純電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)臺(tái)架開發(fā)

孫海龍 顧力強(qiáng)

（上海交通大學(xué)，上海200240）

童曉敏

（上海機(jī)動(dòng)車檢測中心，上海201805）

前言：由于能源危機(jī)的深入和環(huán)境的不斷惡化，電動(dòng)汽車的迎來了新一輪的快速發(fā)展。電動(dòng)汽車包括蓄電池/純電動(dòng)汽車（EV），混合動(dòng)力汽車（HEV）以及燃料電池汽車［1］，其核心技術(shù)包括電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，能量源和能量管理系統(tǒng)。相比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車，純電動(dòng)汽車具有零排放、噪聲低、運(yùn)行成本低、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、維修方便［2］等特點(diǎn)，獲得了各國政府、研究機(jī)構(gòu)和汽車企業(yè)的廣泛關(guān)注。

電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在電動(dòng)汽車（EV）和混合動(dòng)力汽車（HEV）中占有非常重要的地位，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能的優(yōu)劣以及與整車的匹配性，對(duì)于整車的開發(fā)有重要的意義。純軟件的仿真不能真實(shí)反映汽車的狀態(tài)，而試驗(yàn)臺(tái)開發(fā)可以實(shí)時(shí)有效地對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行性能和匹配性測試，對(duì)控制策略進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，在電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的開發(fā)中具有不可替代的作用。

建立電動(dòng)汽車的實(shí)時(shí)仿真模型，并根據(jù)模型對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和交流測功機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，模擬電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在實(shí)際路況中的運(yùn)行狀態(tài)，可以有效地測試和驗(yàn)證電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力性，效率等性能。并且可以降低開發(fā)成本，減少開發(fā)周期。

本文將利用Matlab/Simulink 和Labview/VeriStand建立電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件實(shí)時(shí)仿真試驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)，研究內(nèi)容涉及構(gòu)建電動(dòng)汽車模型，進(jìn)行虛擬臺(tái)架的測試以及對(duì)實(shí)際測功機(jī)臺(tái)架的實(shí)時(shí)控制。

1 仿真試驗(yàn)臺(tái)架構(gòu)建

1.1 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的硬件在環(huán)測試平臺(tái)

對(duì)于電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的測試研究，主要包括對(duì)電機(jī)控制算法控制策略的研究，對(duì)電機(jī)性能的測試，對(duì)電驅(qū)動(dòng)動(dòng)力總成性能的測試。本文所建立的針對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的硬件在環(huán)測試平臺(tái)為機(jī)械接口層的測試平臺(tái)，即需要機(jī)械臺(tái)架模擬機(jī)械載荷或者實(shí)際的系統(tǒng)環(huán)境。對(duì)于電動(dòng)汽車的電機(jī)而言，模擬的負(fù)載是指基于某一工況或者道路譜荷下的，電機(jī)向后，包括變速器、差速器、半軸、車輪、車身的共同載荷。

本文所建立的硬件在環(huán)測試臺(tái)架主要的目的是為了檢測純電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力性能，能量效率以及制動(dòng)能量回收的能力，所以是機(jī)械接口層的硬件在環(huán)系統(tǒng)。通過實(shí)時(shí)控制器運(yùn)行實(shí)時(shí)仿真模型，并將實(shí)時(shí)指令通過I/O口發(fā)送給測功機(jī)和電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行控制，驗(yàn)證電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。

1.2 整體方案

利用 Matlab/Simulink 和Labview/VeriStand建立純電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)臺(tái)架的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中將實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS，Real Time Operate System）作為測試系統(tǒng)的一部分。與通用操作系統(tǒng)相比，實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)更高的可靠性、確定性和高速性。

實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)采用主從結(jié)構(gòu)，主機(jī)為PC機(jī)VeriStand平臺(tái)，調(diào)用Simulink實(shí)時(shí)控制模型生成的Dll文件［2］，并將模型的輸入輸出與硬件I/O口進(jìn)行匹配，將模型的參數(shù)和監(jiān)控變量和VeriStand界面模塊進(jìn)行匹配。從機(jī)為PXI實(shí)時(shí)控制器。主機(jī)將配置的模型以及接口信息通過TCP/IP部署到PXI實(shí)時(shí)控制器中。在實(shí)時(shí)控制器運(yùn)行模型的過程中，主機(jī)PC和從機(jī)PXI通過TCP/IP進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控過程。如圖1所示為主機(jī)PC，實(shí)時(shí)控制器PXI以及被控臺(tái)架之間的關(guān)系。

