電動客車滑行試驗(yàn)的車輛控制研究

梅志斌，張強(qiáng)

（1.比亞迪汽車工業(yè)有限公司商用車事業(yè)群中試中心測試部，廣東 深圳 518118；2.比亞迪汽車工業(yè)有限公司商用車研究院匹配部，廣東 深圳 518118）

前言

在純電動客車開發(fā)階段，許多試驗(yàn)是由臺架實(shí)驗(yàn)室代替道路完成的，底盤測功機(jī)是整車進(jìn)行性能檢測的主要設(shè)備之一。底盤測功機(jī)可準(zhǔn)確模擬整車在道路上行駛的各種阻力，是完成整車動力經(jīng)濟(jì)性等室內(nèi)試驗(yàn)的必要設(shè)備，要想在轉(zhuǎn)轂臺架上準(zhǔn)確模擬出車輛道路行駛阻力，道路滑行數(shù)據(jù)的精度將直接影響臺架性能試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

近半年時間，我司C系、K系等多個車型在斷電滑行過程中，電機(jī)控制器被接連燒壞，車輛趴窩，造成重大損失。經(jīng)查明，這是由于控制器在大負(fù)荷帶載狀態(tài)突然斷電時，驅(qū)動系統(tǒng)能量無處卸放所導(dǎo)致。為了避免其他車輛在滑行試驗(yàn)中再次出現(xiàn)類似問題，高壓電器部門要求所有車輛必須N擋帶高壓電滑行，并聲明車輛N擋狀態(tài)沒有回饋，這種方法經(jīng)過幾個車型試行后發(fā)現(xiàn)，滑行數(shù)據(jù)在底盤測功機(jī)上無法完成擬合，而有些擬合完成后的加載阻力曲線在高速段，阻力反而略有下降。

這種結(jié)果表明純電動客車直接采用N擋滑行不能滿足測功機(jī)加載要求，加載阻力的準(zhǔn)確性也無法保證，關(guān)于滑行試驗(yàn)如何控制車輛狀態(tài)仍需深入研究。

1 N擋滑行過程中的電機(jī)能量介入

電動車的道路滑行數(shù)據(jù)在轉(zhuǎn)轂上擬合出現(xiàn)異常，首先考慮是由于滑行過程電池能量參與引入回饋造成。

1.1 N擋有無回饋

確認(rèn)N擋有無回饋，有一個簡單易行的方法，即車輛在轉(zhuǎn)轂上保持N擋，利用轉(zhuǎn)轂的反拖功能使車輛在各個速度運(yùn)行，此時使用功率計(jì)監(jiān)控整車放電功率，如果N擋時電機(jī)沒有能量介入滑行（即沒有回饋也沒有動力輸出），那么整車總功率應(yīng)始終保持不變。反之，整車總功率如果隨著車速變化而變化，則說明N擋存在電機(jī)能量參與。

對車型1進(jìn)行轉(zhuǎn)轂反拖滑行，過程數(shù)據(jù)如圖1所示。數(shù)據(jù)顯示高速段（車速50km/h以上）有明顯回饋功率，車速越高，回饋功率值越大，功率值大約（1–5）kW。

圖1 車型1N擋反拖車輛其車速與整車功率變化曲線

為了證實(shí)N擋滑行時電機(jī)能量參與是普遍存在的，多個車輛上轉(zhuǎn)轂進(jìn)行反拖滑行，發(fā)現(xiàn)絕大部分車型均有類似現(xiàn)象，即N擋滑行或者存在電機(jī)回饋能量，或者存在電機(jī)驅(qū)動能量。其中電機(jī)驅(qū)動能量參與，有代表性的數(shù)據(jù)是車型2在高速段，電機(jī)提供（1-3）kW的驅(qū)動功率，數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 車型2N擋反拖滑行車速與整車功率變化曲線

