基于電力測功機的電動車輛直駛負載模擬技術(shù)研究

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(中國北方車輛研究所 車輛傳動重點實驗室，北京 100072)

0 引言

進入21世紀，由于能源危機的持續(xù)加深、環(huán)境污染的不斷加劇，尋找清潔、無污染的車用燃料和設(shè)計污染小的車輛和高效率的傳動系統(tǒng)已成為世界各大汽車企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇。各大汽車企業(yè)基本已經(jīng)建立了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新能源車輛動力傳動系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)平臺，這推動了新能源車輛及其傳動系統(tǒng)的飛速發(fā)展[1]，其中以電傳動車輛的發(fā)展和應用尤為突出。為了能更好的對電動車輛動力傳動系統(tǒng)進行分析、設(shè)計和匹配，需對電動車輛的動態(tài)負載進行臺架模擬，開展車輛負載模擬技術(shù)研究。

目前，國內(nèi)對負載模擬的研究主要集中在測功機穩(wěn)態(tài)加載方面，對于動態(tài)負載的模擬和加載一般采用近似的方法，只是實現(xiàn)了某些典型特性的模擬。這在于國內(nèi)進行交流電力測功機研究和制造的單位很少，這限制了試驗臺的應用范圍，也限制了交流電傳動的發(fā)展。另一方面，由于國內(nèi)對測功機研制能力不足，以及國外測功機進入中國市場，導致了現(xiàn)在以交流電力測功機為核心的動力與傳動裝置的技術(shù)研究和測試設(shè)備開發(fā)能力70%以上的市場都被德國、奧地利等大公司壟斷。

國外的研究主要集中在測功機對機械負載進行模擬和加載方面，以及運用測功機進行先進控制算法的理論研究，已經(jīng)基本實現(xiàn)了對交流電力測功機的自動控制和動態(tài)加載。目前許多學者利用電力測功機對車輛行駛道路負載進行模擬，文獻[2-3]用直流電機作為測功機, 對負載系統(tǒng)的控制提出了3種方案來模擬車輛行駛負載；文獻[4-5]應用電力測功機模擬車輛行駛時的負載慣量，對負載模擬器的兩個基本控制策略進行對比；文獻[6]應用測功機的控制策略對車輛行駛負載動態(tài)特性進行準確模擬，并將試驗結(jié)果與仿真結(jié)果進行對比；文獻[7]討論了測功機系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量、粘性摩擦系數(shù)對轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的影響；文獻[8]在對測功機進行模擬控制的基礎(chǔ)上，開展了驅(qū)動電機PI控制器和PI估計器的對比分析。通過以上測功機及其控制系統(tǒng)的研究，可以實現(xiàn)車輛行駛道路負載的動態(tài)模擬，也為車輛動力傳動系統(tǒng)動力性、經(jīng)濟性匹配及性能測試提供方法。

車輛負載模擬系統(tǒng)實質(zhì)是一種轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，即應用電力測功機來模擬實際車輛上牽引動力裝置的負載轉(zhuǎn)矩，有時也加入機械慣性裝置。文中以交流電力測功機-永磁同步電機為試驗平臺，通過把模型的仿真數(shù)據(jù)載入試驗平臺來模擬整車直駛負載，從而實現(xiàn)對動力裝置運行負載的模擬。

1 試驗臺模型

基于驅(qū)動電機-負載電機試驗平臺的通用負載模擬方框結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，這也是所要研究的車輛直駛負載模擬的試驗平臺。通過控制負載電機，使其能夠模擬出給定的車輛直駛負載。

圖1 基于驅(qū)動電機-負載電機的控制方框圖

對于通用的負載模擬，假設(shè)要模擬的目標負載輸出端的轉(zhuǎn)速為wem，轉(zhuǎn)矩為Tem，則目標負載系統(tǒng)的傳遞函數(shù)Gem為[9]：

(1)

又假設(shè)在實際的臺架中，負載電機的輸出轉(zhuǎn)速為w，負載電機的輸出轉(zhuǎn)矩為TL，則負載電機的傳遞函數(shù)G(s)可以表示為：

(2)