圖1 主機(jī)PC和實(shí)時(shí)控制器之間的關(guān)系Fig.1 The relationship between the PC and real－time controller

本設(shè)計(jì)中，針對(duì)前驅(qū)一檔變速純電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)控制模型的控制對(duì)象為電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和兩臺(tái)低速大扭矩交流測功機(jī)。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)矩控制，兩臺(tái)交流測功機(jī)與差速器相連，模擬電動(dòng)汽車車輪，工作于轉(zhuǎn)速控制模式下。

電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和測功機(jī)均可四象限運(yùn)行，能夠模擬電動(dòng)汽車行駛工況和再生制動(dòng)工況。在驅(qū)動(dòng)模式下，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)處于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，提供正驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，而測功機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)。在再生制動(dòng)模式下，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，提供負(fù)轉(zhuǎn)矩，而測功機(jī)處于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)［3］［4］。

1.3 組成部分

純電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真測試臺(tái)架由主要由電氣設(shè)備、機(jī)械部分、測控系統(tǒng)和外圍輔助設(shè)備構(gòu)成，主要包括電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，交流測功機(jī)＊2，整流單元，逆變器＊2，電池模擬器，功率分析儀，扭矩速度傳感器，溫度等傳感器，水冷設(shè)備以及測控系統(tǒng)構(gòu)成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如2所示。

1）測功機(jī)：用于跟蹤循環(huán)工況，模擬汽車的兩個(gè)車輪所受的負(fù)載阻力，要求能夠驅(qū)動(dòng)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，或者吸收電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能量。本方案采用兩臺(tái)低速大扭矩交流伺服驅(qū)負(fù)載測功機(jī)和逆變驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，相關(guān)參數(shù)見表1。

2）電池模擬器：模擬電動(dòng)汽車電池組，為電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供能量。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以是電動(dòng)汽車常用的三相交流電機(jī)或者永磁無刷電機(jī)。電池模擬器與電網(wǎng)相連，為電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供恒流、恒壓或者恒功率電源。本方案中，采用Digatron的BS/EVT600－600－160KW－1電池模擬器，充/放電電流：0－600A，充/放電電壓：0－600V，恒功率：160Kw；

表1 負(fù)載測功機(jī)參數(shù)Table1 Dynamometer parameters

圖2 純電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真測試臺(tái)架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Pure electric vehicle drive system hardware loop simulation test bench system structure

3）被測件－電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：電動(dòng)汽車動(dòng)力總成，包括電機(jī)、逆變器以及與之匹配的齒輪箱。

4）功率分析儀：對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行電功率分析，包括系統(tǒng)效率，控制延時(shí)等，監(jiān)視PWM波形。

5）測控系統(tǒng)：分為主機(jī)（Host PC），實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)（PXI RTController）和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（PXI DAQ）三部分。

2 仿真試驗(yàn)平臺(tái)控制模型的開發(fā)

2.1 電動(dòng)汽車模型

整個(gè)測試臺(tái)架的控制是通過Simulink模型實(shí)現(xiàn)的，為了使臺(tái)架具備完整的功能，被測件能夠獲得準(zhǔn)確真實(shí)的測試環(huán)境，要求臺(tái)架的控制模型具備以下功能：

（1）具備手動(dòng)控制、自動(dòng)控制和整車硬件在環(huán)控制的功能，在手動(dòng)控制模式下，測功機(jī)可以平穩(wěn)地啟動(dòng)、運(yùn)行和停止；

（2）整車模型對(duì)目標(biāo)電動(dòng)汽車進(jìn)行縱向和橫向的動(dòng)力學(xué)仿真；

（3）能夠根據(jù)需求選擇模型和更改模型參數(shù)，如開閉環(huán)控制模式的選擇，道路參數(shù)、汽車參數(shù)的更改等；

（4）臺(tái)架對(duì)于安全性有很高的要求，所以無論是否出現(xiàn)擾動(dòng)，都能夠?qū)ε_(tái)架進(jìn)行相對(duì)穩(wěn)定的控制；

