劉刊 齊海波 牛阿慧 閆炳強(qiáng) 秦軍超

關(guān)鍵詞：汽車工程；C1電動教練車；電機(jī)模擬發(fā)動機(jī)；C1駕考；控制策略

中國每年約有3000萬人參加駕駛培訓(xùn)[1]，而教練車絕大多數(shù)仍是油車。較低的學(xué)員駕駛水平及駕考科目的要求，使得發(fā)動機(jī)頻繁啟動，長時間處于怠速、低擋位行駛，導(dǎo)致油耗高、污染重[2]，因此以節(jié)能減排為目標(biāo)的駕校電動化升級，是實現(xiàn)國家“雙碳”戰(zhàn)略的關(guān)鍵技術(shù)。

國外駕駛練習(xí)大多用私家車，駕培未形成規(guī)模，供參考的相關(guān)文獻(xiàn)較少[3]。國內(nèi)對電動教練車的研究可追溯到2005年，龐俊公開了一項專利“電動教練車”[4]。之后研究的高校有吉林大學(xué)、石家莊鐵道大學(xué)、長安大學(xué)、武漢科技大學(xué)等，研究范疇涉及對燃油教練車的電動化改制、動力電池與電機(jī)的參數(shù)化設(shè)計、電機(jī)控制器設(shè)計等，相關(guān)研究局限于理論和仿真，缺乏實車驗證[5]。而研究電動教練車的公司一般選擇與駕校合作，在燃油教練車上進(jìn)行改裝[6]，這種改制缺少主機(jī)廠的參與，無法上公告。

本文中C1/C2電動教練車指的是能練習(xí)或考試C1/C2駕照的汽車。雖然C2電動教練車技術(shù)已較成熟，但因C1駕照可駕駛C2車型，反之不可，當(dāng)前考C1駕照的學(xué)員占絕大多數(shù)，故對C1電動教練車的研究成為各大主機(jī)廠關(guān)注的技術(shù)焦點(diǎn)[7]，其技術(shù)方案可分為純模擬和半模擬兩種。純模擬是指去除發(fā)動機(jī)和多擋手動變速器，通過電機(jī)來模擬發(fā)動機(jī)和變速器的性能；半模擬是指車輛只去除發(fā)動機(jī)，通過控制電機(jī)的做功來模擬發(fā)動機(jī)的性能，通過電機(jī)轉(zhuǎn)速來適配多擋變速器的擋位狀態(tài)。其中北汽和比亞迪采用的是純模擬技術(shù)，該方案因無多擋變速器，故與駕考油車操控差異較大，會給學(xué)員練車與考試帶來心理壓力。采用半模擬的有東風(fēng)富康e愛麗舍和本文研究的委托奇瑞汽車定制生產(chǎn)的eQ2。東風(fēng)富康e愛麗舍因無應(yīng)用示范考點(diǎn)，故不能當(dāng)考試車；本文設(shè)計的教練車已協(xié)助建成兩家示范考點(diǎn)。

目前，C1電動教練車技術(shù)仍在探索中，產(chǎn)業(yè)界與學(xué)術(shù)界對此提出了很多的創(chuàng)新研究[8]，但對關(guān)鍵的電機(jī)模擬發(fā)動機(jī)操控的軟件技術(shù)研究十分有限。本文根據(jù)駕校實際需求，以C1電動教練車為研究對象，基于半模擬技術(shù)方案，設(shè)計并匹配了動力系統(tǒng)，構(gòu)建并驗證了電機(jī)模擬發(fā)動機(jī)的控制策略，開發(fā)并優(yōu)化了電機(jī)模擬發(fā)動機(jī)的軟件技術(shù)。

1C1電動教練車動力系統(tǒng)設(shè)計

1.1整車需求與架構(gòu)設(shè)計

本文負(fù)責(zé)動力傳動系統(tǒng)的參數(shù)化設(shè)計、選型，委托奇瑞汽車優(yōu)化了車輛底盤與車身結(jié)構(gòu)，整車基本需求如表1所示，圖1所示為本文采用的整車技術(shù)架構(gòu)。