而要使負載電機實現(xiàn)對目標負載的模擬，應該使

Gem(s)=G(s)

(3)

上式即為通用負載模擬的目標，其中負載轉(zhuǎn)矩TL為車輛直駛時的行駛阻力Tf，可以表示為：

(4)

式中，F(xiàn)總為車輛受到的總的阻力；R總為車輛輪胎等效半徑；i總為汽車傳動系總的傳動比；η總為傳動系的總效率。

因此，應控制負載電機輸出的轉(zhuǎn)矩TL等于車輛直駛時的負載轉(zhuǎn)矩Tf，所以：

TL=Tf

(5)

對于車輛負載的模擬，一種方式是基于車輛傳動系統(tǒng)的逆動力學模型，這種方式就是通過對負載電機的轉(zhuǎn)矩控制實現(xiàn)車輛負載的模擬?；驹砭褪峭ㄟ^測取試驗臺中電機的角速度，然后依據(jù)角速度和車輛的逆動力學模型計算出負載電機的轉(zhuǎn)矩。

假設(shè)實際的驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩和試驗臺驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)矩相同，可以得到負載電機控制的扭矩為：

(6)

其控制方框圖如圖2所示。

圖2 基于負載逆動力學模型的控制框圖

設(shè)J、B分別是驅(qū)動電機—負載電機平臺的轉(zhuǎn)動慣量和粘性摩擦系數(shù)，Jem、Bem分別是被模擬負載的轉(zhuǎn)動慣量和粘性摩擦系數(shù)。則試驗臺可以表示為：

(7)

(8)

將式(8)式代入式(7)可以得到：

(9)

進行拉式變換后可以得到傳遞函數(shù)為：

(10)

2 整車直駛負載模型

為了對車輛直駛負載實現(xiàn)模擬，必須建立整車直駛的動力學模型。在車輛直駛負載的仿真中，應用后向仿真方法，可以更好的得到臺架所需的數(shù)據(jù)。

對于電動車輛由于電機可以工作在零點轉(zhuǎn)速，一般采用無離合器換擋的結(jié)構(gòu)，即從發(fā)動機-變速箱-主減速器-輪胎-地面阻力的動力傳遞。由于汽車的負載主要來自于地面的阻力、風阻和慣性阻力，故在整個車輛直駛負載建模時，各個模塊的模型不一定要很復雜，主要可以體現(xiàn)扭矩、轉(zhuǎn)速和慣量在各個模塊中傳遞即可[10]。另外，文中電動車輛的直駛負載模型主要研究縱向的動力傳動，而忽略車輛在橫向和垂直向的運動。

動力傳遞模型就是通過參考車速得到輪胎上的負載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，之后把轉(zhuǎn)矩向前逐級傳遞，同時將各個子模塊的轉(zhuǎn)速也向前傳遞，最后把整車直駛負載的轉(zhuǎn)矩等效到電機的輸出端，車速也經(jīng)過各級傳動比換算到驅(qū)動電機的輸出軸上，以實現(xiàn)對車輛直駛的負載輸出。另外，在構(gòu)建車輛直駛負載模型時，各子模塊還應具有控制信號的傳輸功能，這反映了實際整車中信號控制的作用。

為實現(xiàn)汽車傳動系統(tǒng)的高效建模，減少建模的工作量和提高模型質(zhì)量，在進行傳動系統(tǒng)和汽車行駛阻力模型設(shè)計時，將車輛傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速按照逆向傳遞的思路進行建立。在 MATLAB/Simulink中建立車輛直駛負載模型[11]，具體的模型如圖3所示。

圖3 整體負載模型

圖3中主要由工況模型、整車阻力模型、車輪模型、主減速器模型和變速器模型組成。工況車速經(jīng)過車阻力和傳動系統(tǒng)最后得到電機輸出端的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速；而換擋控制模塊，根據(jù)車速的大小，控制變速器傳動比的輸出，實現(xiàn)對變速器擋位的控制。