（5）考慮電動(dòng)汽車的控制策略在測試臺(tái)架的實(shí)現(xiàn)的過程，例如在電動(dòng)汽車反饋制動(dòng)和變速器換擋過程中，測功機(jī)的控制方法和控制指令。

（6）各部件均為集中質(zhì)量，不考慮整車模型的懸架系統(tǒng)及振動(dòng)因素。整個(gè)控制系統(tǒng)的模型結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)控制模型結(jié)構(gòu)Fig.3 System control model structure

2.2 電動(dòng)汽車模型

控制系統(tǒng)的核心是電動(dòng)汽車動(dòng)力學(xué)模型，不同的測試功能的實(shí)現(xiàn)和不同的測試目標(biāo)需要不同的控制模型。采用模塊化的建模思想，規(guī)定模塊之間的接口。在不同的測試中，僅需更改對(duì)應(yīng)的模塊，即能實(shí)現(xiàn)測試目標(biāo)。在本課題中，建立的電動(dòng)汽車整車動(dòng)力學(xué)模型如圖4所示。模型的測試內(nèi)容包括：純電動(dòng)汽車電機(jī)控制策略、電機(jī)效率和整車匹配性能等。

圖4 電動(dòng)汽車整車動(dòng)力學(xué)模型Fig.4 Electric vehicle dynamics model

1）駕駛員模型：模型采用PI控制算法，駕駛員根據(jù)當(dāng)前車速和目標(biāo)車速，計(jì)算出加速踏板或制動(dòng)踏板開度。同時(shí)，加入駕駛員前估模型，體現(xiàn)駕駛員的意圖，使得模型更快速準(zhǔn)確地跟蹤目標(biāo)路況［5］。為防止計(jì)算得的踏板開度變化過大，對(duì)踏板開度值進(jìn)行了平滑處理，即踏板開度值設(shè)定為前200步計(jì)算結(jié)果的平均值。

2）整車控制模型：

制定整車控制策略，控制模型包括電機(jī)控制，制動(dòng)力分配，變速器換擋控制和電池管理系統(tǒng)。在本文模型中，目標(biāo)電動(dòng)汽車為單檔傳動(dòng)，不需要考慮變速器換擋控制。

3）電機(jī)模型：

電機(jī)轉(zhuǎn)矩受最大功率曲線和最大轉(zhuǎn)矩曲線的限制，可產(chǎn)生的最大驅(qū)動(dòng)和最大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩可認(rèn)為是電機(jī)轉(zhuǎn)速的函數(shù)，可認(rèn)為：

其中，Tmax為最大驅(qū)動(dòng)或者制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，Prated為額定功率，Trated為額定轉(zhuǎn)矩，ωb為額定轉(zhuǎn)速［6］；

其中，Ttarget為轉(zhuǎn)矩控制指令，TOut為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，JMotor為電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ω為轉(zhuǎn)速，f為摩擦損耗因數(shù)；

綜上，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩為：

4）電池模型：

根據(jù)電池組SOC和開路電壓、電池內(nèi)阻的關(guān)系，查表獲得電池開路電壓和內(nèi)阻，根據(jù)需求功率計(jì)算出電池組的實(shí)際電流。SOC的估計(jì)采用積分按時(shí)法：

其中，SOC0為初始時(shí)刻SOC，Cn為電池組額定容量，δ0為電池充放電庫倫效率［7］。

5）傳動(dòng)系模型：

包括單檔變速器和差速器的動(dòng)態(tài)模型。

對(duì)于單檔變速器，動(dòng)力學(xué)方程如下：

其中，ωin為輸入轉(zhuǎn)速，ωout為輸出轉(zhuǎn)速，i為速比，Tin為輸入扭矩，Tout為輸出扭矩，ε為傳動(dòng)效率。在反饋制動(dòng)時(shí)假設(shè)傳動(dòng)效率相同，但方向相反。差速器和主減速器類似。

6）車輪模型：

根據(jù)模型的車速和當(dāng)前測功機(jī)的轉(zhuǎn)速，計(jì)算車輪滑移率和牽引力。根據(jù)車輪輸入扭矩，制動(dòng)力、牽引力和滾動(dòng)阻力計(jì)算車輪轉(zhuǎn)速，并向測功機(jī)發(fā)出轉(zhuǎn)速指令。

