（光学工程专业论文）电动汽车试验台总体设计与技术研究.pdf

摘要 目前，国内外进行电动汽车的研究主要通过计算机仿真、室外道路实车试验 和室内台架试验三种方法来进行，本文分析了这三种试验方法的优缺点，指出了 室内台架试验的优势所在。而室内台架试验一般有在底盘测功机上直接进行试验 和台架模拟试验两种形式，底盘测功机试验不能在电动汽车的研究和开发前期提 供必要的动力匹配、能源管理系统、电机及其控制系统、制动能量回收以及混合 动力电动汽车的动力耦合控制等所用的试验平台，台架模拟试验能够弥补底盘测 功机试验的不足，为电动汽车关键技术的研究提供一个真实的试验环境，找出合 理、可靠的设计方案。因此，开发电动汽车试验台具有十分重要的意义。 在进行电动汽车试验台的总体设计时，采用了模块化的设计思想，使试验的 应用范围较广，试验对象覆盖面较宽，具有通用性和可扩展性。根据试验台的功 能要求，按照模块化设计思想，本文将试验台的建设划分为电机控制及其测试模 块、整车平移惯量模拟模块、行驶阻力模拟模块、能源管理模块、制动能量回收 模块和混合动力电动汽车的动力耦合控制试验等六大主要模块。由于条件的限 制，在满足课题研究的情况下，试验台第一阶段的建设首先完成前四大模块的设 计和开发工作，其它两个试验模块将根据以后研究工作的需要逐步完善。 根据实验室的具体情况，结合已开发的大客车底盘综合试验台，本文提出了 电动汽车试验台建设的结构方案，讨论了试验台开发的可行性、关键器件选型和 试验台相关参数的测试技术等；给出了整车惯量模拟模块、能源管理模块和电机 控制及其测试模块的总体设计方案。最后，本文还讨论了电动汽车试验台行驶阻 力的加载控制系统，基于l a b v i e w 7 0 开发了行驶阻力加载控制软件，给出了整 车性能的台架试验方法，并分析了影响台架试验精度的因素，提出了部分解决措 施。 关键词： 电动汽车；试验台；测功机；能源管理；控制系统 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，p e o p l er e s e a r c ht h ee v ( e l e c t r i cv e h i c l e ) t e c h n o l o g yt h r o u g ht h r e e m a i nm e t h o d s ：c o m p u t e re m u l a t i o n 、o u t d o o rr o a dt e s ta n di n d o o rb e dt e s t t h ep a p e r a n a l y z e sm e r i t sa n dd e m e r i t so ft h e m ，f i n d so u tt h ea d v a n t a g eo fi n d o o rb e dt e s t i n d o o rb e dt e s th a v et w om a i nf o r m s ：c h a s s i sd y n a m o m e t e rt e s ta n db e ds i m u l a t i o n t e s t c h a s s i sd y n a m o m e t e rt e s tc a n to f f e rt e s t i n gc o n d i t i o nf o rd y n a m i cm a t c h i n g 、 m o t o rc o n t r o l l e r 、e n e r g ym a n a g e m e n ta n dr e g e n e r a t i v eb r a k i n ge n e r g yr e c o v e r y b e f o r ee vi sd e v e l o p e da n dc a n tf i n do u tr e a s o n a b l ed e s i g nf a t h e r , w h i l eb e d s i m u l a t i o nt e s tc a r le a r l yo u tt h e s ef u n c t i o n se a s i l y , s oi ti ss i g n i f i c a n tt od e v e l o pt e s t b e d i no r d e rt oe n l a r g er a n g eo ft h eu s e ，t h ep a p e ra d o p t sm o d u l a rd e s i g nt od e v e l o p t e s tb e d a c c o r d i n gt of u n c t i o nd e m a n d s ，t h et e s tb e di sc o m p a r t m e n t a l i z e di n t os i x m o d u l e st ob ec o n s t r u c t e d ：m o t o rc o n t r o l l i n ga n dt e s t