1.2 標(biāo)準(zhǔn)對滑行時車輛狀態(tài)的規(guī)定

標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12536-2017《汽車滑行試驗(yàn)方法》[1]中的4.4.3.5明確規(guī)定：對于帶有能量回收裝置的試驗(yàn)車輛，應(yīng)確保變速器擋位置于N擋時能量回收裝置不產(chǎn)生驅(qū)動或者阻止車輛滑行的力。

1.3 測功機(jī)無法準(zhǔn)確加載的滑行數(shù)據(jù)

這種電機(jī)有能量參與滑行的數(shù)據(jù)，測功機(jī)無法使用。競品車車型3強(qiáng)制斷電滑行有風(fēng)險(xiǎn)，因此采用N擋滑行，道路滑行阻力數(shù)據(jù)看似無異常，但最終在轉(zhuǎn)轂滑行完后，擬合二次曲線，即得到轉(zhuǎn)轂加載阻力曲線時發(fā)現(xiàn)，高速段速度越大，阻力反而略微減?。⊕佄锞€開口向下），而實(shí)際在高速段阻力會隨車速增加而明顯增大，即加載阻力曲線應(yīng)當(dāng)開口向上，顯然這種結(jié)果無法準(zhǔn)確給測功機(jī)加載，如圖3所示：

圖3 車型3加載阻力曲線

2 N擋滑行有電機(jī)能量介入的原因

車輛結(jié)構(gòu)上，電機(jī)不可能保持空擋。電機(jī)通過主減、行星減、輪胎傳遞動力到路面，這一機(jī)械結(jié)構(gòu)是固定的，無法和帶變速箱的傳統(tǒng)車一樣，保持空擋使電機(jī)和驅(qū)動輪之間形成機(jī)械結(jié)構(gòu)上的脫開，這是N擋下電機(jī)能量參與滑行過程的前提條件。

N擋狀態(tài)下，控制驅(qū)動電機(jī)通電的接觸器是常閉合的，并不會因?yàn)镹擋而切斷電機(jī)電流的回路，而電機(jī)的扭矩輸出主要依賴于整車控制器扭矩指令和電機(jī)控制器的控制?？刂撇呗灾?，N擋的目標(biāo)扭矩為0，但實(shí)際上車輛出廠時，電機(jī)初始零位信息未校準(zhǔn)，這是控制狀態(tài)N擋滑行能量介入的根本原因。

永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置直接影響電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制、速度控制的精度和動態(tài)性能，需要安裝轉(zhuǎn)子位置傳感器來獲取轉(zhuǎn)子的位置信息，通常使用旋轉(zhuǎn)變壓器（一種傳感器，通常稱做旋變）來實(shí)現(xiàn)。電機(jī)和旋變的制造、安裝過程存在一定的偏差，這種偏差需要通過電機(jī)控制器設(shè)定的電機(jī)零位參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，否則會造成控制N擋滑行過程中，電機(jī)帶來額外的能量參與。

3 N擋滑行帶回饋數(shù)據(jù)無法擬合加載

當(dāng)?shù)玫降幕凶枇β手泻须姍C(jī)回饋能量或者驅(qū)動能量，最終轉(zhuǎn)轂加載數(shù)據(jù)會和實(shí)際道路行駛阻力偏差較大，如下根據(jù)底盤測功機(jī)的原理進(jìn)行深入分析。

在道路上進(jìn)行滑行得到車輛行駛阻力，需要再到底盤測功機(jī)上進(jìn)行擬合。無論車輛在轉(zhuǎn)鼓還是在道路上行駛，車輛內(nèi)阻都是同樣存在的。因此，需要在車輛擬合的過程中去除車輛這部分內(nèi)阻，才能得到轉(zhuǎn)轂的阻力設(shè)定值，即測功機(jī)的加載阻力[2]。測功機(jī)擬合滑行涉及三個參數(shù)：