對(duì)于車輪，其動(dòng)力學(xué)方程如下：

其中，ω為車輪轉(zhuǎn)速，JW為車輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，TW為輸入扭矩（驅(qū)動(dòng)輪輸入扭矩為驅(qū)動(dòng)扭矩或者反饋制動(dòng)扭矩，非驅(qū)動(dòng)輪近似為0Nm），Mb為制動(dòng)盤制動(dòng)扭矩，F(xiàn)x為車輪縱向摩擦力，R為車輪半徑，Mr為滾動(dòng)阻力矩。

7）汽車模型：

根據(jù)車輪縱向摩擦力、空氣阻力和坡度阻力計(jì)算汽車模型的速度。

其中，m為汽車質(zhì)量，F(xiàn)xtotal為汽車所受的總的縱向摩擦力，ρ為空氣密度，Cd為空氣阻力系數(shù)，A為汽車迎風(fēng)面積，θi為坡度［8］；

對(duì)電動(dòng)汽車整車模型進(jìn)行模型仿真，結(jié)果如圖5所示：

圖5 City工況仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of city condition

3 硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)系統(tǒng)

通過VeriStand植于Matlab中的編譯器，將上一章節(jié)所建立的臺(tái)架系統(tǒng)Simulink實(shí)時(shí)控制模型編譯為dll格式的C語言文件。通過VeriStand將模型的dll文件通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)下載到PXI實(shí)時(shí)控制器中，將模型的輸入輸出與控制界面以及硬件I/O口進(jìn)行匹配，這樣就能實(shí)現(xiàn)通過整車模型對(duì)測試臺(tái)架進(jìn)行實(shí)時(shí)的硬件在環(huán)控制。啟動(dòng)實(shí)時(shí)硬件在環(huán)測試后，實(shí)時(shí)控制器可與宿主機(jī)進(jìn)行交互。而控制模型通過硬件I/O口與驅(qū)動(dòng)器、控制器、傳感器進(jìn)行通信。

3.1 實(shí)時(shí)系統(tǒng)部署

利用VeriStand TRW編譯器，設(shè)置模型參數(shù)和算法，將Simulink電動(dòng)汽車模型編譯為dll動(dòng)態(tài)鏈接庫文件。

利用VeriStand建立 WorkSpace，在VeriStand中，將目標(biāo)機(jī)設(shè)置為“RT”，并設(shè)置目標(biāo)機(jī)（PXI實(shí)時(shí)控制器）的IP地址。在VeriStand的“System Ex－plorer－＞Simulink Model”中添加編譯之后的dll模型文件，如圖6所示，可以看到模型對(duì)應(yīng)的輸入輸出接口，全局變量參數(shù)以及模型中的測試信號(hào)。

圖6 模型部署Fig.6 Deployment model

在VeriStand中，默認(rèn)的I/O口有CAN口，數(shù)字I/O，模擬I/O以及FPGA接口。由于測功機(jī)的控制指令采用EtherCAT通信，而扭矩傳感器/編碼器的反饋信號(hào)通過Profibus總線傳輸，所以需要對(duì)接口進(jìn)行設(shè)定。

3.2 通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

實(shí)時(shí)控制器中的模型要能夠?qū)崟r(shí)獲取臺(tái)架信息，并對(duì)臺(tái)架進(jìn)行控制，模型的輸入輸出需要通過板卡，與通訊協(xié)議中的通道進(jìn)行匹配。在本課題中，主要涉及的通信協(xié)議為EtherCAT通信協(xié)議，CAN通信協(xié)議和Profibus通信協(xié)議，通信系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 硬件在環(huán)系統(tǒng)的通訊系統(tǒng)Fig.7 The communication system of HIL system

VeriStand中標(biāo)準(zhǔn)的通信接口包括CAN，LIN，F(xiàn)lexRay總線和FPGA可編程門陣列接口。對(duì)于EtherCAT通信協(xié)議，需要使用Labview按照規(guī)范編寫EtherCAT的用戶自定義設(shè)備文件，添加設(shè)備至VeriStand建立的測試系統(tǒng)中，從而將協(xié)議中對(duì)應(yīng)的通道添加到 VeriStand－＞System Explorer－＞Hardware－＞Customer Device中，以實(shí)現(xiàn)主站與從站的EtherCAT通信。