i n gm o d u l e 、i n e r t i as i m u l a t i o n m o d u l e 、l o a ds i m u l a t i o nm o d u l e 、e n e r g ym a n a g e m e n tm o d u l e 、b r a k i n ge n e r g y r e c o v e r ym o d u l ea n dd r i v ec o u p l i n gc o n t r o lm o d u l eo fh y b r i de v l i m i t e db yp r e s e n t c o n d i t i o n s ，w ew i l lb u i l da n t e r i o rf o u rm o d u l e sf i r s t l yi nt h ef i r s ts t e p ，o t h e r sw i l lb e b u i l ti nt h ef u t u r er e s e a r c hw o r k t a k i n ga c t u a lt h i n g so fl a ba n db a s i cr e q u i r e m e n t s i n t oa c c o u n t ，t h es t u d y s c h e m e ss t r u c t u r ed e s i g no f t h et e s tb e d ，d i s c u s s e sd e v e l o p i n gf e a s i b i l i t y 、s e l e c t i o no f k e yc o m p o n e n t sa n dt e s t i n gt e c h n i q u eo ft e s t b e dp a r a m e t e r sf i r s t l y , t h e nt h ep a p e r d e s i g n si n e r t i as i m u l a t i o nm o d u l e 、e n e r g ym a n a g e m e n tm o d u l e a n dm o t o rc o n t r o l l i n g a n d t e s t i n gm o d u l e ，s t u d i e sl o a d s i m u l a t i o nm o d u l ea n di t sc o n t r o l ，e x p l o i t s l o a d c o n t r o ls o f tb a s i n go nl a b v i e w7 0 a tl a s t ，t h et h e s i sd i s c u s s e sv e h i c l e p e r f o r m a n c ee x p e r i m e n t a t i o n ，a n a l y z e sf a c t o r st h a ta f f e c tt e s tp r e c i s i o n ，a n db r i n g s f o r w a r ds o m es o l v a b l em e a s u r e s k e yw o r d s ：e v ；t e s t - b e d ；d y n a m o m e t e r ；e n e r g ym a n a g e m e n t ；c o n t r o ls y s t e m 论殳蚀钏住声叨 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论支妻口识产仅仅属声日月 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 劾膨 护，年口捐7 o e 鸟也膨。6 年f 月 第1 章绪论 汽车已经成为二十一世纪人们日常生活中离不开的代步和运输工具。但是， 随着机动车数量的逐渐增多，其排放污染和噪声污染也日益加剧，再加上石油供 应的相对紧缺等原因，使得世界各国都在积极努力地研究能够代替传统汽车的电 动汽车。电动汽车由于能够实现超低排放甚至零排放的要求，因此得到了许多国 家政府和企业的高度重视，并被视为调整交通能源使用结构和改善城市大气环境 质量的有效途径之。 1 1 电动汽车试验方法概述 汽车试验是伴随着汽车工业的建立和发展而逐渐发展起来的，已成为汽车研 发过程中一个不可缺少的重要环节。由于受能源危机等因素的影响，世界各国对 电动汽车的研究都十分重视，电动汽车与传统燃油汽车的最大区别是用电机和电 能代替( 或部分代替) 传统汽车的内燃机和燃油燃料，因此，与传统汽车的研发 相比，电动汽车的研发和试验主要集中在电机及其控制方面、动力电池方面、制 动能量回收、传动系统及整车匹配等方面。 另外，电动汽车是综合了蓄电池、电机及其控制、汽车等技术的产物，从电 机方面来看，可以把车辆的各种阻力作为电机的负载，把问题归纳为电机的拖动 和控制问题；而从车辆技术方面研究，电动汽车又属于汽车技术领域的问题。