基于純電動(dòng)車輛動(dòng)力系統(tǒng)阻力特性的底盤測功機(jī)阻力設(shè)置研究

王金橋 靳慧魯 王瑛 汪躍中 王新樹

摘要：利用某乘用車車輛平臺(tái)，以提高底盤測功機(jī)整車阻力模擬質(zhì)量為研究目的，開展純電動(dòng)汽車變速器、電機(jī)系統(tǒng)總成及整車阻力研究，結(jié)果表明：永磁同步電機(jī)在整車空擋、接通電源條件下拖動(dòng)運(yùn)行時(shí)電機(jī)總成外在阻力隨轉(zhuǎn)速變化無一定規(guī)律，導(dǎo)致滑行法測試的整車阻力在二次曲線擬合時(shí)精度下降及在底盤測功機(jī)上模擬時(shí)準(zhǔn)確性下降。提出整車滑行阻力與測功機(jī)反拖車輛得到的阻力差作為底盤測功機(jī)加載阻力的方案，以提高測功機(jī)模擬車輛阻力的準(zhǔn)確性，通過試驗(yàn)驗(yàn)證，方案有效。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)車輛;整車滑行阻力;電機(jī)總成阻力;阻力模擬

中圖分類號(hào)：U462.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2018） 02-0027-05

前言

純電動(dòng)汽車動(dòng)力總成一般由永磁同步電機(jī)、單速比變速器組成，與以發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源的常規(guī)能源車輛相比，其特點(diǎn)是電機(jī)與傳動(dòng)系始終處于結(jié)合狀態(tài)，且動(dòng)力總成系統(tǒng)轉(zhuǎn)速較高，部分電機(jī)最高轉(zhuǎn)速甚至達(dá)到12 000r/min以上。針對(duì)此類車輛與常規(guī)能源車輛的差異，系統(tǒng)分析變速器高轉(zhuǎn)速段及電機(jī)系統(tǒng)在被拖動(dòng)運(yùn)行時(shí)總成的阻力隨轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律，并基此制定一種適合純電動(dòng)汽車的底盤測功機(jī)阻力模擬方案，可以提高此類車輛整車行駛阻力的開發(fā)質(zhì)量、以及在底盤測功機(jī)上進(jìn)行整車阻力模擬的準(zhǔn)確性。

常規(guī)能源車輛經(jīng)過長時(shí)間的發(fā)展，整車行駛阻力方面的研究已比較成熟、全面，測量方法一般采用文獻(xiàn)中的滑行法;文獻(xiàn)對(duì)常規(guī)能源車輛滾動(dòng)阻力、風(fēng)阻及傳動(dòng)系阻力進(jìn)行了研究;文獻(xiàn)利用底盤測功機(jī)針對(duì)常規(guī)能源車輛的傳動(dòng)系阻力進(jìn)行了研究，其常規(guī)能源車輛的變速器轉(zhuǎn)速一般在6000轉(zhuǎn)以內(nèi);在新能源車輛的整車行駛阻力研究上，文獻(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車的滾動(dòng)阻力系數(shù)、空氣阻力系數(shù)進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)對(duì)永磁同步電機(jī)內(nèi)部磁阻力原理及阻力優(yōu)化進(jìn)行了研究，但僅是從零部件角度進(jìn)行研究。當(dāng)前純電動(dòng)車輛在整車層面能否直接應(yīng)用常規(guī)能源車輛整車阻力方面的研究成果還不能確定。本文利用A、B兩平臺(tái)車型，包括純電動(dòng)及常規(guī)能源車輛，純電動(dòng)車型的電機(jī)對(duì)應(yīng)A、B電機(jī);分別從變速器、電機(jī)系統(tǒng)總成及整車角度，研究其阻力特性，并基于分析結(jié)果，提出了一種新的底盤測功機(jī)阻力設(shè)置方案以提高底盤測功機(jī)阻力模擬質(zhì)量。

1 變速器阻力測試研究

帶有環(huán)境倉的汽車底盤測功機(jī)具有測試數(shù)據(jù)一致性較好、精度較高的特點(diǎn)。本文通過室內(nèi)底盤測功機(jī)反拖整車傳動(dòng)系以測試變速器阻力，每次測試環(huán)境倉溫度設(shè)置25度，從車速5 km/h開始，間隔10 km/h，測試的最高車速根據(jù)車輛最高車速及試驗(yàn)條件制定，A、B平臺(tái)常規(guī)能源車輛測試最高車速125 km/h.A、B平臺(tái)純電動(dòng)車輛測試最高車速分別為125、95 km/h。具體測試方案見表1。

根據(jù)測試方案，各測速點(diǎn)變速器阻力為：對(duì)純電動(dòng)汽車，第2次減去第一次測試的結(jié)果即認(rèn)為是變速器總成阻力;對(duì)常規(guī)能源車輛，第4次減去第3次測試數(shù)據(jù)即認(rèn)為是變速器阻力;A、B平臺(tái)車型測試結(jié)果分別見圖1和圖2。