（1）目標(biāo)阻力（Target），代表了造成車輛在滑行過程中受到的所有阻力；

（2）車輛損失（Vehicle loss），代表車輪、車軸等形成的阻力，對于驅(qū)動輪，無論車輛在測功機(jī)上還是在實(shí)際路面上，這種力都存在；

（3）測功機(jī)加載阻力（Dyno Set），代表為了模擬車輛在實(shí)際路面行駛而必須由測功機(jī)施加到車輛上的力，這部分力包括車輛行駛時的風(fēng)阻、前輪阻力等。

這些阻力是一個動態(tài)變化的過程，其值會隨車速變化而變化，三者之間的關(guān)系為：

Dyno Set = Target-Vehicle Loss

在車輛擬合的過程中，轉(zhuǎn)鼓測試自身鼓面阻力 并與道路阻力進(jìn)行比較，需要重復(fù)進(jìn)行迭代修正過程，當(dāng)滑行開始后，轉(zhuǎn)轂自帶軟件運(yùn)行使用預(yù)估的 Dyno Set作為施加力開始滑行。擬合滑行過程中，不斷地重復(fù)進(jìn)行如下過程：

直到滿足如下要求，擬合滑行才能正常結(jié)束：DynoMea-sured-DynoTarget≤設(shè)定的精度。正常情況下，轉(zhuǎn)鼓擬合滑行中各個參數(shù)間的關(guān)系可簡化如圖4所示，橫坐標(biāo)代表車速，縱坐標(biāo)代表阻力值：

圖4 擬合滑行時各個參數(shù)變化關(guān)系

由于得到Dyno Set的擬合滑行過程中，測功機(jī)是先將阻力擬合成曲線得到對應(yīng)的阻力系數(shù)，再執(zhí)行公式②計(jì)算，即相當(dāng)于曲線減去曲線，而不各個速度下的Target直接減去對應(yīng)速度的Vehicle loss，因此不能簡單理解為變化的Vehicle loss這部分可以直接減去。這是由底盤測功機(jī)的工作原理決定的。

當(dāng)滑行過程中高速段出現(xiàn)回饋能量，Vehicle loss會明顯增大，而且隨著車速的增加而變大，由公式②可知，此時在對應(yīng)速度段的Dyno Set會相應(yīng)變小，這樣得到的結(jié)果有兩種：第一種是測功機(jī)最終得到的Dyno Set系數(shù)，會使得隨著車速增加行駛阻力反而減小（二次曲線開口向下），見圖4中曲線虛線部分；第二種是由于回饋能量過大，測功機(jī)多次擬合滑行也無法得到滿足滑行精度的Dyno Set系數(shù)，達(dá)到最大滑行次數(shù)被迫停止擬合滑行，即擬合失敗。

當(dāng)滑行過程中電機(jī)有驅(qū)動能量參與時，比帶有回饋的情況稍好，雖然滑行阻力曲線經(jīng)過二次擬合后Dyno Set也可得到開口向上的二次函數(shù)，但最終模擬的加載的阻力也不準(zhǔn)確。[3]

4 最新滑行試驗(yàn)方案驗(yàn)證

滑行過程中電機(jī)有無能量參與，是否會影響最終測功機(jī)加載的準(zhǔn)確性，關(guān)鍵看這個過程中電機(jī)有多大的額外的力傳遞到車輪，利用底盤測功機(jī)的反拖功能，可以測得不同速度下車輛驅(qū)動輪的阻力，如果滑行過程中這個輪端阻力（輪邊力）和拔掉三相線時的阻力保持一致，則說明滑行過程中沒有電機(jī)能量參與，反之則有。

經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，利用底盤測功機(jī)的損失補(bǔ)償功能，可自動的將車輛反拖加速到各個指定速度，然后自動記錄各速度的輪邊力，這種過程可以避免人為讀數(shù)的誤差（直接反拖測輪邊力需要手動記錄各個速度的阻力值，通常轉(zhuǎn)轂拉壓傳感器反饋的力值跳動較大，肉眼不容易讀出準(zhǔn)確數(shù)據(jù)）。