因 此对电动汽车的研究主要是使电机技术和汽车技术更好地结合起来，找n - - 者之 间最佳的匹配。 目前国内外进行电动汽车的研究主要通过室外道路实车试验( 包括道路试验 和试验场试验) 、室内台架模拟试验和计算机仿真试验研究三种方式来进行。 1 1 1 室外道路实车试验 室外道路实车试验包括道路行驶试验和试验场试验嘲，它是指在实际使用的 道路或专门的试验场地上对汽车进行的各种操作中来观察和检验汽车的运动状 况，是探讨汽车的运动特性和检验汽车性能最直接、最准确的方法。 车辆道路行驶试验是在实际使用条件下，全面地测试和考核车辆性能所采用 的最普遍一种方法。近几年来，各种商性能的传感器、磁带记录器和短距离遥测 系统的采用，使得道路试验能够测量较多的性能和参数。车辆道路试验的主要项 目有动力性能试验、制动性能试验、经济性试验、操纵和稳定性试验、通过性试 验、噪声试验、可靠性和耐久性试验等。 车辆试验场试验是按预先制定的试验项目和规范在规定行驶条件下进行试 验。试验场可设置比实际道路更恶劣的行驶条件和各种典型道路、典型环境( 如 路面不平度、急转弯、上下陡坡等) 。在试验场进行可靠性试验、寿命试验、环 境试验以及强化试验，如选定比汽车一般行驶更恶劣的道路、增加负荷的频率而 负荷和应力值保持不变、增加持续行驶的时间( 如昼夜三班循环试验) 、采用更高 的行驶速度等，不仅可以缩短试验周期而且还提高了试验的对比性。 室外道路实车试验除了汽车本身的特性之外，还要受路面状况、风向、风速、 驾驶员等因素的影响。因此，除了汽车本身以外的条件要尽量保持恒定外，还要 除去多余的参数，使室外道路实车试验在同一条件下进行，因此室外道路实车试 验中的各种试验方法都要求在特定的环境中( 试验场、风速、温度等) 进行。另 外，由于汽车是由驾驶员来操作的，所以室外道路实车试验中不能忽略驾驶员和 汽车的适应关系。 由于电动汽车是在内燃机汽车的基础上进行研发的，电动汽车的技术研究主 要在动力匹配、电机驱动控制、能量管理系统、制动能量回收、动力传动系统和 整车系统的优化等方面，因此对电动汽车的试验也主要是针对这些关键技术来进 行的，通常进行电动汽车研究的室外道路实车试验项目主要包括电动汽车的起步 试验、动力性试验、制动能量回收试验、经济性和续驶里程试验等几个方面。 1 1 2 室内台架模拟试验 汽车室内台架模拟试验是在试验室内进行的，一般有在底盘测功机上直接进 行试验和台架模拟试验两种形式。 利用底盘测功机试验时，汽车不动，试验设备相对于汽车移动或振动，同时 通过一些技术措施，模拟汽车在实际行驶时的受力、载荷等，并在尽可能接近实 际行驶条件下进行各项参数的测量，能以较高的精度测试车辆及其零部件的性 能，并能排除不需要研究的某些因素，如环境条件、驾驶员熟练程度等。 台架模拟试验是在汽车开发出来之前，通过试验设备对拟采用的发动机或电 机施加汽车行驶过程中的各种阻力，并且通过惯量模拟装置模拟所要开发的汽车 2 运行中的惯性能，利用这种模拟试验台可以进行汽车的动力匹配、电动汽车的电 器总成试验、能源管理系统试验、再生制动试验等。 近几年来，随着计算机技术：电子技术的应用，车辆室内模拟试验技术发展 较快，试验项目增多，试验速度加快，精确程度提高，如室内动力性、经济性、 排气分析、耐久性、振动疲劳、环境试验等，并产生了各种各样的专用试验装置， 再加上电子计算机控制和处理数据技术的运用，使室内台架模拟试验进入了新的 发展阶段。目前室内台架模拟试验广泛采用了随机加载、数据自动记录和采集处 理系统，能够模拟车辆的实际使用工况，提高了试验精度，缩短了试验周期，加 快了新产品开发的步伐。室内模拟试验不仅可以对零部件、总成进行性能、强度 和寿命试验，也可以对整车参数进行测定，模拟道路行驶的各种试验。 1 1 3 计算机仿真研究 电动汽车集机、电、化各学科领域中的高新技术于一体，是汽车工程、电力 拖动、功率电子、自动控制、化学电源、计算机、新能源、新材料等工程技术中 最新成果的集成产物。因此可以说电动汽车的研制开发是一项涉及多学科交叉的 综合性系统工程。在对电动汽车进行研究的过程中，一方面需要站在系统水平的 高度对诸如电动汽车部件选型、结构布置、传动系参数匹配、整车能源管理与控 制策略优化等问题进行全面分析，在平衡传动系统、电力系统、能量管理系统等 子系统的基础上确定整车的集成系统；另一方面又由于其快速发展的需求，要求 设计者快速、灵活、有效地寻找到技术突破口，以缩短设计周期，节省科研经费。 鉴于这些特点。仿真技术被广泛应用到电动汽车的设计与开发过程中，尤其在电 动汽车的前期理论研究阶段，仿真技术越来越显示出不可替代的重要作用。 按照仿真过程中控制信号与能量流的传递路径，通常把对电动汽车的仿真研 究划分为前向仿真与后向仿真研究两类呻1 。图1 1 和1 2 分别为电动汽车的前向仿 真和后向仿真结构图。 前向仿真结构中引入了驾驶员模型，其功能在于根据工况需求车速与仿真所 得的车速来实时调整加速踏板和制动踏板开度，从而使得控制器按驾驶员意图进 行能量管理与分配。在仿真过程中，驾驶员对踏板的调整通常是以转矩的形式体 现出来。