測試結(jié)果表明，1、純電動(dòng)汽車與常規(guī)能源車輛變速器總成阻力隨車速都呈線性變化趨勢;純電動(dòng)汽車在變速器高轉(zhuǎn)速段仍保持線性變化趨勢;2、純電動(dòng)汽車較傳統(tǒng)汽車的變速器阻力偏大，其原因應(yīng)為純電動(dòng)車輛變速器傳動(dòng)比大旋轉(zhuǎn)部件轉(zhuǎn)速較高導(dǎo)致;3、純電動(dòng)汽車的變速器阻力較常規(guī)能源車輛，隨著轉(zhuǎn)速的升高，阻力上升的速度偏快。由上述分析，純電動(dòng)車輛變速器阻力隨車速呈線性變化趨勢，對(duì)2、3條，有待繼續(xù)深入研究。

2電機(jī)總成阻力理論及試驗(yàn)研究

以永磁體為轉(zhuǎn)子的永磁同步電機(jī)，電機(jī)總成阻力的大小及影響因素僅從理論上難以計(jì)算。文獻(xiàn)從電機(jī)損耗的角度從定子繞組電阻損耗、鐵芯損耗、機(jī)械損耗和雜散損耗進(jìn)行分析，但影響部件較多，也難以準(zhǔn)確計(jì)算出損耗量。另外，電機(jī)運(yùn)行時(shí)，根據(jù)電機(jī)dq軸數(shù)學(xué)模型得到的i_d、i_q電流與電機(jī)三相交流電流的關(guān)系：

式中：θ為電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信號(hào);i_d、i_q為直軸、交軸電流;i_u、i_v、i_w為電機(jī)的三相交流電流;電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與i_d、i_q電流的關(guān)系為：

T_e=p[ψ_fi_q+（L_d-L_qi_di_q]

（2）

式中：T_e為電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩;p為極對(duì)數(shù);L_d、L_q為定子繞組的d、q軸電感;ψ_f為永磁體產(chǎn)生的磁鏈;

由式（1）、（2）可知，電機(jī)控制器對(duì)i_d、i_q等的控制精度影響著電機(jī)的扭矩輸出值。因此，在電動(dòng)車輛空擋、電機(jī)高壓接通整車滑行時(shí)，此時(shí)整車控制器的控制策略是電機(jī)零扭矩輸出;電機(jī)若不能保持零扭矩輸出將影響整車滑行阻力的測試。為確定電機(jī)控制器對(duì)電機(jī)輸出扭矩的影響程度，搭建了電機(jī)臺(tái)架，模擬整車空擋電機(jī)實(shí)際輸出扭矩，驗(yàn)證電機(jī)在是、否接通電源條件下，轉(zhuǎn)子被拖動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)在不同轉(zhuǎn)速下的阻力;臺(tái)架示意圖見圖3。轉(zhuǎn)速測試范圍為1000-7000 r/min，間隔為1000 r/min;在測試轉(zhuǎn)速點(diǎn)讀取驅(qū)動(dòng)裝置提供給電機(jī)的轉(zhuǎn)速及扭矩;A電機(jī)總成測試數(shù)據(jù)見表2，B電機(jī)總成測試數(shù)據(jù)見表3，A、B電機(jī)是、否接通電源時(shí)總成阻力分別見圖4和圖5。

電機(jī)在供電開關(guān)閉合時(shí)，電機(jī)控制器的控制策略是電機(jī)零扭矩輸出，表2和表3中，電流為正電池為充電狀態(tài)，為負(fù)即放電狀態(tài)。由表2可知，電機(jī)轉(zhuǎn)速3 000 r/min以上較2 000 r/min以下，電流明顯增大，同時(shí)供電開關(guān)閉合與斷開時(shí)的阻力差明顯增大，多個(gè)測點(diǎn)阻力差達(dá)到2 Nm以上;2 000 r/min以下時(shí)，供電開關(guān)閉合與斷開時(shí)的阻力差較小應(yīng)是測試誤差導(dǎo)致，此時(shí)的電流用于電機(jī)控制器本身的耗電;3 000 r/min以上電流較大，應(yīng)是電機(jī)有驅(qū)動(dòng)扭矩產(chǎn)生，扭矩的大小即是電機(jī)接通、斷開電源的阻力差。表3中電流為負(fù)時(shí)此趨勢不明顯，應(yīng)是電機(jī)阻力只有1 Nm左右，阻力較小測試精度不高導(dǎo)致;當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到7000 r/min，正電流明顯增大，此時(shí)供電開關(guān)閉合時(shí)的阻力明顯大于斷開時(shí)，此時(shí)電機(jī)應(yīng)是發(fā)電狀態(tài)。上述電機(jī)的發(fā)電、驅(qū)動(dòng)扭矩應(yīng)是由電機(jī)控制器的控制精度導(dǎo)致。另外，對(duì)上述測試結(jié)果，在電機(jī)控制策略不變、同一臺(tái)電機(jī)上，再進(jìn)行測試時(shí)，測試結(jié)果是不變的。綜上分析，電機(jī)供電開關(guān)閉合，電機(jī)不能零扭矩輸出，使得電機(jī)外在阻力與轉(zhuǎn)速無一定的規(guī)律。