3 仿真分析

車輛直駛負載模型的仿真是依據(jù)給定的參考車速，通過車輛負載逆向模型，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速、扭矩的動力傳遞，從而仿真得到驅(qū)動電機輸出端的負載扭矩和轉(zhuǎn)速，進而為試驗臺上應用測功機實現(xiàn)車輛直駛負載的模擬提供數(shù)據(jù)文件。下面以ECE15和UDDS工況為模型輸入車速，開展負載模型仿真分析。

3.1 動態(tài)跟蹤

在ECE15工況和整車參數(shù)下(如表1)，通過模型仿真，可以得到車輛驅(qū)動電機負載的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，如圖4所示。其中(a)圖表示車輛加速度的變化曲線，圖(b)表示負載轉(zhuǎn)速的變化曲線，(c)圖表示負載轉(zhuǎn)矩的變化曲線。

表1 整車參數(shù)

圖4 ECE15工況下負載轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩變化圖

圖4種的3個圖形是在同一個時間軸上的變化情況，分析可得：1)在停車階段，由于ECE15工況參考車速為零，電機負載的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速都是零；2)在加速階段，由于ECE15工況下車輛加速度是階躍變化的，并不是一個連續(xù)的變化過程，這樣會使負載轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)突變；3)在恒定加速階段，負載轉(zhuǎn)速以一定的角加速度逐漸的升高，由于負載轉(zhuǎn)矩等于車輛的阻力轉(zhuǎn)矩加上慣性阻力，而慣性阻力矩變化相對于阻尼力矩的變化較大，所以負載轉(zhuǎn)矩表現(xiàn)為一個突變或者斜率很大的轉(zhuǎn)矩升高；4)在車速恒定階段，負載轉(zhuǎn)速維持在一個恒定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)不變，而負載轉(zhuǎn)矩由于車輛的加速度為零，會有一個突然的降低，但是由于這是的汽車的阻尼力(包括滾動阻力、風阻等)不為零，所以電機需要輸出一定的力矩在克服這些阻力，以維持車輛的勻速運動。

通過以上的分析可以知道該模型可以實現(xiàn)對工況的動態(tài)跟隨，也模擬了實際車輛的運行狀態(tài)。

3.2 穩(wěn)定性

在UDDS工況下，結(jié)合表1的整車參數(shù)對模型的動態(tài)性和穩(wěn)定性進一步分析。圖5為UDDS工況下仿真的負載轉(zhuǎn)矩和工況車速的關(guān)系變化圖，圖6為UDDS工況下仿真的負載轉(zhuǎn)速和工況車速的關(guān)系變化圖。

圖5 UDDS工況下負載轉(zhuǎn)矩和車速

圖6 UDDS工況下負載轉(zhuǎn)速和車速

圖5分析可知，隨著整車工況的不斷變化負載模型的輸出轉(zhuǎn)矩也呈現(xiàn)出不斷的變化，變化趨勢與車速基本一致。對比車速和負載轉(zhuǎn)矩，當車速增加或者減小時，由于模型中存在慣性模型，使轉(zhuǎn)矩也跟隨著升高或者降低；當車速勻速運動時，轉(zhuǎn)矩值基本維持不變；當停車時，轉(zhuǎn)矩的需求也為零。通過這些分析，可以進一步知道模型具有很好的動態(tài)響應，能夠很好的跟隨工況改變；也說明了負載模型具有很好的穩(wěn)定性，不會因為工況的復雜多變而出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的失真。

圖6可以看出，負載轉(zhuǎn)速與車速的跟蹤性也很好。隨著工況的運行，轉(zhuǎn)速能夠很好的跟蹤車速，并沒有出現(xiàn)大的波動，從而再一次的驗證了模型的正確性，同時也說明模型的穩(wěn)定性很好，能夠在較寬的頻率范圍和復雜的工況下穩(wěn)定的工作。

4 試驗平臺搭建

該試驗平臺主要由驅(qū)動電機系統(tǒng)、負載電機系統(tǒng)、扭矩儀、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、上位機、底座等組成。根據(jù)試驗臺組成和硬件接口，建立整個試驗系統(tǒng)的硬件拓撲結(jié)構(gòu)，如圖7所示。