控制器按照驾驶员需求计算出驱动装置应提供的转矩或功率，并决定相 关部件的工作状态，然后以控制指令的形式直接传送到相应的部件，从而实现对 整车的控制。整个仿真系统中的控制信号与能量流完全按照与实车相同的传递路 线进行传递，即从驱动装置到传动部件，最后到达车轮。 n l n l l 传动系i 赴 寸叫嬲l 啼 t l t 卜一兄 图l _ 1 电动汽车前向仿真模型的结构图 鬻芒私橱趣至 怔三悃 图1 2 电动汽车后向仿真模型的结构图 后向仿真是从系统需求出发，假定车辆按指定工况行驶，通过仿真计算得到 为满足工况要求整车各部件应处的工作状态，以此作为车辆性能分析的依据。在 这种结构中，整车行驶所需驱动力矩按照工况要求的车速进行每一时间步的实时 计算，并沿与实际转矩传递路线相反的方向进行传递计算，控制器则根据已制定 的能量管理策略，将传动部件传送的整车需求功率进行分配后，以需求值的形式 传递给各动力源，从而实现控制。 后向仿真与前向仿真各有优点，在电动汽车设计过程中，后向仿真一般被用 于初期的系统预估，即对所需开发的电动汽车整车结构及相应的控制策略作初步 的筛选与评估。前向仿真则是在实车系统组装前，通过对已选定的部件进行详细 设计和动态模拟，在寻求并优化与之相匹配的整车控制策略的原则指导下，适当 改进相应部件的设计参数，以达到整车性能满足设计要求的目的。 1 1 4 三种试验方法的比较 室外道路实车试验是检验汽车性能最直接、最可靠的方法，具有测试结果准 确的优点，可以全面考核、评价车辆的技术性能，简单易行，这也是以前采用较 多的试验方法。但是由于道路条件难于控制，而行车又受到交通状况和其他条件 的限制，试验结果的重复性和可比性都比较差。此外，在可靠性和耐久性试验中， 由于行车时间较长，造成大量人力、物力、财力的浪费，使产品开发的周期变长， 而且也不安全。随着汽车试验技术的发展，目前广泛采用由各种试验道路、试验 场地、试验室以及各种辅助设旖组成的汽车试验场来代替实际使用的道路，由于 试验场内有些试验路段是模拟汽车的实际使用工况的，试验结果可以与实际行驶 的情况基本相同。又因为试验场的道路可以人为地强化，比实际道路行驶更具有 4 恶劣的路况，因而在很短的试验里程内即可获得试验结果，大大缩短了试验时间， 提高了效率。另外，试验场的试验跑道和设施是稳定和专用的，而且试验时不受 外界交通条件等因素的影响和干扰，因此能保证试验条件的一致性。但是，由于 室外道路实车试验一般都是在汽车产品开发出来之后才能进行，因此它只能用来 评价已开发车辆的性能，不能在汽车设计开发出来之前进行相关的动力匹配试 验、电器总成试验等，因此不能给车辆的设计提供比较合理、可靠的方案。 利用计算机仿真的方法进行电动汽车的研发，能够对电动汽车的参数进行分 析优化，得出合理的动力匹配和整车参数，大大降低了产品的设计开发费用，缩 短研制周期，同时也能提高产品的性能。计算机仿真的关键在于所建模型的正确 性与精确性，但是由于电动汽车是一个比较复杂的系统，不同地区的交通环境条 件也存在差异，其行驶工况不容易统一设计，这就给计算机模拟带来了一些困难， 在忽略一些因素基础上所建立的数学模型往往不能准确地反映电动汽车实际的 运行情况和性能。 室内台架模拟试验主要是通过模拟汽车行驶时作用在发动机或电机输出轴 上的实际负载，再现汽车行驶中的起步、换挡、变速、制动等过程，理论上可以 达到与室外道路实车试验完全相同的效果，可以灵活地进行汽车的动力性、能耗 与续驶里程、制动能量回收等试验的研究。这打破了汽车研究中一贯采用的台架 转鼓道路的三阶段试验模式，大大缩短了研制周期，节省了经费开支。 据有关资料估计，如果4 5 的实车试验能以台架试验代替，将使汽车的研制周期 缩短至原来的1 4 ；而完成相同内容的试验，台架试验的经费仅为实车试验的1 3 左右。室内台架模拟试验具有投入小、试验方便可靠、应用范围广等优点，但是 汽车行驶工况的再现和行驶阻力的模拟与汽车的真实运行状况之间存在差异，该 差异的大小取决于试验台的控制技术，近几年来计算机和电子技术的迅速发展和 应用，为试验台的控制技术提供了基础和保障。 1 2 电动汽车试验台研究的现状及意义 通过对电动汽车三种试验方法的分析，可以看出电动汽车室内台架模拟试验 具有较为突出的优点，本文将结合电动汽车的台架试验技术来进行电动汽车试验 台的设计和开发研究工作。 1 2 1 试验台的研究现状 目前电动汽车的研发主要通过计算机仿真、室内台架试验和室外道路实车试 验三种方式进行。计算机仿真有适应性强、费用低、开发周期短等优点，但受动 力系统复杂的数学模型制约，难以得到准确结果，仿真结果的可信性、可用性必 须通过其它途径来检验。室外道路实车试验能够为开发对象提供真实的运行环 境，但成本高、适应性差、测试和调节难度大。而室内台架试验有不受外界自然 环境的限制的优点，它的零部件的布置可以不受整车总布置的限制，试验台的模 块化还可以为不同类型的电机及其控制器、蓄电池及其管理模块以及整车控制器 等提供所需的试验环境。但是国外从事电动汽车试验台技术的研究却鲜有报道， 国内也只有少数科研院所从事相关的研究。 清华大学汽车安全与节能国家重点实验室的陈全世、伦景光等主持完成了 “电动汽车电池、电机、电控及整车性能综合测试系统研制”的课题。