基于室内台架的电动汽车行驶工况仿真及测试

基于室内台架的电动汽车行驶工况仿真及测试

杜强

（天津市天波科达科技有限公司天津300385）

摘要：电动汽车行驶工况仿真台架系统由牵引电机-测功机试验台架、动力电池组及管理系统和计算机数据采集及控制系统组成。台架系统模拟实验时，将电动汽车的车辆参数及行驶工况输入到计算机进行处理，由开发的测试软件实时计算出模拟行驶工况运行时的电负载扭矩，并通过接口电路输出到测功机，控制测功机加载扭矩的变化，从而实现对牵引电机的变负荷控制。

关键词：电动汽车行驶工况

引言

动力系统测试是电动汽车研究的核心，测试方法主要有计算机仿真测试、室内台架测试和道路行驶测试。室内台架测试不受道路条件约束和环境影响，控制灵活，能在线检测整车动力系统性能以及各零部件状态信息。国外对台架测试平台早有研究，如文献进行了早期测试台架试验用于内燃机的研发和测试，文献开发了混合动力系统测试台架，针对性解决了混合动力系统动力总成等问题。目前，国内测试台架的研究集中于控制策略上。文献从电动汽车能量传递方面研究了系统控制。但文献在驱动电机性能测试上，采用整车机械惯量模拟台架进行试验，而机械惯量大小难以控制，测试台架存在局限性。在此基础上，文献提出了基于驾驶员与电驱动系统双在环动态模拟实验台。在这两种控制策略下，台架系统有较高的准确性和稳定性，但缺少电动汽车动力系统工况动态测试试验。文献基于虚拟仪器设计了电动汽车测试系统，针对整车控制器和动力系统进行集成测试，但对于动力系统各零部件的测试还存在不足，如驱动电机的带载能力、工作效率、控制优化等难以具体测试。台架测试平台在系统结构、控制策略和功能需求上还没有统一的方案，研究基于电力测功机的台架测试系统，能够改善传统测功机台架响应能力和切换能力差的缺点。因此，本文分析了测试平台的负载模拟原理，设计了基于九点控制的动态切换PID控制策略，构建测试系统硬件平台。

一、续驶里程和能耗均有等速法和典型工况法两种

测量方法，计算和测试可以针对这两种行驶工况进。等速能耗曲线通常以测出速度间隔为10km/h或20km/h的等速行驶能耗为标准，在“速度-能耗”曲线图上连成曲线，称为等速能耗经济特性曲线。等速能耗测试不能全面反映汽车实际行驶中受工况变化的影响，但对于经济时速的确定及匀速法计算续驶里程是有必要的。在对实际行驶车辆进行跟踪测试统计的基础上，各国都制定了一些典型的循环行驶试验工况，如美国环境保护局（EPA）制定了UDDS工况，国内常用ECE+EUDC工况，利用试验工况来模拟实际汽车运行状况，并以其百公里能耗来评定汽车在特定行驶工况下的能耗经济性。设电动汽车以ua匀速行驶时间t，则匀速法续驶里程工况法续驶里程：Si为每个状态的行驶距离；j为车辆能够完成的状态总数。在行驶工况下测试电动汽车的行驶里程及能量消耗时，试验台架上的牵引电机系统为实车上的电机系统。工作时，将各个时刻在台架上测量的电池组的端电压和放电电流的积对时间积分，得到电动汽车消耗能量式中：U为电池组端电压；I为电池组放电电流。

二、工况对HEV控制策略的影响

在一定的工况背景下得到的最佳控制策略，都具有一定的局限性，虽然部分实时优化控制策略可以做到不受具体工况的制约，但为了满足蓄电池荷电状态（SOC）保持这一全局性要求，不得不依据SOC相应地改变动力元件的工作状态，这样最终的控制效果还是不能摆脱特定的工况背景.这里以基于等效燃油消耗率最小化的离线瞬时优化控制策略为例就行驶工况对HEV控制策略的影响进行说明.该策略是根据车辆行驶过程中可能遇到的各种转矩需求和车速条件进行遍历寻优得出的结果，在线应用时增加了惩罚函数对优化结果的修正，该策略详细描述式中：K为惩罚系数；xSOC为蓄电池SOC经过标准化在[-1，1]范围内的值，a，b为系数.要使实际行驶工况下的控制策略达到最佳，必须对惩罚函数的具体表达形式或者是其中的系数进行针对性的调整，本文中调整系数b的值。

