CN102749583A - 混合动力/电动汽车驱动电机系统硬件在回路算法验证试验台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种混合动力/电动汽车动力电机/电池硬件在回路试验台，尤其涉及一种节能型混合动力/电动汽车车载动力电机/电池硬件在回路车辆行驶全环境仿真下电机控制和制动能量回收策略测试系统。本发明采用动力电机、电池组、IGBT等功率驱动器件等实物构建模拟试验台，在所建立的半实物仿真系统中，配合高质量仿真环境，通过参数设置，可以快速验证各种车型、全环境下的动力电机控制策略、制动能量回收策略和整车控制效果，将电动车辆电机控制策略和制动能量回收策略验证策略动态的集为一体。，在做到节能的同时，可以减少实车试验资金投入，节约开发成本，缩短开发周期，减少实车试验的次数和危险性。

Description

混合动力/电动汽车驱动电机系统硬件在回路算法验证试验台

技术领域：

本发明涉及一种混合动力/电动汽车动力电机/电池硬件在回路试验台，尤其涉及一种节能型混合动力/电动汽车车载动力电机/电池硬件在回路车辆行驶全环境仿真下电机控制和制动能量回收策略测试系统。

背景技术：

目前，基于发动机的车辆驱动与控制技术日趋成熟。但是，随着机动车数量的不断增多，环境污染和石油资源匮乏日渐显著，混合动力/电动汽车因其具有绿色环保和能源利用率高等优点，使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。混合动力和电动汽车应用技术因而得到迅猛发展。作为动力源，车载动力电机/电池系统是混合动力/电动车辆的重要组成部分。由于混合动力汽车的核心是电池、电机及其控制系统，电池荷电状态、驱动电机和控制器性能对整个电动汽车的性能起到关键的作用，建立相关的基于整车环境的动力电机/电池专用测试试验台非常迫切和必要的。

目前，大部分已有的关于电机试验的专利文献多为电机性能测试功能而作。关于混合动力或电动汽车车载电机试验台的专利文献不多，也多为某专项测试所做或不够完善。如中国汽车技术研究中心提出的名为“电动车辆ABS制动和电机回馈制动协调控制”，其申请号为200910228940.5，申请日为2009.12.02，申请公开号为CN 101701877 A，涉及电动车辆ABS制动和电机回馈制动协调控制策略。上海华普汽车有限公司提出的名为“混合动力汽车电机台架试验保护装置”的实用新型，申请号为201020589748.7，申请日为2010.11.04，申请公开号为CN 201937237 U，只涉及到混合动力汽车电机台架试验过程中的保护措施。

与本测试系统较为相似的是中国第一汽车集团公司提出的名为“一种新型的混合动力电机试验台架”的实用新型，申请号为201020553678.x，申请日为2010.09.29，申请公开号为CN 201867477 U，该试验台架功能较为完备，但忽略了实车运行中，电池的荷电状态对电机控制策略的影响。众所周知，电池的荷电状态对电机控制策略的实施影响较大，应给予充分的考虑。该试验台架使用测功机作为负载设备，成本昂贵。且试验台本身不够节能和环保。本测试系统使用了不同的技术方案，在这些方面有所改进(见下段)。

本发明基于实时仿真硬件在线嵌入式技术，建立考虑电池的荷电状态，以直流电机作为负载，且能够快速验证各种电机控制策略、制动能量回收策略及车辆其他各部分依赖于电机动态行为的控制策略有效性的试验台。在所建立的完整的半实物仿真环境下，配合高质量仿真环境，通过参数设置，可以快速验证各种车型、各种路况、各种环境下的动力电机控制策略、制动能量回收策略和整车控制效果，且能有效降低设备开发成本，实验设备本身兼具节能的特点。因此，可以减少试验资金投入，节约开发成本，缩短开发周期，减少实车试验的次数和危险性。