该成果 为国家“八五”科技攻关电动车项目的一个成果，研制出了电动汽车牵引电池变 工况试验台、驱动电机及其控制系统和电动轮试验台，建立了套包括整车转鼓 试验台及电动汽车设计、数据传输和多功能计算机在内的局部网络。该成果的性 能指标达到了攻关合同的要求，具有国外九十年代类似设备的先进水平，该测试 系统的成本却只有国外同类测试设备的十分之一或几十分之一，具有很大的推广 潜力，不但为完成“八五”国家重点科技攻关项目电动汽车关键技术研究奠 定了基础，而且为国内其它单位进行电动汽车试验研究提供了试验条件，并于 1 9 9 6 年5 月攻关专题通过了机械工业部组织的鉴定。 作为承担国家“8 6 3 ”电动汽车专项研究的武汉理工大学汽车工程学院，为 了对所开发的电动汽车进行各方面的性能测试，开发了适用于电动汽车性能测试 的底盘测功机，为电动汽车的开发研究提供室内试验平台。 吉林大学也依托国家8 6 3 电动汽车重大专项课题，根据近几年来的摸索积累 了一定实践经验，结合理论指导，提出了具有国内、国际先进水平的混合动力试 验平台的结构方案和技术方案及相关的试验规范。该混合动力汽车试验台架可直 接对混合动力汽车整车控制目标，如动力性能、经济性能和排放性能进行全面的 检测，同时也可对混合动力汽车动力总成控制系统进行全面调试和检测。 另外，北京正源通达科技有限公司研 制了z y - d 系列蓄电池巡检系统，该产品 采用了先进的隔离检测技术，实现对单体 电池电压、温度完全隔离检测，具有安全 性能突出的分布式、模块化结构：美国的 阿滨仪器( a r b i ni n s t r u m e n t s ) 公司研制 图1 3z y - d 巡检系统的单体电池监测模块 6 出了蓄电池测试系统的成套产 品，而且测试效果、性能与经济 性都比较好；德国d r s t a i g e r m o h i l o 公司基于自身扭矩传感器 技术优势，研发了电机试验台架， 可以实现6 通道电流、电压信号 测试与分析，对电机各项功率测 试进行单独测试：北京理工大学 开发了电动汽车电机试验台；清 华大学还开发了一个8 0 k w 直流图1 4 北京理工大学的电机试验台 电机试验台架和一个2 2 0 k w 交流电机试验台架等。 上述这些室内试验台架的研究有的是模仿汽车底盘测功机而进行的，有的是 根据自己项目的需要开发了一些小型的试验台架与设备，如汽车制动能量回收试 验系统、电动汽车驱动电机试验台架、电动机蓄电池试验系统、电动汽车车身试 验系统等。这些室内试验台架都很难在电动汽车开发出来之前就能对电动汽车的 各种性能( 动力性、经济性、再生制动等) 进行系统、可靠的试验。面对世界各 国都将大力发展电动汽车的良好形势，电动汽车的技术研究急需在实车开发出来 之前就能进行零部件和整车性能试验的试验设备，电动汽车试验台就是在这种情 况下而研发的。 1 2 2 电动汽车试验台开发的意义 开发电动汽车试验台的目的是进行电动汽车技术的研究，更好地解决制约r u 动汽车发展的问题。 电动汽车研发过程中的一些关键技术，参数匹配和控制策略的优化研究一直 处于仿真阶段，进一步的验证需要一个真实的试验环境；有些关键技术，目前只 能是定性的、预见性的分析，或者初步遇到，最终将如何解决，尚需要一定的手 段和技术平台，特别是与安全有关的试验更需要在试验台上完成，如制动能量的 回收时蓄电池充电接受能力的试验等，而电动汽车试验台恰恰提供了一个解决上 述关键技术的研究平台。 ( 1 ) 电动汽车试验台可以进行整车控制器的测试。包括控制策略的调试与 优化，控制器硬件对电动汽车环境的电磁兼容性等； ( 2 ) 电动汽车试验台可以完成整车动力性试验，并且通过工况循环可以完 7 成经济性和续驶里程的测试； ( 3 ) 通过台架试验可以解决动力集成的关键技术。如对于动态切换、换挡 过程的控制，仿真技术只能提供一个理论上的指导，关键问题的解决需要在试验 台上反复试验调试； ( 4 ) 电动汽车试验台可以完成制动能量回收试验、蓄电池的性能测试、均 衡充放电以及充放电特性的试验研究； ( 5 ) 电动汽车试验台可以完成电动汽车电器总成的可靠性试验： ( 6 ) 根据需要电动汽车试验台与制动器试验模块、缓行器试验模块和a b s 试验模块等其他试验模块组合还可以完成其他试验。 ( 7 ) 利用台架试验可以模拟电动汽车不同工况下的运行状况，找出最佳的 经济驾驶模式，为电动汽车的驾驶人员提供了指导性的建议。 目前，我国电动汽车的研究尚处于起步发展阶段，建立一套完整的具有国内、 国际先进水平的电动汽车试验台系统，不论是对电动汽车的理论研究还是电动汽 车技术成果的推广都十分重要。电动汽车试验台的研究与开发可以填补我国在电 动汽车试验领域的空白，有利于提升我国电动汽车整车和电动汽车各总成的总体 试验水平，建立一套统一的、规范的、科学的电动汽车试验规程、试验方法和试 验标准，进而制定出一套统一、科学的电动汽车整车和零部件总成的评价体系。 电动汽车试验台的最终建立，可直接对电动汽车整车控制目标，如动力性能、经 济性能进行全面的检测，同时也可对电动汽车动力总成控制系统进行全面调试和 检测，缩短整车试验和标定的试验周期，降低电动汽车研制的风险和成本。