1.2電機(jī)參數(shù)設(shè)計與選型

本文電動教練車的動力驅(qū)動裝置選用的是永磁同步電動機(jī)[9]，其動力性能需能完成科目二與科目三的所有項目。

其中：η是傳動效率，一般取經(jīng)驗值87%～92%；m是整車的滿載質(zhì)量；g是重力常數(shù)；f為路面滾動阻力因數(shù)，一般取經(jīng)驗值0.010～0.018；v是車輛行駛速度；α是坡道角度；A是車輛迎風(fēng)面積；CD是空氣阻力因數(shù)，一般取經(jīng)驗值0.28～0.4；δ是車輛旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的換算系數(shù)，一般取經(jīng)驗值1.1～1.4；dv/dt是車輛的加速度。

當(dāng)車以最高車速120km/h行駛時，一般認(rèn)為在平路行駛，即α=0，最高速度時dv/dt=0，代入式（1）可得電機(jī)的最大功率P1m

經(jīng)過對比分析，決定選擇奇瑞安川電驅(qū)動系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的Pe=41.8kw、Te=150Nm、Ue（額定電壓）=336V的電機(jī)作為本文電動教練車的驅(qū)動電機(jī)。

1.3動力電池參數(shù)設(shè)計與選型

本文中電動教練車使用的動力電池的布置設(shè)計由奇瑞汽車來完成，其根據(jù)駕校使用條件和性能需求，負(fù)責(zé)合理分配軸荷，確定動力電池的外形尺寸以及連接方式、設(shè)計散熱和溫度控制等[10]。

電機(jī)的電能由動力電池提供，故動力電池的額定電壓與電機(jī)的額定電壓需相等[11]，因此，本文選用的動力電池的額定電壓為336V。

電動汽車動力電池的能量W與其續(xù)航里程的關(guān)系為其中：P為車輛平均車速時的功率，在1.3～2.6kW；S為續(xù)航里程，130～200km；vpj為平均車速，在10～20km/h，經(jīng)計算動力電池的能量在16.9～26kWh。

駕校一輛教練車平均每天工作8～12h[12]，行駛130～200km，考慮到整車購置成本以及電池衰減20%后還能滿足一天的教學(xué)練車，本文電動教練車在新歐洲駕駛循環(huán)周期（newEuropeandrivingcycle，NEDC）工況下的設(shè)計續(xù)航是251km，設(shè)計能量為32.3kWh。

動力電池存儲的電量可用電池容量Q來表示，計算式為

其中：W為動力電池的能量，U為動力電池的電壓，Q為車輛以最快車速行駛時所需要的電池容量。

考慮到電池成本以及主機(jī)廠供應(yīng)商等因素，本文選用蕪湖奇達(dá)動力電池系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的U=336V的三元鋰電池。

計算得到動力電池參數(shù)：W=32.3kWh，Q=96.13Ah。

2電機(jī)模擬發(fā)動機(jī)的控制策略

2.1點(diǎn)火功能

本文設(shè)計的點(diǎn)火開關(guān)與燃油車一致，分為OFF、ACC、ON、START共4個位置，同時配有模擬發(fā)動機(jī)聲音的蜂鳴器。其中：OFF代表斷電“熄火”；ACC表示低壓電源通電，部分電器元件可工作，如收音機(jī)、儀表、車窗等；ON代表除電機(jī)外的電器設(shè)備都可正常工作[13]；START代表“點(diǎn)火”啟動電機(jī)，在控制器的控制下電機(jī)開始空轉(zhuǎn)。

本文設(shè)計的點(diǎn)火功能的模擬控制策略框圖如圖2所示。

“點(diǎn)火”時狀態(tài)如下：1）應(yīng)處于空擋，點(diǎn)火開關(guān)打到START位置隨即自動彈回到ON位置；2）電機(jī)以及其控制器溫度需在規(guī)定范圍內(nèi)；3）電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到1000～1100r/min，之后慢慢下降；4）電機(jī)控制器會驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出聲音來模擬發(fā)動機(jī)的啟動聲音，且蜂鳴器的聲音會根據(jù)發(fā)動機(jī)的真實啟動情況實時發(fā)生變化。

2.2怠速功能的模擬控制策略

怠速是指不踩離合器踏板和加速踏板，且變速器不掛擋（空擋）時，電機(jī)無負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)。