車型4驗(yàn)證車輛不同控制狀態(tài)下驅(qū)動輪的阻力是否有差異，在底盤測功機(jī)損失補(bǔ)償界面以10km/h間隔設(shè)定車速（10-100）km/h。車輛預(yù)熱完后，執(zhí)行損失補(bǔ)償測量，得到車輛的不同車速下的阻力值，即車輛內(nèi)阻，數(shù)據(jù)匯總成曲線，如圖5所示：

圖5 車型4不同狀態(tài)下各車速的輪邊力

數(shù)據(jù)表明，在完全斷電狀態(tài)滑行時，車輛內(nèi)阻和斷三相線時幾乎完全一致，即斷電狀態(tài)時電機(jī)沒有能量參與滑行。而直接控制N擋狀態(tài)，電機(jī)有明顯的能量參與，不滿足測功機(jī)加載要求。

可以初步得出兩種滑行試驗(yàn)控制車輛狀態(tài)的思路：第一，控制斷電狀態(tài)滑行，可以滿足滑行準(zhǔn)確性要求；第二，使用N擋狀態(tài)滑行，利用上述驗(yàn)證方法，如果N擋狀態(tài)測得車輛內(nèi)阻能夠和斷三相線時（同完全斷電狀態(tài)時）的內(nèi)阻保持一致，那么就能使用N擋狀態(tài)滑行。

經(jīng)過評估，某些車輛如果行駛中突然強(qiáng)制斷電，燒控制器的風(fēng)險(xiǎn)無法完全避免，從車輛安全的角度出發(fā)，盡可能不使用斷電狀態(tài)進(jìn)行滑行，那就要著手研究如何保證N擋滑行電機(jī)能量不參與。

通過上文分析，電機(jī)初始零位校準(zhǔn)可以盡可能避免N擋狀態(tài)滑行時電機(jī)能量參與。但電機(jī)標(biāo)零位涉及多個部門協(xié)同工作：電機(jī)廠提供零位信息、電控廠提供零位標(biāo)定上位機(jī)、電器部門實(shí)車標(biāo)定。零位標(biāo)定流程梳理清晰后，于是著手安排試驗(yàn)驗(yàn)證。

車型5拿到電機(jī)出廠零位信息，標(biāo)定完之后，在轉(zhuǎn)轂上執(zhí)行轉(zhuǎn)轂反拖測量驅(qū)動輪內(nèi)阻，斷電與N擋狀態(tài)內(nèi)阻對比結(jié)果如圖6所示：

圖6 車型5 斷電與N擋內(nèi)阻對比

數(shù)據(jù)表明，這種偏差在車輛行駛阻力中占比完全滿足偏差≤2%的要求。通過對多輛車的零位信息標(biāo)定，對比N擋與斷電狀態(tài)下的內(nèi)阻，發(fā)現(xiàn)偏差均滿足要求，最終確認(rèn)電機(jī)零位標(biāo)定準(zhǔn)確時，可以采用N擋狀態(tài)進(jìn)行滑行試驗(yàn)。

5 結(jié)論

（1）車輛N擋滑行時，若電機(jī)有明顯的能量參與，最終測功機(jī)無法得到準(zhǔn)確的加載阻力或者測功機(jī)無法完成擬合；

（2）車輛完全斷電狀態(tài)時，電機(jī)沒有能量參與滑行過程，準(zhǔn)確性較高，但斷電狀態(tài)滑行導(dǎo)致燒電機(jī)控制器的風(fēng)險(xiǎn)無法完全避免；

（3）準(zhǔn)確的標(biāo)定電機(jī)零位后，可以控制車輛N擋狀態(tài)進(jìn)行滑行試驗(yàn)，其準(zhǔn)確性滿足試驗(yàn)要求，推薦使用。