圖7 硬件接口拓撲結(jié)構(gòu)

負載模擬試驗的目的就是通過搭建試驗臺架，使臺架中的驅(qū)動電機和負載電機按照某種工況運行，負載電機為驅(qū)動電機提供一種負載轉(zhuǎn)矩，從而可以檢測驅(qū)動電機在該工況負載下的運行特性，進一步對驅(qū)動電機特性進行析，優(yōu)化驅(qū)動電機性能。

根據(jù)實驗室的條件，驅(qū)動單元選用在電動公交車輛上已經(jīng)使用的YTK150/3.6交流電機，負載單元選用AVL的測功機系統(tǒng)[12]。具體的性能參數(shù)分別如表2、表3所示。

表2 驅(qū)動電機性能參數(shù)

表3 負載電機性能參數(shù)

驅(qū)動單元和負載單元的基本功能是在各自控制系統(tǒng)的作用下，實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的控制，并使臺架運行在一定的工況下，如恒轉(zhuǎn)速運行、恒轉(zhuǎn)矩運行等，同時實時地對電機的運行性能進行檢測。基本思想是：通過建立的工況，產(chǎn)生車速信號，并傳入到整車的負載模型中，計算得到電機輸出軸上的負載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速，把轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩發(fā)送到試驗臺中，控制驅(qū)動電機和負載電機工作在該轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩下，實現(xiàn)實際車輛運行中電機輸出端負載的等效模擬。其中，電源柜給交流測功機供電，電池模擬器的直流電通過驅(qū)動電機控制器給驅(qū)動電機供電。試驗過程中的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡如圖8所示。

本試驗首先在上位機上進行負載模型的計算，通過控制程序把數(shù)據(jù)發(fā)送到試驗臺CAN網(wǎng)絡上，借助測功機的控制軟件為通訊的橋梁，在其自動循環(huán)模式下，把轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速信號設(shè)置在同一個數(shù)據(jù)幀的不同字節(jié)上，實現(xiàn)圖8中數(shù)據(jù)的傳輸。再把扭矩儀的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩通過采集儀采集到上位機的控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示和圖形的繪制，從而完成該實驗。

圖8 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡

5 試驗結(jié)果分析

5.1 工況分析

本試驗選用城市循環(huán)工況作為整車模型的數(shù)據(jù)輸入，經(jīng)過模型的計算和數(shù)據(jù)的傳輸，完成實驗，從而得到試驗臺上的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速曲線如圖9所示。

圖9 臺架上轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩變化曲線

圖9中，上面一組曲線表示測功機的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速，下面的一組曲線表示驅(qū)動電機輸出的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速。分析可知：

1)轉(zhuǎn)速的變化曲線中，當車輛的加速度突變的時候，轉(zhuǎn)速有波動，同時轉(zhuǎn)矩也出現(xiàn)了相應的波動；而加速度從零突變到某一個值時，轉(zhuǎn)矩相應出現(xiàn)急劇增加。這些波動和急劇變化是與實際車輛的突然加速和突然剎車會有沖擊是一致的。

2)對比轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，當車輛加速運動時，由于慣性力的存在使負載力矩增大；當車輛停車或者勻速運動時，加速度為零，相應的慣性力也為零，這時轉(zhuǎn)矩維持某一個值不變。

3)在換擋時，轉(zhuǎn)速出現(xiàn)了先下降后升高的波動，相應的車速也出現(xiàn)了波動(如圖5所示)；而轉(zhuǎn)矩在換擋點也出現(xiàn)了波動，波動主要包括變速器變速比的改變和慣量的改變。例如升檔點A處扭矩從100Nm升高到了160Nm左右，之后又降到了換擋后所需要的力矩點上。B點的降檔與A點一樣。

4)C點運行到D點的過程中，加速度的變化為0.69 m/s2-0.61 m/s2-0.46 m/s2-0 m/s2，所以在相應的轉(zhuǎn)矩變化曲線中也呈現(xiàn)階梯的下降。