怠速工況下電機(jī)轉(zhuǎn)速維持在700～800r/min，電機(jī)控制器根據(jù)油門踏板以及車速信號來確定當(dāng)前狀態(tài)是否為怠速工況；確定了怠速工況后，控制器根據(jù)接收到的電機(jī)溫度、A/C開關(guān)以及空擋開關(guān)信號來查表確定電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，之后將其與電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果來調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速。電動教練車怠速功能的模擬控制策略如下圖3所示。

2.3起步功能的模擬控制策略

電動教練車的起步需要與手動擋燃油車保持一致，起步分平路起步和半坡起步。平路起步的步驟是踩離合、掛1擋、慢松離合至起步完成；半坡起步的步驟是踩離合、掛1擋、慢松離合至車輛抖動時一邊松手剎一邊輕踩油門至起步完成。

電機(jī)控制器根據(jù)接收到的擋位、離合器踏板[14]以及坡度信號來查表確定電機(jī)的目標(biāo)扭矩，之后將其與電機(jī)的實際扭矩進(jìn)行比較得出扭矩差值，再根據(jù)油門踏板以及制動踏板信號對實際扭矩進(jìn)行修正，直到實際扭矩與目標(biāo)扭矩一致。起步功能的模擬控制策略如下圖4所示。

平路起步時，慢松離合器，電機(jī)的轉(zhuǎn)速需略有下降，起步要平穩(wěn)，避免起步時電流過大而瞬間竄出；如果離合器松的過快，會導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速下降很大，控制器命令電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，模擬發(fā)動機(jī)熄火。

半坡起步時，需等到車輛開始輕微抖動才逐漸松開手剎，手剎松的過晚電機(jī)需模擬發(fā)動機(jī)的抖動以及停轉(zhuǎn)來模擬發(fā)動機(jī)的熄火。

2.4行駛功能的模擬控制策略

從圖5中可知，傳統(tǒng)燃油發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與節(jié)氣門開度不是線性關(guān)系，行駛前汽車是怠速。剛開始加速（節(jié)氣門開度小于10%）時，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化不大；當(dāng)節(jié)氣門開度大于50%時，發(fā)動機(jī)接近最高轉(zhuǎn)速；節(jié)氣門開度在10%～50%之間時，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化很大。

本文電動教練車的加速踏板開度應(yīng)與電機(jī)控制器輸出的PWM波有一定對應(yīng)關(guān)系（隨動）。為使電機(jī)的轉(zhuǎn)速與燃油發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速相似，在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速—節(jié)氣門開度的關(guān)系中擬合一條電機(jī)轉(zhuǎn)速—加速踏板開度之間的曲線關(guān)系。

3電機(jī)模擬發(fā)動機(jī)控制策略的軟件實現(xiàn)

3.1電機(jī)控制器的通信方式

本文的電機(jī)控制器采用CAN總線與整車通信，如圖6所示。

電機(jī)控制器從總線上接收到的信號主要有點(diǎn)火開關(guān)位置、離合器位置以及擋位信號等。電機(jī)控制器發(fā)送到總線上的信號主要有油門踏板位置、電機(jī)溫度、電機(jī)控制器溫度以及電機(jī)電流信號等。發(fā)送的信號都是周期信號，周期為20ms，字節(jié)格式采用Motorola格式。

3.2軟件開發(fā)

傳統(tǒng)的手工編程很難應(yīng)對多達(dá)數(shù)千行的電機(jī)控制代碼，會拉長開發(fā)周期，增加開發(fā)成本，且難以保證軟件的可靠性，已不能適應(yīng)軟件開發(fā)的要求[15]。

本文采用軟件開發(fā)V流程，如圖7所示，有效提高了軟件算法的可靠性，縮短了開發(fā)時間[16]。

3.2.1模型搭建

本文選用MATLAB/Simulink進(jìn)行模型開發(fā)，電機(jī)控制算法選用基于滑?？刂频闹苯愚D(zhuǎn)矩控制算法，該算法有很好的動態(tài)性能和抗干擾能力[17]，以經(jīng)典的基于滑?？刂频闹苯愚D(zhuǎn)矩控制算法為原型算法，在其基礎(chǔ)上添加了磁鏈估計和轉(zhuǎn)矩估計，用基于滑模控制的磁鏈與轉(zhuǎn)矩控制器來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的滯環(huán)控制器，再結(jié)合兩電平空間矢量調(diào)制，可使得轉(zhuǎn)矩波動幅度更小，改進(jìn)后的滑模控制直接轉(zhuǎn)矩控制算法如圖8所示。