发明内容：

本发明涉及一种混合动力/电动汽车动力电机/电池硬件在回路试验台，尤其涉及一种节能型混合动力/电动汽车车载动力电机/电池硬件在回路全环境仿真下算法测试系统。解决整车全仿真环境下嵌入电机硬件系统的电机控制策略和制动能量回收策略的快速验证问题，其中考虑降低试验设备本身开发成本和试验过程的节能问题。

结合附图，说明如下：

一种混合动力/电动汽车驱动电机系统硬件在回路算法验证试验台，包括主机、目标工控机、电机台架、信号部分，主机6和目标工控机4通过串行通讯线5连接。

所述的电机台架包括动力电机11、负载电机8、动力电池组22、负载电池组21，IGBT驱动模块18、加载充电模块17和制动加载模块16；所述的动力电机11和负载电机8固定在铁地板13上，二电机轴同心通过联轴节10进行联结，IGBT驱动模块18的输入端和输出端通过高压线分别与动力电池组22和动力电机11连接；加载充电模块17和制动加载模块16的输入端和输出端通过高压线分别与负载电池组21和负载电机8连接；

所述的信号部分包括安装在动力电机11电源输入端或IGBT驱动模块18输出端的电压、电流传感器I14、安装在制动加载单元16输出端的电压、电流传感器II15、安装在动力电池组22和负载电池组21输出端用于测量其电压、电流和温度的传感器I、II19、20，固定在同心轴上的速度传感器7，它们分别通过信号线连接至信号调理电路板2，所有接至信号调理电路板2的信号经调理后连接至目标工控机的端子板3，再由安装在目标工控机中数据采集卡采集到目标机中，以供数据处理。

所述的动力电池组22和负载电池组21分别与电池充电器24连接，可通过电池充电器24对电池组22，21进行充电。

所述的负载电机8为可逆性良好的直流电机。

所述的动力电机11可选择三相异步交流电机、同步永磁交流机、直流力矩电机或开关磁阻电机。

有益效果：本发明采用动力电机、电池组、IGBT等功率驱动器件等实物构建模拟试验台，在所建立的半实物仿真系统中，配合高质量仿真环境，通过参数设置，可以快速验证各种车型、全环境下的动力电机控制策略、制动能量回收策略和整车控制效果，将电动车辆电机控制策略和制动能量回收策略验证策略动态的集为一体。试验台本身成本相对低廉，并对实验过程中所传递的能量大部分可以进行回收再利用。因此，在做到节能的同时，可以减少实车试验资金投入，节约开发成本，缩短开发周期，减少实车试验的次数和危险性。

附图说明：

图1是本发明的平面布置图；

图2是本发明的试验机原理框图。

其中：1、工作台，2、信号调理电路板，3、信号采集板，4、目标工控机，5、信号线，6、主机，7、速度传感器，8、负载直流电机，9、动力线，10、联轴节，11、动力电机，12、状态可控动力线，13、铁地板，14、电压电流传感器I，15、电压电流传感器II，16、制动加载模块，17、加载充电模块，18、IGBT驱动模块，19、电压电流温度传感器I，20、电压电流温度传感器II，21、负载电池组，22、动力电池组，23、可选动力线，24、电池充电器

具体实施方式：

从功能上分，本试验台主要有以下各部分构成：电机及电机控制器部分、动力、负载电池组部分、电池状态监测部分、负载部分、电机负载测量部分。

本试验平台的开发是为混合动力/电动车辆开发服务的，因此，须将台架平台的功能分析放到混合动力汽车整个系统工程中。本试验台采用硬件在环思想，整车环境以搭建的AMESim整车模型的形式放在目标工控机中，目的是用来模拟整车环境，电机(和发动机，可选)提供整车所需的动力，整车模型中电机部分作为硬件在环的硬件部分，单独做为被控对象进行控制。能量流转方式是：动力电池组提供直流电给驱动模块，经驱动模块控制后输出给动力电机，输出机械能经负载电池组进行能量回收以达到节能的效果；或由负载电机提供动力制动或反拖动力电机进行能量回馈给动力电池组。电机和负载电机之间是机械法兰连接。负载电机控制器从整车动力总成模块获得所需的转矩需求。