三、电动汽车行驶工况试验

电动汽车在道路工况测试时，台架测试平台电力测功机模拟车轮负载，稳定被测电机的转速，适应扭矩变化，发电运行，必要时工作在电动模式下，反拖被测电机，模拟车辆下坡，回馈制动。测功电机与驱动电机必须同时给转速值和扭矩值，使其能够实时响应动态工况的变化。监控界面显示系统工作状态，测试电动汽车在行驶工况的运行性能。根据电动汽车Labview测试平台的测试步骤，进行电动汽车ECE工况试验，将ADVISOR软件仿真得出的转速、转矩工况数据作为电动汽车工况测试数据，由上位机给电力测机转速数据，模拟负载情况，同时给电机控制器扭矩数据。0～50s为第1阶段，在12s时扭矩突变为38N•m，被测电机拖动测功机运行，电机转速匀加速上升至565r/min，停止加速。被测电机运行电动状态，测功机运行发电状态。然后进入匀速巡航阶段，扭矩立刻降为3.4N•m，并在22s时开始停车制动，扭矩立即降到－10N•m尽管匀减速运行，但扭矩并不恒定，可认为转速较低时，停止了驱动电机负载扭矩的给定，直至30s时停车，转速和扭矩分别降为0r/min和0N•m。

这时测功机作为制动器电动运行，被测电机发电运行。50～110s为第2阶段，重复第1阶段测试，在巡航阶段转速较高，为1207.7r/min，但扭矩相差不多，为5.0N•m。118～200s为第3阶段，比起前两个阶段，多了1次减速运行后匀速巡航。在140s时进入第1次巡航阶段，扭矩从25N•m突变为7.1N•m，转速恒定为1888.6r/min。在155s时减速，扭矩突变为－8N•m，然后匀速运行时，扭矩再次变为5.0N•m，最后在175s时减速停车制动。3个阶段被测电机和测功机都在电动状态和发电状态下运行，根据工况的不同不断切换，动态响应能力强。在ECE工况下，每个阶段转速和扭矩变化响应及时，整个试验过程模拟了实车在运行过程中实时响应负载状况。台架测试平台电力测功机能够快速地在电动状态和发电状态可相互切换，实现电机Ⅰ、Ⅳ象限运行，做到电能供给与能量回馈。切换过程中基本没有扰动，稳定性好，满足电动汽车测试台架动力系统测试要求。ECE工况测试下分析驱动电机性能，被测电机响应及时，输出扭矩大，运行状态切换迅速另外，从测试平台上得出被测电机母线电压U和电流I。电机的功率和效率计算公式为：输入功率：Pi=UI；输出功率：Po=T•n/9550；电机效率：η=Po/Pi。在做道路工况循环试验时，事先配置好汽车参数，选择试验工况。台架模拟行驶工况仿真及测试流程，根据汽车参数和“车速-时间”工况计算电机的“转速-时间”工况、电机的负载“转矩-时间”工况。程序读取计算出的电机工况，以时间为同步将转速指令输入到牵引电机控制器，扭矩指令输入给测功电机变频控制器，如果转速和转矩命令不同步，此试验没有意义，数据采集要实时跟踪、反馈并调整。

结束语：

本文运用计算机先进控制技术，可以实时地控制测功机负载扭矩的变化，从而实现了在牵引电机测功机试验平台上完成车辆行驶动态过程的模拟，并且在台架上测试了ECUV车在不同行驶工况下的续驶里程及百公里能耗。实车试验与台架测试结果比较说明台架模拟测试方法的有效性和可行性。系统运行稳定可靠，具有较高的推广应用价值，研究结果对于开发电动汽车及其传动系统的匹配优化设计具有一定的指导意义。

参考文献：

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