3.2.2快速控制原型

本文中快速控制原型的硬件工具采用dSPACE公司MicroAutoBOxII1511，通過實時接口（realtimeinterface，RTI）實現(xiàn)1511與MATLAB/Simulink連接；通用模塊化實驗軟件采用dSPACE公司的ControlDesk，它具有控制模型實時仿真與算法在線修正的功能，實現(xiàn)了電機(jī)模擬發(fā)動機(jī)軟件的快速開發(fā)[18]。

電機(jī)模擬發(fā)動機(jī)軟件算法的仿真，只需保留搭建的Simulink控制模型（圖9灰色框圖），用實時接口（RTI）模塊（圖9綠色框圖）替換原來的I/O接口[19]即可，如圖9所示。

3.2.3自動代碼生成

本文采用的自動代碼生成工具是dSPACE公司的TargetLink，它可從MATLAB?/Simulink?模型自動生成產(chǎn)品級的代碼[20]，支持AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.4硬件在環(huán)測試

軟件算法離線仿真和在線測試驗證后，需進(jìn)行半實物硬件在環(huán)仿真，硬件設(shè)備由HPZBook工作站、上位機(jī)軟件ControlDesk、快速控制原型MicroAutoBOxII、電機(jī)驅(qū)動器以及永磁同步電機(jī)、位置/轉(zhuǎn)速傳感器、示波器等組成，如圖10所示。

ControlDesk運(yùn)行在HPZBook上，通過RTI連接并將模型算法下載到MicroAutoBOxII1511中，用ControlDesk來實時監(jiān)控軟件的運(yùn)行；1511給電機(jī)驅(qū)動器發(fā)送PWM控制信號，同時收到電機(jī)驅(qū)動器反饋的溫度、電流、故障、電壓以及電機(jī)反饋的轉(zhuǎn)速和扭矩等信號，整個過程驅(qū)動器的供電由動力電池提供高壓直流電，逆變器將其變成三相交流電來驅(qū)動電機(jī)。

3.2.5在線標(biāo)定

借助硬件在環(huán)試驗環(huán)境，使用ControlDesk可實時監(jiān)控電機(jī)模擬發(fā)動機(jī)的軟件運(yùn)行，并可在線修改和標(biāo)定參數(shù)，通過繪制的曲線和記錄的仿真數(shù)據(jù)可對軟件進(jìn)行優(yōu)化[21]。

4測試驗證

4.1整車系統(tǒng)與采集設(shè)備

基于圖1的整車架構(gòu)，設(shè)計的C1電動教練車由奇瑞定制生產(chǎn)。

整車運(yùn)行數(shù)據(jù)采集設(shè)備如圖11所示，硬件設(shè)備是ValueCAN4、配套軟件是VehicleSpy3，該采集設(shè)備由美國英特佩斯公司生產(chǎn)，通過DB9toOBDII轉(zhuǎn)接線，一端與教練車相連，一端與電腦相連，可實時記錄車速、發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速等信息，在一定的采集樣本條件下測量誤差小于0.2%。

4.2C1科目二與科目三路測試驗

本文設(shè)計的C1電動教練車在石家莊某駕?？荚噲鐾瓿闪丝颇慷c科目三的試驗，主要項目為怠速、半坡起步、直角與S彎，側(cè)方停車與倒車入庫以及科目三的路考試驗。

4.2.1怠速試驗

燃油教練車在啟動發(fā)動機(jī)時由于異步噴油會使得發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在很短時間內(nèi)上升到1100～1400r/min，研究的電機(jī)模擬發(fā)動機(jī)控制策略要求與燃油車一致，從圖12中可以看出：0～2s內(nèi)本策略與燃油發(fā)動機(jī)的增長趨勢一致，電機(jī)最高轉(zhuǎn)速低于發(fā)動機(jī)100～200r/min，這樣設(shè)計可節(jié)省怠速階段的能耗；2～300s內(nèi)發(fā)動機(jī)由于冷卻液溫度原因其轉(zhuǎn)速先緩降再陡降，而電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子無摩擦，無需暖機(jī)，故電機(jī)轉(zhuǎn)速是接近線性下降的；60s后逐漸趨于怠速穩(wěn)定狀態(tài)。本文提出的控制策略成功模擬了發(fā)動機(jī)的性能，能完成車輛的啟動與怠速項目，在滿足教練車的怠速要求的前提下，還保證了能耗最低。