负载部分

在进行电机的转矩转速特性曲线试验和进行电动汽车各种性能试验时，都需要给电机施加机械负载。负载的模拟环节为直流电机，通过对电机进行励磁控制用来模拟负载。所需负载的大小，由整车模型中的转矩需求提供。当直流电机外接励磁，电机处于发电状态时，这时电机所产生的电能经负载电池组控制器调节输出给负载电池组进行充电，以给动力电机加所需机械载荷。当控制使负载电机处于电动状态时，用于模拟动力电机的反拖馈电状况，验证电机制动能量回收策略。

电池组及其控制器

分为动力电池组和负载电池组，动力电池组为动力电机的电动运行提供动力源，其荷电状态参数经由数据采集卡采集到目标工控机中供处理使用。

负载电池组作为动力电机负载调整装置，同时回收动力电机输出能量。其过程通过负载控制器实现。

测量部分

电机试验台应该能够测取电机相应的电参数及机械参数，电机的输出扭矩、转速，以及电机输入端和电池组两端的电压、电流等参数。通过数据卡采集，供目标工控机处理使用。

电机模块以及电机控制器

电机及控制系统作为混合动力/电动汽车重要的动力源，其性能好环直接影响混合动力/电动汽车整车的动力性能。这部分对相应传感器进行信号采集，链接到目标工控机所配套的PCLD-8115接线端子板上，与多功能数据采集控制卡PCL-818系列板卡可靠连接，实现信号采集板和工控机的链接。这里工控机作为目标机，其作用是：通过主机和目标工控机通信，把电机控制算法可执行代码下载到目标工控机中，用来实现控制器的功能，进而实现对电机转速及转矩控制。

本发明有多种实施方案，动力电机可以采取三相异步交流电机、三相交流永磁电机、直流力矩电机、开关永磁电机。现结合动力电机取三相永磁同步电机时的具体实施方案。

混合动力/电动汽车电机驱动系统硬件在回路算法验证试验台结构包括主机、目标工控机、电机台架、信号部分，主机6和目标机4通过串行通讯线5连接。

所述的电机台架包括动力电机11、负载电机8、动力电池组22、负载电池组21、IGBT驱动模块18、加载充电模块17和制动加载模块16；所述的动力电机11和负载电机8固定在铁地板13上，二电机轴同心通过联轴节10进行联结，IGBT驱动模块18的输入端和输出端通过高压线分别与动力电池组22和动力电机11连接；加载充电模块17和制动加载模块16的输入端和输出端通过高压线分别与负载电池组21和负载电机8连接；

在同心轴上固定速度传感器7，传感器信号通过信号线连接至信号调理电路板2。安装在动力电机11电源输入端或IGBT驱动模块18输出端的传感器I14用于动力电机电压、电流信号测量，通过信号线连接至信号调理电路板2。安装在制动加载单元16输出端的电流、电压传感器II15通过信号线连接至信号调理电路板2。动力电池组22和负载电池组21在靠近电机11，8的地方并列固定安装排放，在它们的输出端都固定装有用于测量其电压、电流和温度的传感器I、II19，20，来监测电池组当前的荷电状态，都通过信号线连接至信号调理板2。所有接至信号调理电路板2的信号经调理后连接至端子板3，再由安装在目标工控机中数据采集卡采集到目标机中，以供数据处理。动力电池组和负载电池组可根据实际情况进行互换连接。所述的动力电池组22和负载电池组21分别与电池充电器24连接，必要时可通过电池充电器24对电池组22，21进行充电。