由圖4、5，電機(jī)控制器供電開關(guān)斷開，電機(jī)阻力隨轉(zhuǎn)速呈較好的線性變化趨勢。

3 底盤測功機(jī)阻力設(shè)置研究

傳統(tǒng)能源車輛行駛阻力測試完成后，可以擬合成速度為v的阻力曲線二次方程即式（3），且擬合結(jié)果與實(shí)際阻力相當(dāng)接近，因此可以在轉(zhuǎn)鼓上直接模擬。

F=Av²+ Bv+C

（3）

式中：F為整車測試的滑行阻力，A為速度二次方影響系數(shù)、B為速度影響系數(shù)、C為與速度無關(guān)的阻力。

針對(duì)行駛阻力的構(gòu)成，純電動(dòng)車輛與傳統(tǒng)能源車輛的差異在電機(jī)、變速器上;變速器的測試結(jié)果表明其阻力與車速是線性關(guān)系，因此，純電動(dòng)車輛的整車阻力除去電機(jī)阻力外，其他阻力是可以采用文獻(xiàn)1的方法擬合成式3并在轉(zhuǎn)鼓上直接模擬的。對(duì)于純電動(dòng)汽車，采用滑行法對(duì)滑行阻力測試是在整車空擋、電機(jī)未斷高壓條件下進(jìn)行的，受電機(jī)影響，測試結(jié)果見圖6中的整車滑行測試阻力曲線，其是一條不規(guī)則曲線，若此曲線擬合成式（3），會(huì)造成多個(gè)車速點(diǎn)實(shí)際測試的阻力偏離擬合的阻力曲線（黑實(shí)線）達(dá)20N。這種曲線不適宜在轉(zhuǎn)鼓上直接模擬，且在模擬時(shí)會(huì)再次受到電機(jī)的影響，因此，本文提出一種新的底盤測功機(jī)模擬整車阻力的方案以減小電機(jī)對(duì)整車阻力的影響。以A平臺(tái)純電動(dòng)車型為例說明，首先采用文獻(xiàn)1中的滑行法測試整車阻力，測試的阻力不按式3擬合，而是將不同車速下的對(duì)應(yīng)的阻力值提取出來，提取結(jié)果見表4中整車阻力一列。然后利用底盤測功機(jī)反拖車輛傳動(dòng)系，記錄整車在空擋、電機(jī)高壓未斷開時(shí)不同車速下測功機(jī)測試的阻力，間隔5 km/h，結(jié)果見表4中的傳動(dòng)系阻力，那么測功機(jī)加載的阻力即為表4中的整車阻力減去傳動(dòng)系阻力，從理論上此方法可減小電機(jī)對(duì)整車行駛阻力的影響。

為驗(yàn)證此方案的有效性，進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。在底盤測功機(jī)上模擬按公式（3）直接擬合道路測試的阻力，與本文提出的方案得到的測功機(jī)直接加載阻力，分別在測功機(jī)上進(jìn)行60 km/h等速續(xù)駛里程測試。同時(shí)在道路上測試60 km/h的續(xù)駛里程，電池放電深度保持一致，測試結(jié)果見表6。

由表6續(xù)駛里程測試結(jié)果表明，本文提出的整車滑行阻力與測功機(jī)反拖車輛得到的阻力差作為測加載阻力測試的續(xù)駛里程與在道路上測試的續(xù)駛里程相差較小，誤差僅2.3%，較按式3直接擬合測試阻力并在測功機(jī)上模擬，測試準(zhǔn)確度提高8.8%。因此，本文提出的阻力在轉(zhuǎn)鼓上的模擬方案可以減小電機(jī)對(duì)整車行駛阻力的影響程度，測功機(jī)模擬阻力已相當(dāng)接近實(shí)際道路阻力。

4結(jié)論

（1）相對(duì)于常規(guī)能源車輛，純電動(dòng)車輛道路行駛阻力測試、測功機(jī)加載方法還不完善，須進(jìn)一步研究。

（2）通過測試，變速器高轉(zhuǎn)速段的阻力特性為明顯的線性變化趨勢，但此阻力較常規(guī)能源車輛的變速器阻力偏大，以及隨著轉(zhuǎn)速升高，阻力上升的速度偏快的問題，須進(jìn)一步研究。

（3）電機(jī)總成阻力特性測試結(jié)果表明：電機(jī)接通電源時(shí)外在阻力隨轉(zhuǎn)速呈無規(guī)律變化趨勢，對(duì)道路滑行法測試的整車阻力影響較大，本文提到的測功機(jī)阻力設(shè)置方案可以提高測功機(jī)模擬的準(zhǔn)確性。