电动 汽车试验台的研制过程中取得的宝贵经验，对电动汽车整车和零部件总成的设计 也具有十分重要的指导意义。 1 3 课题来源 电动汽车试验台是我校汽车学院为了研究电动汽车技术，在得到学校及相关 部门的项目经费支持下，根据教学与科研的需要而搭建的大型基础设备，该设备 也是从事汽车动力学研究、汽车安全性研究、汽车可靠性研究的重点设备，它能 够完成电动汽车动力匹配试验、电动汽车驱动与控制技术试验、电动汽车动力性 试验、能量消耗和续驶里程试验、制动能量回收试验、蓄电池性能测试、能源管 理系统试验以及制动系统的主要总成部件的性能试验，当然配备其他相关试验模 块，该试验台还可以进行汽车缓行器新技术、新材料的试验研究、a b s 试验研 究等。电动汽车试验台的建设还考虑到试验台功能的可拓展性，为以后研究混合 动力汽车技术及试验奠定了基础。该设备是为适应电动汽车的开发研究以及大力 普及发展而建设的，它将为本学科提供一套较为完整的能用于电动汽车科研、研 究生培养等使用率较高的试验系统平台。 1 4 论文研究的主要内容 根据电动汽车试验台开发的功能要求，本论文将要进行一下几个方面的设 计、开发和研究工作： l 、本文首先通过对电动汽车的室外道路实车试验、室内台架模拟试验以及 计算机仿真试验三种试验研究方法的对比分析，阐明三种方法的优缺点，找出台 架试验的优势所在，接着分析电动汽车试验台研究的现状，进而讨论开发电动汽 车试验台的意义，进一步说明开发电动汽车试验台的必要性。 2 、本文第2 章结合试验台的功能要求，提出开发电动汽车试验台的整体结 构方案和技术方案，采用基于模块化设计的思想搭建电动汽车试验台。根据实际 情况，将试验台的建设划分为电机控制及其测试模块、整车惯量模拟模块、行驶 阻力模拟模块、能源管理模块( 包括均衡充放电、蓄电池智能监控、剩余电量预 测) 、制动能量回收模块和混合动力电动汽车的动力耦合控制等六大模块。这样 开发出来的试验台具有通用性和可扩展性，针对不同的试验对象和内容，只需较 小地改动试验台的布置和结构，原则上只需改变电机、能源管理系统、动力耦合 器等试验模块及其控制器就能进行相关试验。由于条件的限制，试验台的建设将 首先完成整车惯量模拟模块、能源管理模块、电机控制及其测试模块、行驶阻力 的加载控制四大模块的设计和开发工作，制动能量回收模块和混合动力电动汽车 的动力耦合控制模块将在后续的研究工作中逐步完善。 3 、第3 、4 、5 章分别对电动汽车试验台建设的能源管理模块、电机控制及 其测试模块、行驶阻力的加载控制三大模块进行详细的讨论，给出各个模块设计 的原理、开发的思路等。 4 、本文最后将讨论电动汽车整车性能试验方法，然后对影响台架试验精度 的因素加以分析，并给出部分相应的解决措施；提出台架建设的不完善之处，指 出后续工作的努力方向。 9 第2 章电动汽车试验台总体设计 2 1 试验台研发的整体思想 目前国内外对电动汽车的研究主要集中在计算机仿真和室外道路实车试验 两个方面，计算机仿真可以在整车开发出来之前对汽车的动力匹配、电机性能及 其控制方案、动力性、制动能量回收、经济性和续驶里程等进行仿真分析，得出 最佳的方案。但是计算机仿真由于受建模精确度和准确度的限制，不能准确地反 映汽车及其真实的运行工况，因而它对电动汽车的性能研究有一定的限制。 电动汽车的室外道路实车试验结果较为准确，但是对于汽车设计开发来说， 道路试验存在一些弊端，比如说它只能在车辆定型后得出整车设计合理性与否的 结论，给不出最佳的设计方案，如果设计或者匹配不合适，找不出改进的措施， 车辆本身的改动也较大，造成了人力、物力的浪费。 室内台架试验采取了折衷二者的方法，利用计算机仿真快速、灵活的动态模 拟优势和道路试验准确可靠的优点来进行电动汽车的研究，它可以在整车开发出 来之前对汽车的动力匹配、电机性能及其控制方案、制动能量回收、动力性、经 济性和续驶里程等进行模拟试验研究，找出最佳的设计方案，避免了传统的汽车 设计开发的盲目性，使汽车性能的试验能够在新车开发出来完成，从而能提高所 开发车辆的整车性能，节约开发成本，缩短汽车开发周期。 2 1 1 试验台的模块化设计思想 为了使电动汽车试验台的试验范围较大，试验对象覆盖面较广，使试验台具 有通用性和可扩展性，可以根据试验对象和试验功能的不同，采用模块化设计。 所谓模块化设计【3 3 】，是指在功能分析的基础上，将产品或系统划分为若干功能、 结构独立的基本单元模块，并使模块系列化、标准化，通过模块的有效选择和组 合，实现不同功能的产品或系统；以满足不同需求的设计方法。模块化设计方法 在组建通用系统、缩短产品设计周期、节约成本、提高产品质量等方面有着显著 的效果，在开发功能和结构相近的产品方面有着突出的优势，因此在现代科研和 生产中被广泛应用。进行模块化设计，需要对系统工程的原理、方法、标准化理 论和模块化理论有相当的理解，否则难以设计出有生命力的模块化系统。 1 0 目前我国电动汽车的研发范围较广，基本上覆盖了从轿车到客车( 大型、中 型、小型) 整个领域，因此电动汽车试验台的开发不能仅针对某一车型，而应该 注重试验台的通用性，即在试验对象改变时试验台的改动尽可能地小，这一要求 正是模块化设计的优势所在。 