具體參數如表1。

此外還有數據采集卡、轉速轉矩傳感器、RS232串口通信線，USBTOCAN數據轉換器，研華工控機，數字顯示與電源開關操作柜，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、汽車車速與電機轉速轉換方程，計算出每時刻汽車車速對應的電機轉速[16]以及每時刻測功機應當給驅動電機加載的阻轉矩，然后上位機以時間為基準同時分別給兩個控制器發(fā)送轉速、轉矩命令，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置相同，上位機測試界面既可以定點設置測定驅動電機運動狀態(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果分析

4.1電動汽車爬坡能力模擬測試

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

坡路是汽車行駛過程中常見路況，汽車應具有一定爬坡能力，隨著坡路角增大汽車所承受坡道阻力也就越大，設置電機轉速970r/min，對應汽車車速8.9km/h，以此來測試汽車穩(wěn)速爬不同坡度路況能力。依據平臺選定驅動電機額定輸出轉矩14N·m，能夠模擬坡度從 0到12%（約6.7o），相應加載阻力從1.5N·m到13.2N·m，測功機設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。測得實驗數據及參數變化曲線如圖5、6所示：

圖5中可以看出，電機轉速基本穩(wěn)定沒有太大波動，隨著加載阻力增大，被測電機輸入電流、輸出轉矩隨著同趨勢增大變化，加載最大轉矩大概對應模擬坡度14%，選用輸出轉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、風阻等阻力外，還要克服本身車重所產生慣性力即加速阻力mdvdt，為了確保汽車速度連續(xù)性，在確定時間內選取盡量多測試點，32s（熱身時間7s）內由8.3km/h增大到17.5km/h，基本上是1.5s對應一個速度點，對應轉速由900r/min加到1900r/min，根據式（6）汽車運動方程算出所受阻力由3.8N·m增到5.4N·m。測得參數變化曲線如圖7所示：

按照設定點模擬汽車從8.3km/h加大到17.5km/h，加速過程中汽車會相應輸出比阻力大的驅動力去實現(xiàn)汽車加速；圖5可以看出加速時候驅動電機轉矩、轉速、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續(xù)航里程關鍵，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準減速路況模擬，依照路況設定電機轉速由2956.0r/min（對應車速27.2km/h）下降到151.8r/min（對應車速1.4km/h），中間對應24個采集點，每隔5s記錄一個點相關參數信息。測得參數曲線如圖8所示：

由測功機拖動驅動電機減速轉動模擬汽車減速，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，伴隨轉速下降，電機輸出回饋給電池的電流、功率相應減小。

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)兩個點設為反向加載運行。開始時正向啟動驅動電機，測功機給驅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（拖動驅動電機發(fā)電運行），反向拖動驅動電機運行時驅動電機自動進入制動狀態(tài)，測功機拖動電機運轉，直至達到穩(wěn)速運行。測得參數曲線如圖9、10所示：

曲線坐標由于軟件設置問題沒有負值，所以圖中看不出參數正負變化，為了更好看出反向加載時運行狀態(tài)，連續(xù)兩個點設為反向加載運行，圖9中反向加載轉矩連續(xù)兩個點是一直線，從電池電壓變化曲線也可以看出，每當負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，驅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。

5結論

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動電機響應時間同傳統(tǒng)測試平臺相比提升20%左右，并且控制也很精確，能夠實現(xiàn)驅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計，能源綜合利用率[19-20]也能達到80%以上。測試實驗結果因受到各方面因素影響同理論結果比較雖有一定誤差，但都在允許誤差范圍之內，達到整個測試要求的標準，測試結果也為后續(xù)研發(fā)人員優(yōu)化設計方案提供了一定的依據。

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（編輯：王萍）