混合動力汽車快速控制原型臺架試驗及分析

呂康 唐嵐 何云飛 趙歆

摘 要：在現(xiàn)今社會的發(fā)展中，節(jié)能環(huán)保以及可持續(xù)發(fā)展是全球發(fā)展的主題，為了實現(xiàn)這一目標，全球各國都在積極地研究更加 環(huán)保、更加節(jié)能、可替代的新型能源的汽車。本文主要從混合動力汽車的臺架試驗的搭建及其分析做探討。

關(guān)鍵詞：新型能源;混合動力汽車;臺架試驗

利用 Matlab/Simulink 仿真可以結(jié)合系統(tǒng)的工作過程，對機電耦合系統(tǒng)模型進行開發(fā)調(diào)整，分析影響整車性能的主要因素[1]。單純的軟件仿真無法完全反映機電耦合系統(tǒng) 的實際運行情況，搭建功能更加全面的快速控制原型試驗平臺可進行整車控制系統(tǒng)算法 的測試驗證，匹配標定相關(guān)參數(shù)。通過對比整車模型仿真結(jié)果和快速控制原型測試的結(jié)果，進行相應(yīng)的校正，以確保模型的可靠性，使控制算法更加符合實際應(yīng)用要求。

1混合動力汽車概述

混合動力汽車主要是指其驅(qū)動能源是有兩種及以上的儲能器、轉(zhuǎn)換器或者能源構(gòu)成的，在進行驅(qū)動的過程中，混合動力汽車的驅(qū)動動力可以是通過消耗燃料所提 供的，也可以是通過利用電能或者其他能源所產(chǎn)生的?；旌蟿恿ζ嚨尿?qū)動源是混合動力源，其中包括蓄電池、 內(nèi)燃機、液壓儲能器等各種動力裝置，混合動力汽車主 要是通過對這些動力源進行協(xié)調(diào)工作，從而在混合動力 汽車運行的過程中實現(xiàn)資源的合理配置，進而實現(xiàn)低耗 能、低排放的目標 [2]。

2混合動力汽車臺架試驗技術(shù)

為開展混合動力客車機電耦合系統(tǒng)（發(fā)動機+離合器+驅(qū)動電機+自動變速箱）的聯(lián) 合調(diào)試、匹配標定和測試評價等工作，搭建插電式同軸并聯(lián)混合動力系統(tǒng)試驗臺架，平臺結(jié)構(gòu)如圖 1所示。對整車道路負載進行模擬，基于 MATLAB、dSPACE 等軟硬件工具進行整車經(jīng)濟性的快速控制原型測試，為整車控制策略驗證提供試驗支撐。試驗平臺可分為底層執(zhí)行系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、多計算機系統(tǒng)。

2.1 底層執(zhí)行系統(tǒng)

底層執(zhí)行系統(tǒng)主要接收上層控制指令，執(zhí)行相應(yīng)動作，并通過傳感器將信號反饋于上層軟件。底層執(zhí)行系統(tǒng)主要包括混合動力客車機電耦合系統(tǒng)、發(fā)動機控制系統(tǒng)、模擬負載系統(tǒng)、制動系統(tǒng)總成輪速模擬器、油門踏板、油門踏板傳感器、顯示器、中控臺總成、基礎(chǔ)臺架等。

主要組成部分性能參數(shù)：

（1）機電耦合系統(tǒng)總成 系統(tǒng)由發(fā)動機、驅(qū)動電機、AMT、離合器等部分組成。

1.發(fā)動機：直列 6 缸電控柴油機，滿足國5 標準;額定功率/轉(zhuǎn)速，162kW± 5%/2500rpm;最大扭矩/轉(zhuǎn)速，730N.m±6%/1200～1700rpm。

2.驅(qū)動電機：貫通軸式永磁同步電機，額定功率 40kW，峰值功率 65kW;額定/ 峰值扭矩 350/500 N·m;最高效率 93%;最大電流 750A，最大電壓 200V。

3.變速箱：AMT 6 擋自動變速箱，最大輸入扭矩 1166Nm，各擋傳動比為 7.05/ 4.13/2.52/1.59/1.00/0.78/R6.75。

4. 電池：70Ah，標稱電壓 346V，最大沖電倍率 2C，最大放電倍率3C。

（2）發(fā)動機控制系統(tǒng)

1. 油門執(zhí)行器：當作用力為120N，直線行程為100mm時，時間小于 100ms;位 置控制精度：≤±0.5%。

2. 發(fā)動機油門拉線：長度大于 1.5m。

3. 發(fā)動機燃油恒溫控制裝置：適用300kW發(fā)動機，冷卻流量：2.5m?/h，運行溫度：50-150°C，溫控范圍：70-130°C。

4. 水溫調(diào)節(jié)裝置：適用 300kW 發(fā)動機和電機，穩(wěn)態(tài)下溫度控制精度±2°C（進口）、 ±3°C（出口），溫度測量精度±5°C，允許系統(tǒng)最大壓力 6bar。