3.3 虛擬臺(tái)架測試仿真結(jié)果

在部署完成后，首先對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真測試，調(diào)試各個(gè)操作過程中，系統(tǒng)能否進(jìn)行相應(yīng)的操作。圖8顯示了在FTP Highway工況中，整車參數(shù)為默認(rèn)參數(shù)時(shí)電動(dòng)汽車整車模型的運(yùn)行狀態(tài)，如車速為60km/h，加速踏板開度100%，處于二檔狀態(tài)，電池電壓383.4V，電流220.2A。

圖8 實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)仿真測試Fig.8 The simulation test of real－time control system

對(duì)測功機(jī)的啟動(dòng)和手動(dòng)控制過程進(jìn)行了仿真，仿真過程如下：仿真步長設(shè)為2×10－6S。0時(shí)刻系統(tǒng)上電，測功機(jī)系統(tǒng)開始預(yù)充電，驅(qū)動(dòng)和負(fù)載測功機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子電流瞬間升高，最高達(dá)到1700A，然后逐漸降低。在預(yù)充電基本完成，即0.2S時(shí)，按下“Start”和“Reset”按鈕，控制模型開始向測功機(jī)模型發(fā)出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的控制指令，驅(qū)動(dòng)測功機(jī)為“100 Nm”轉(zhuǎn)矩指令，負(fù)載測功機(jī)均為“180Rpm”轉(zhuǎn)速指令。測功機(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，轉(zhuǎn)速響應(yīng)，電子和轉(zhuǎn)子某一相的電流，電子的兩相電壓如圖9所示。

由于虛擬臺(tái)架模型為物理模型，仿真速度慢，對(duì)計(jì)算機(jī)要求很高，進(jìn)行循環(huán)工況的測試仿真有一定的難度。同時(shí)虛擬臺(tái)架仍有待進(jìn)一步開發(fā)和完善。本課題僅用于對(duì)控制模型的驗(yàn)證，驗(yàn)證了在模型運(yùn)行過程中，臺(tái)架系統(tǒng)能夠正確地接收模型的控制指令，并逐步達(dá)到穩(wěn)態(tài)過程。

4 總結(jié)

本文介紹了通過Labview/VeriStand和Matlab/Simulink建立純電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)開發(fā)的過程。對(duì)純電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能的測試在電動(dòng)汽車開發(fā)過程中具有重要的意義。整個(gè)的開發(fā)過程包括建立控制模型，建立虛擬測試臺(tái)架，對(duì)控制模型進(jìn)行了仿真分析，最后建立硬件在環(huán)仿真測試臺(tái)架，PXI實(shí)時(shí)控制器將模型輸入輸出端通過I/O口與臺(tái)架驅(qū)動(dòng)控制器連接，對(duì)臺(tái)架進(jìn)行硬件在環(huán)控制。在本文中，利用VeriStand的圖形化編程環(huán)境以及NI豐富的測控模塊，建立了自主開發(fā)的硬件在環(huán)測試臺(tái)架系統(tǒng)，可根據(jù)需求適當(dāng)?shù)卣{(diào)整界面和控制系統(tǒng)，使系統(tǒng)具備一定的適應(yīng)性。同時(shí)在系統(tǒng)中可以對(duì)HIL純電動(dòng)汽車模型進(jìn)行一些重要參數(shù)的調(diào)整，例如駕駛員模型的PID參數(shù)，汽車參數(shù)等，能夠適應(yīng)不同的電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

圖9 虛擬臺(tái)架測試－驅(qū)動(dòng)測功機(jī)Fig.9 Virtual bench test－virtual dynamometer

［1］ 夏德建，電動(dòng)汽車研究綜述，能源技術(shù)經(jīng)濟(jì)，2010年7月，第22卷第7期：49－54.

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［10］ Alessio Del Mastro，Alexandre Chasse，Philippe Pognant－Gros，Gilles Corde，Advanced Hybrid Vehicle Simulation：from"Virtual"to"HyHiL"test bench，SAE International，2009，24－0068.