4.2.2半坡起步試驗

在半坡起步項目中要求教練車能在坡度≥10%且坡長≥30m的坡道上完成起步，本文C1電動教練車可在坡度15%且坡長35m的坡道上定點(diǎn)停車和再次起步。從圖13可看出，起步過程電機(jī)轉(zhuǎn)速與車速上升速度都比發(fā)動機(jī)要快且車輛加速穩(wěn)定、無明顯抖動，說明本文設(shè)計的控制策略可以滿足教練車的起步要求，能完成車輛的半坡起步項目。

4.2.3直角與S彎試驗

在S彎與直角項目中要求教練車可蠕行前進(jìn)且不熄火，從圖14可看出，使用本文控制策略的電動教練車在整個S彎與直角項目測試過程中車速變化趨勢與燃油教練車一致，車輛操控穩(wěn)定性明顯優(yōu)于燃油教練車且車速變化幅度更小，車輛不容易熄火，有利于新手學(xué)員練車。

4.2.4側(cè)方停車與倒車入庫試驗

在側(cè)方停車和倒車入庫項目中要求教練車可倒向行駛，從圖15可看出，使用本文控制策略的電動教練車在側(cè)方停車與倒車入庫項目測試過程中車速變化幅度更小，無明顯抖動，與燃油教練車操控體驗是一致的。

4.2.5科目三的快速直線行駛試驗

快速直線行駛試驗時，先平路起步，通過加減擋，掛到5擋后行駛，加速踏板開度初始值是0%，15s后加速踏板開度增加至100%，35s的采集時間內(nèi)電動教練車車速變化范圍為30.6～120km/h，燃油教練車車速變化范圍為26～128km/h。

從圖16可看出，本文設(shè)計的控制策略使得電機(jī)的加速比發(fā)動機(jī)快，與燃油教練車的車速變化趨勢一致，表明本文設(shè)計的電機(jī)控制策略可實現(xiàn)對燃油教練車變速功能的模擬。

4結(jié)論

針對駕校教練車電動化升級需求，面向C1駕考平臺，圍繞電機(jī)實現(xiàn)發(fā)動機(jī)操控體驗的使用目標(biāo)，設(shè)計了C1電動教練車動力系統(tǒng)，探索了電機(jī)模擬發(fā)動機(jī)操控的控制策略，基于軟件開發(fā)的V模式，探索并實現(xiàn)了電機(jī)模擬發(fā)動機(jī)的軟件算法。

基于改進(jìn)后的電機(jī)控制策略軟件模型和改進(jìn)后的基于滑?？刂频闹苯愚D(zhuǎn)矩控制算法，進(jìn)行了仿真與標(biāo)定；將設(shè)計的動力系統(tǒng)與控制策略軟件裝載到奇瑞凱翼車上，在石家莊某駕校對其進(jìn)行了與燃油教練車的對比試驗，結(jié)果表明通過分析與燃油教練車的對比試驗數(shù)據(jù)，本研究中設(shè)計的控制策略成功模擬了發(fā)動機(jī)的性能；怠速時電機(jī)轉(zhuǎn)速與車速上升速度都比發(fā)動機(jī)要快，但電機(jī)最高轉(zhuǎn)速比發(fā)動機(jī)低100～200r/min，節(jié)省了能耗；起步時車輛加速穩(wěn)定、無明顯抖動，轉(zhuǎn)速上電機(jī)比發(fā)動機(jī)快0.5s，提高了動力性能；直角、S彎、側(cè)方停車、倒車入庫以及科三項目時，車輛操控穩(wěn)定性明顯優(yōu)于燃油教練車且車速變化幅度更小，與燃油教練車的操控體驗基本一致，能較好地實現(xiàn)實車量產(chǎn)和批量應(yīng)用。試驗結(jié)果驗證了本文設(shè)計的動力系統(tǒng)及其控制策略的技術(shù)可行性，對今后C1電動教練車的研發(fā)具有指導(dǎo)性的意義。