通過以上分析，一方面實現(xiàn)了試驗臺的負載模擬功能，滿足了轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩對工況的需求，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的動態(tài)跟蹤；另一方面驗證了模型的正確性，實現(xiàn)了負載轉(zhuǎn)矩動態(tài)改變及對工況的跟隨。

5.2 對比分析

1) 轉(zhuǎn)速對比分析。

如圖10中的(a)、(b)分別為仿真轉(zhuǎn)速和試驗轉(zhuǎn)速。

圖10 轉(zhuǎn)速對比

分析圖10可以：試驗臺采集的轉(zhuǎn)速與軟件仿真的轉(zhuǎn)速，在整體的變化趨勢和數(shù)值大小是一樣的；但是試驗轉(zhuǎn)速相對于仿真轉(zhuǎn)速有一定的延遲，這是由于在速度升高時，試驗臺本身慣量使轉(zhuǎn)速的升高有一定的延遲。

2)轉(zhuǎn)矩加載分析。

圖11中的(a)、(b)分別表示負載轉(zhuǎn)矩的仿真轉(zhuǎn)矩值和負載轉(zhuǎn)矩實驗結(jié)果值。

分析圖11中的(a)和(b)可以知道，可以通過試驗臺實現(xiàn)對負載進行模擬，由于試驗臺的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩是開環(huán)控制，因此只能定性的分析轉(zhuǎn)矩的加載情況。比較兩個圖形發(fā)現(xiàn)，扭矩的加載與仿真結(jié)果的變化趨勢一樣，而控制精度由于試驗臺的原因無法實現(xiàn)精確的比較。

3)速度誤差分析。

圖12是試驗臺仿真車速與實驗車速的對比圖。從圖中可以知道：仿真車速與臺架試驗車速基本一致，而試驗車速滯后于仿真車速。

圖12 車速對比

從圖12可知，在ECE15工況下，試驗車速與工況車速的變化一致，大小也基本一樣。但是在時間軸上可以看到試驗車速滯后工況車速，存在一定的誤差，主要表現(xiàn)在加速或者減速的時刻。這驗證了模擬車輛由于慣性的存在，使車輛不會突然加速、減速，需要有一定的加速、減速時間，因此表現(xiàn)為車速對工況車速的延遲。而圖中的A、B、C、D四點是由于換擋對產(chǎn)生的車速沖擊，說明了車輛在運行時，換擋也會有沖擊。這進一步驗證了臺架模擬與實際車輛運行的一致性。

從圖12中還可看出，模擬車輛的車速與工況車速相比，其延遲的時間基本上是一致的，兩個車速的差值也是基本不變的，說明這一部分的誤差是由延遲的系統(tǒng)誤差造成的。從而確認了該試驗系統(tǒng)能夠很好的模擬負載工況，確保了負載模擬的準確性，也驗證了該系統(tǒng)能夠在ECE15工況下實現(xiàn)對車輛負載的模擬。

6 總結(jié)

文中以車輛動力傳遞過程為基礎(chǔ)，建立電動車輛整車直駛逆向負載模型，并在城市循環(huán)ECE15工況下開展了模型的仿真分析；同時結(jié)合模型仿真與臺架模擬，把負載模型的仿真數(shù)據(jù)應用到“交流電力測功機-永磁同步電機”的試驗平臺中，進一步進行負載模擬試驗驗證。通過對比分析仿真數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)得到：

1)所建立的負載模擬系統(tǒng)滿足車輛直駛負載的模擬功能，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩對工況需求的動態(tài)跟蹤；也驗證了負載模型的正確性及對工況的跟隨。

2)試驗臺采集的轉(zhuǎn)速與軟件仿真的轉(zhuǎn)速，在整體的變化趨勢和數(shù)值大小上是一致的；而扭矩的加載與仿真結(jié)果的變化趨勢相一致；同時，可以看到仿真車速與臺架試驗車速也基本一致。這充分說明了本試驗模擬系統(tǒng)實現(xiàn)了對車輛直駛負載的模擬。

3)該模擬方法可以實現(xiàn)電動車輛動力傳動系統(tǒng)的性能測試，也為電動車輛動力-負載的匹配提供了方法。

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