5. 中冷空氣恒溫控制系統(tǒng)：發(fā)動機負荷范圍為300kW，增壓空氣流量：1400kg/h， 溫度設(shè)置/控制范圍：40-75°C。

6. 發(fā)動機油耗儀：量程范圍≥120kg/h，系統(tǒng)測量精度±0.5%FS。

（3）模擬負載系統(tǒng)

1. 交流電力測功機：額定扭矩 5000Nm，額定功率 250kW，最高轉(zhuǎn)速 3500rpm， 過載能力1.25，轉(zhuǎn)動慣量小于 8kg·㎡。

2. 電力測功機變頻柜：可四象限運行，額定電壓 380V，額定容量 600kVA，額定 電流 900A，矢量控制方式。

3. 扭矩轉(zhuǎn)速傳感器：非接觸測量方式，額定扭矩 5000N·m，額定轉(zhuǎn)速 3500rpm， 測試精度±0.5%。

4. 測功機控制儀：帶電子油門信號，控制精度±0.8%FS，測量誤差：±0.5%FS， 扭矩重復(fù)性偏差：±0.5%FS。

5. 測功機電源柜：額定容量 600kVA，中央控制，安全監(jiān)控通信接口，過流保護緊 急停車。

2.2 電氣系統(tǒng)

電氣系統(tǒng)提供車身底盤電控綜合測試平臺所需的電源，包括 220V，24V，12V 和 5V 等。電氣系統(tǒng)主要包括繼電器、接觸器、空氣開關(guān)、保險絲、接線端子、穩(wěn)壓電源、線 束等。另外，系統(tǒng)還用于實現(xiàn)底層執(zhí)行機構(gòu)與上下位機之間的通訊，包括上下位機發(fā)送 給執(zhí)行機構(gòu)的控制信號和底層傳感器反饋于上位機系統(tǒng)的信號。 混合動力試驗平臺電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，以 dSPACE 為核心，完成信號的采 集、處理、發(fā)送的過程，信號來源于：各部件控制器、傳感器和整車模型。整車模型的 信號作為驅(qū)動指令，控制電機等用電器的動作;傳感器信號是整車模型的輸入信號之一， 如電子油門踏板傳感器，也可作為 HCU 控制器控制信號，比如主缸壓力傳感器信號和輪 速傳感器信號。

電氣系統(tǒng)分為兩大模塊：電源模塊和信號模塊。電源模塊主要包括直流 12V、直流 5V、交流 380V、交流 220V 和常用電路輔助器件，其中各模塊系統(tǒng)可實現(xiàn)獨立控制，選 擇性在環(huán)模擬，并加裝急停開關(guān)，以保證操作過程中的安全性。信號模塊是以 dSPACE 為核心的信息流動系統(tǒng)，dSPACE 實時仿真技術(shù)是dSPACE 公司所研究開發(fā)出來的，其基本的設(shè)計理念與方法是基于對 MATLAB/ Simulink 從而進行開發(fā)研究的一款用來開發(fā)和測試控制系統(tǒng)的工作平臺，由于其主要是就是根據(jù) MATLAB/ Simulink 進行開發(fā)的，所以可以與 MATLAB/Simulink 實現(xiàn)完美的連接 [3]?？梢酝瓿蓪δM信號、數(shù)字信號、CAN 三種形式信號的處理，具有很強的實時性。

2.3 多計算機系統(tǒng)

在快速控制原型測試中，僅僅通過電氣接口無法連接 ECU，在這種情況下，利用 dSPACE 為機電部件和機電系統(tǒng)搭建高動態(tài)響應(yīng)測試平臺是絕佳的選擇。借助快速控制原 型技術(shù)可以輕松集成和測試電子控制單元和車輛總線。負載機械的參考值由實時仿真模 型實時提供。利用合適的I/O接口可以在測試臺架部件、ECU 與仿真之間實現(xiàn)真正的閉 環(huán)操作。因此，通過測試臺架與仿真器的耦合可以為電子和機械部件創(chuàng)建真實的負載場 景。測試系統(tǒng)由以下組件組成：

（1）PC 機：用于測試的配置和自動化的軟件它在PC上運行，用于仿真模型參數(shù)化 和仿真可視化的軟件也在PC上運行。數(shù)據(jù)管理軟件可以用于處理和管理測試數(shù)據(jù)，例 如模型、信號、參數(shù)、測試和測試結(jié)果。

（2）dSPACE：用于計算仿真模型以及連接實時模型和相關(guān) I/O 的處理單元，主要 使用的設(shè)備為 MicroLabBox 和 MicroAutoBox。dSPACE SCALEXIO 處理硬 件提供多核和多處理器支持，并通過 IOCNET 與 I/O 接口進行通信，能在實時條件下 處理大量的 I/O 通道和總線通道，這里選用 MicroLabBox 作為采集設(shè)備，能夠滿足多 種采集要求。