2 1 2 试验台的功能要求 根据电动汽车研发所需进行的试验项目，对电动汽车试验台按照功能要求进 行模块划分和设计，试验台的功能和开发要求如下： ( 1 ) 试验台应能模拟电动汽车的道路行驶状况，完成电动汽车的动力性、 能量消耗和续驶里程试验以及行驶工况及其控制技术的试验研究； ( 2 ) 试验台应能完成电动汽车的动力匹配性能试验、传动系统特性试验； ( 3 ) 试验台应能完成电动汽车的电机性能参数测试及其控制器的试验； ( 4 ) 试验台应能完成蓄电池的性能测试及其能源管理模块的试验： ( 5 ) 试验台应能完成电动汽车的制动能量回收试验； ( 6 ) 试验台应能完成电动汽车电器总成的可靠性试验； ( 7 ) 试验台应能进行6 0 0 k g 1 0 0 0 0 k g 范围内的不同质量的电动汽车的模 拟试验，车辆质量的模拟精度应能达到2 0 0 k g ； 另外，电动汽车试验台的开发还应考虑试验的通用性和可扩展性，当试验对 象改变时，尽可能小地改动试验台的布置和结构，原则上只需改变电机、能源管 理系统、混合动力电动汽车的动力耦合器等试验模块及其控制器就能进行电动汽 车的相关试验。试验台的设计应具有外形美观、性能可靠、操作简单、使用安全 等特点。除直流调速器自身各种保护功能和故障提示外，还应在电路中实现过流、 过载、缺相等保护措施，同时使继电器动作，保证系统在设定的范围内正常运行。 2 1 3 试验模块的划分 电动汽车试验台的开发目的是为电动汽车的研究和开发提供试验平台，更好 地研究电动汽车的性能。因此试验台的功能应该能够满足电动汽车研发所需进行 的各项试验。对试验台的功能分析是模块化设计的前提和关键，功能分析是否充 分合理，直接影响模块化系统的功能、性能和成本。 电动汽车试验台按照试验功能的要求，对试验台划分为电机控制及其测试模 块、整车惯量模拟模块、行驶阻力模拟模块、能源管理模块( 包括均衡充放电、 蓄电池智能监控、剩余电量预测) 、制动能量回收模块和混合动力电动汽车的动 力耦合试验模块等六大主要模块，另外，根据实际情况试验台的结构还应该包括 变速、传动和连接模块等。整个试验台的控制系统是由各个模块的控制器组成， 各试验模块的布置如图2 1 所示。 电机控制及其测试模块：测试电机及其控制系统的性能，实现电动汽车的驱 动和再生制动控制，完成电动汽车的起步试验、动力性试验、能耗和续驶里程等 试验： 整车惯量模拟及其控制模块：针对不同质量的电动汽车，采用对应的惯性模 拟当量，使得试验台能够模拟不同质量的电动汽车，从而具有较广的应用范围； 行驶阻力模拟及其控制模块：再现电动汽车道路行驶过程中的各种行驶阻 力，使台架试验能够真实地反映汽车的道路运行状况； 能源管理及其控制模块：实现蓄电池快速充放电、均衡充放电、智能监控和 剩余电量的显示，能够随时判断出电池故障的具体位置，并且采取相应的措施； 再生制动能量回收模块：完成电动汽车再生制动能量的回收及其控制试验； 动力耦合及其控制试验模块：完成混合动力电动汽车电机和发动机的动力耦 合及其控制试验。 2 2 试验台的结构及控制方案 2 2 1 结构方案 电动汽车试验台由电机及其控制器测试模块、整车惯量模拟模块、行驶阻力 模拟模块、能源管理模块、制动能量回收模块和混合动力电动汽车的动力耦合试 验模块六大主要模块和变速、传动和连接等装置组成，根据各部分设计的尺寸要 求，结合实验室的具体情况，在已建立的大客车底盘综合试验台布置的基础上， 我们采用了如图2 2 所示的结构方案， 试验台总体尺寸( 长x 宽) 为9 0 0 0 r a m 1 5 0 0 m m ，该方案中采用的是直流 电机和相应的电源供应方式，当模拟 试验的电动汽车采用交流电机时，只 需将电机及其控制器和相应的电源供 图2 1 所用的试验平台 应方式、能源管理系统更换即可进行相关试验，满足试验台的设计要求。 在图2 2 所示的结构方案中，直流电机、转速转矩传感器、变速器、飞轮组 系统、电涡流测功机和直流电力测功机按顺序成“一”字形依次排列固定在图 2 1 所示的试验平台上。相邻组件之间都是通过联轴器连接，动力从直流电机的 输出端输入，经过转速转矩传感器、变速器和飞轮组传递给电涡流测功机和直流 电力测功机，最终转化为热能消耗掉或者转化为电能回收给蓄电池和电网。 图2 2 电动汽车试验台总布置方案图 该方案为试验台提供了两种电源供应方案，一是由电网经过相关变换得到可 以直接使用的直流电供直流电机使用，二是由电网经过电池充电机给蓄电池充 电，然后再由蓄电池提供直流电。如果进行能量的回收试验时，还可以通过回收 控制系统把回收的电能提供给蓄电池或电网，然后再供直流电机使用。 图2 2 所示的结构方案中的飞轮组系统( 即惯量模拟系统) 是由模拟质量分 别为2 0 0 k g 、4 0 0 k g 、8 0 0 k g 、1 6 0 0 k g 、3 2 0 0 k g 、3 8 0 0 k g 的6 个飞轮、6 个电磁 离合器和两根飞轮组主轴及其支撑组成，考虑到飞轮装配的工艺性、轴的加工工 艺性和受力均衡等因素，本设计方案把模拟质量为2 0 0k g 、4 0 0 k g 、8 0 0k g 和1 6 0 0 蚝的四个飞轮装配在一根主轴上，模拟质量为3 2 0 0 k g 和3 8 0 0k g 的两个飞轮装 配在一根主轴上，每个飞轮通过电磁离合器实现与主轴的结合和分离，两根飞轮 组主轴通过联轴器连接在一起组成整个惯量模拟系统。 