利用 MicroAutoBox 用來檢查控制功能的可靠性，可以實現(xiàn)全面的軟件和硬件支持。 MicroAutoBox II 配備的接口可以滿足多數(shù)主流汽車總線系統(tǒng)的需要，如 CAN、LIN、K-Line/L-Line、FlexRay 和以太網(wǎng)[4]。

3 試驗步驟

3.1 設(shè)備上電 ，依次對電氣設(shè)備及輔助設(shè)備進行上電操 作：

1） 總電源柜上電;

2） 混合動力試驗臺電源箱上電;

3） 操作臺上電;

4） 外水循環(huán)設(shè)備上電;

5） 油耗儀上電;

6） 排風機上電;

7） 散熱油泵上電;

8） 工控機上電;

3.2 設(shè)備運行

1）打開混合動力實驗臺架軟件，將 AFE（Active Front End）電源電壓設(shè)定為 330V;

2）可調(diào) AFE 電源運行;

3）發(fā)動機啟動;

4）打開 AFE 電源啟停旋鈕，AFE 電源運行;

5）變頻器運行。

3.3 軟件設(shè)置

1）打開操作臺軟件，默認狀態(tài)為混合工作模式，選擇軟件自動控制方式。

2）打開主機，進入 dSPACE Installation Manager 鏈接 dSPACE 和 Matlab。

3）修改 Matlab 模型。 啟動 Matlab，在 dSPACE 硬件平臺的選擇對話框中選擇 RTI1006。進入 RTI CAN操作界面，進行 CAN 卡設(shè)定。打開 Simulink 模型中的 HCU 子系統(tǒng)，將 RTI CAN 界面中的 CAN CONTROLLER SETUP 模塊放入模型中。對CAN發(fā)送和接收模塊進行配置，導(dǎo)入通訊協(xié)議，如圖3所示。

4）仿真系統(tǒng)配置

對仿真系統(tǒng)的配置參數(shù)做相應(yīng)的修改，具體修改如下：開始時間必須設(shè)為 0，求解 器必須為定步長，推薦選擇 ode1，ode3 和 discrete 求解器，終止時間設(shè)為無窮大。

5）在 ControlDesk 中建立工程進行試驗

Autobox 通過以太網(wǎng)與主機聯(lián)接，新建工程，定義工程與試驗，添加硬件平臺，導(dǎo)入sdf文件。在變量顯示窗口中選擇所要顯示的變量。點擊 Go Online 選擇在線運行，點擊 Start Measuring 觀測變量。

4試驗結(jié)果

為了對基于博弈理論的能量管理策略進行臺架試驗驗證，運行中國典型城市工況。測試初始，動力電池實際SOC為65.6%，將其統(tǒng)一設(shè)定為臺架試驗和仿真的初始SOC，觀察該駕駛工況下實際運行結(jié)果與仿真結(jié)果是否吻合。

1）測試結(jié)果

從表1結(jié)果可以看出，測試里程基本一致，整車能量消耗方面，臺架試驗所得到的試驗電耗比用博弈論算法求得的仿真測試電耗高約 0.16 度，全程油耗高約 0.11L。

2）臺架試驗與仿真測試曲線對比

從曲線對比可以看出，發(fā)動機和電機的能量流、動力輸出在大部分情況下與仿真結(jié)果相符，臺架試驗?zāi)軌蜉^好的響應(yīng)控制策略。

5結(jié)論

通過對快速控制原型實驗臺架的底層執(zhí)行系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和多計算機系統(tǒng)三大部分的結(jié)構(gòu)和功能進行了介紹。并且對試驗臺架的搭建做了詳細的介紹，基于 Matlab/Simulink、dSPACE 軟硬件工具進行整車經(jīng)濟性的快速控制原型測試，驗證整車能量管理策略，對比分析試驗結(jié)果與仿真結(jié)果，實現(xiàn)改善燃油經(jīng)濟性的目標。

參考文獻

[1] 黃碩.并聯(lián)混合動力客車能量分配策略及參數(shù)選型優(yōu)化研究[D].清華大學(xué)，2013.

[2] 朱志富.混合動力汽車傳動系統(tǒng)設(shè)計及其臺架試驗[D].重慶：重慶大學(xué)，2012.

[3] 李戰(zhàn)龍.混合動力汽車試驗臺架的研究與開發(fā) [D].長春：吉林大學(xué)，2004.

[4] 叢 麗 娜，榮志強.基于快速原型汽車網(wǎng)關(guān)開發(fā)平臺設(shè)計[J].汽車實用技術(shù)，2018（13）：96-98，115.

作者簡介：呂康（1994.12-），男，漢族，四川南充，碩士，汽車性能測試與仿真。