结构方案中的电机选用的是包头电机研究所研制的电动汽车专用永磁直流 电动机。直流电动机采用永磁励磁后，既保留了普通电励磁直流电动机便于控制、 良好的线性调速特性和机械特性外，还因省去了励磁绕组和励磁损耗而具有结构 工艺简单、质量轻、损耗少、体积小、用铜量少、效率高、运行可靠、电机的形 状和尺寸可以灵活多样等优点。该电机的额定电压为2 8 0 v ，额定电流为1 7 4 a ， 额定功率为3 5 k w ，最大转速可以达到4 0 0 0 r m i n 。电机转速、转矩和功率的测 量采用n j 2 型转矩转速传感器与n c 2 a 型扭矩测量仪配套使用，该转速转矩仪 抗干扰能力强，测量精度较高。方案结构中的变速器采用法士特公司( 陕齿) 引 进美国技术制造的重型汽车变速器，设计先进，结构新颖，为中间轴传动，全同 步器，可在变速器的前部、后部、底部和侧面安装各种形式的取力器，换挡机构 轻便灵活，方便可靠。采用双h 操纵装置，可单、双杆操纵，左右操纵和双向 操纵，该变速器工作噪声低、承载能力强、轴向尺寸短、重量轻、维修方便，具 有广泛的使用性和良好的整车匹配性。电涡流测功机和电力测功机是试验系统的 行驶阻力模拟设备，试验台行驶阻力的模拟是通过控制测功机的励磁电流来实现 的。由于电力测功机可以实现电能的回收，但是不需要电能回收时，必须给电力 测功机配备较大的电阻箱来消耗电能，而电涡流测功机可以直接把电能耗掉，不 需要配备附加的电阻箱，但是不能实现电能回收，所以电动汽车试验台的行驶阻 力模拟系统采用电涡流测功机和电力测功机两种形式来实现加载。当试验需要回 收电能时采用电力测功机，当不需要电能的回收时( 如能耗和续驶里程试验) 采 用电涡流测功机，省去了额外的电阻箱。 在图2 2 所示的结构方案中直流电机及其控制器、变速器、蓄电池及其能源 管理系统是可变的试验对象，转速转矩传感器、飞轮组、电涡流测功机和电力测 功机是固定不变的试验设备。当进行不同质量、不同类型的电动汽车的不同项目 的模拟试验时，只需更换相关的试验模块、选配对应的飞轮系统就能进行试验。 例如进行混合动力电动汽车的模拟试验时，首先根据模拟汽车的质量选用对应的 飞轮组合，然后再用混合动力电动汽车的电机、发动机以及动力耦合器替换图 2 2 中试验台上的直流电机，用混合动力电动汽车用的蓄电池及其能源管理系统 替换图2 _ 2 中试验台上的蓄电池及其能源管理系统即可进行试验，方便可靠、通 用性强。电动汽车试验台结构方案的布置特点是： ( 1 ) 尽可能使试验台传动系统和电动汽车实际传动系统的布置保持一致， 这样二者的机械损失、传动效率等能够接近； ( 2 ) 结构紧凑，有效地利用了试验平台的面积，节省了试验台的开发成本； ( 3 ) 模块化设计，适用性强，作不同对象的试验时，只须改动相应的模块 及其控制器即可； ( 4 ) 与已经开发的大客车底盘综合试验台的某些电源供应方式和试验模块 相似或相同，可以利用这些已经开发的功能相同的模块，简化了试验台的开发， 节省了人力、物力。 1 4 2 2 2 试验台的控制方案 在电动汽车试验台的结构方案中，主控制台上装配有工控计算机、转速转矩 测量仪、手动控制按钮等，可实现对电动汽车试验台的集中测量、控制等功能。 整个系统的控制采用两种方案，一种为各个子系统都经过主控制的操作台远程控 制，有工控机实现自动化控制，工控机有可视化操作界面，可以实现计算机软件 远程控制；另一种是在操作平台上设置手动操作系统，由控制各个子系统的按钮、 电位器等组成，按照操作程序手动控制各部分的试验动作。手动控制和自动控制 之间由转换开关来设定，系统控制原理如图2 3 所示。 图2 3 试验台的控制原理框图 控制系统的软件通过预先设定好的各种算法，对现场各路实时采集的数据进 行换算，以实际的功率、转速等单位数据形式反映到上位工控机的画面上，并根 据要求对采集到的数据进行实时显示和数据存储，同时以曲线的方式反映出来， 实现对现场需要了解的数据进行监测，上传到上一级工作站的功能，并对超出限 值的信号进行报警提示。该系统的硬件配置如表2 1 所示，系统的计算机控制结 构图如图2 4 所示。 表2 1 试验台的计算机控制系统硬件配置表 序号名称型号数量备注 o l 工业计算机 1 0 2 a d 采集卡研华p c l - - s i s l 1 0 3 多串口卡研华p c i 卅6 + 1 0 4输出设备佳能激光打印机 1 图2 4 电动汽车试验台的计算机控制结构 2 3 可行性分析 2 3 1 试验台机械传动系统动特性分析伯玎 电动汽车试验台运行性能的基本要求是在整个运行过程中稳定可控、噪声 低、振动小、转速稳定，这就要求试验台有优良的动特性。优良的动特性是试验 台设计的核心之一，通常，动特性包括不平稳响应和稳定性等内容。 ( 1 ) 试验台机械传动系统数学模型的建立 m监 图2 5 试验台机械传动系统简化模型 图2 5 为电动汽车试验台机械传动系统的简化模型，电动机的驱动转矩为 t l ，转动惯量为一；测功机的负载转矩为t 2 ，转动惯量为以，彳为飞轮转动惯