IGBT驱动模块18、加载充电模块17和制动加载模块16具体工作方式由目标工控机4通过数据采集卡输出信号至目标工控机的端子板3，在经信号调理电路板2驱动后输出信号进行控制。主机6和目标机4通过串行通讯线5联结，实现可执行代码实施嵌入下载的功能，最后实现目标机的控制目标。

下面，以电动车辆为例，结合图1和图2，具体说明本试验台的工作机理。

本发明有多种技术实验方案。

第一种实验方案：电动汽车在启车、加速、匀速运行等状况下，验证电机控制策略。动力电机处于电动运行状态，负载直流电机处于发电状态，外接励磁。遵循下列试验过程和机理。

①对应参考车速，装有高质量AMEsim汽车整车动力学仿真模型的目标机提供车辆行驶过程中的扭矩需求，作为参考扭矩输入。

②将给定扭矩参考输入作为负载控制器的参考输入，以负载电机作为被控对象，以加载驱动模块作为执行器，以负载电池组两极的电压和工作电流作为反馈量，形成闭环系统，以高精度PWM方式控制负载电机给负载电池组的充电过程，进而跟踪参考输入给动力电机加载。

③动力电机在给定负载的作用下，按参考车速的要求，以动力电机作为被控对象，以IGBT驱动模块作为执行器，以动力电机定子端的电压和工作电流作为反馈量，形成闭环系统，经电机控制算法调整，经IGBT驱动模块逆变，控制动力电机的充电输出转矩以迎合车辆运行扭矩的需求，跟踪参考车速。其中，电机控制算法需考虑动力电池组荷电状态。在这一部分中验证电机控制算法，观察对电机输出转矩和转速的控制效果。

第二种实验方案：电动汽车在制动状况下，验证制动能量回收策略。动力电机处于馈电运行状态，负载电机处于电动状态，外接励磁。遵循下列试验过程和机理。

①对应制动工况，装有高质量AMEsim汽车整车动力学仿真模型的目标机提供车辆制动过程中的制动扭矩信号和车速变化情况，作为负载电机的输出参考扭矩和转速。

②将给定扭矩参考和转速参考，作为负载控制器的参考输入，以负载电机作为被控对象，以制动加载模块作为执行机构，以负载电池组作为动力源，负载电机电枢端电压和工作电流作为反馈量，形成闭环系统，以高精度PWM方式控制负载电机，跟踪参考扭矩和参考车速。

③动力电机在给定负载的拖动下，以IGBT驱动模块作为执行机构，以动力电池组两端电压和充电电流作为反馈量，形成闭环系统，经制动能量回收算法调整，经IGBT驱动模块整流，对动力电池组进行充电。在这一部分中验证制动能量回收策略，观察能量回收策略的控制效果。

第三种实验方案：联合前两种实验方案，依据车辆运行工况，通过切换逻辑控制融合负载控制器和电机控制器，实现对电动车辆全工况下的电机控制算法和能量回收算法验证。

本发明设计涉及车辆包括混合动力车辆和纯电动车辆。

Claims (4)

1.一种混合动力/电动汽车驱动电机系统硬件在回路算法验证试验台，包括主机、目标工控机、电机台架、信号部分，其中主机(6)和目标工控机(4)通过串行通讯线(5)联结，其特征在于：

所述的电机台架包括动力电机(11)、负载电机(8)、动力电池组(22)、负载电池组(21)、IGBT驱动模块(18)、加载充电模块(17)和制动加载模块(16)；所述的动力电机(11)和负载电机(8)固定在铁地板(13)上，二电机轴同心通过联轴节(10)进行联结，IGBT驱动模块(18)的输入端和输出端通过高压线分别与动力电池组(22)和动力电机(11)连接；加载充电模块(17)和制动加载模块(16)的输入端和输出端通过高压线分别与负载电池组(21)和负载电机(8)连接；

所述的信号部分包括安装在动力电机(11)电源输入端或IGBT驱动模块(18)输出端的电压、电流传感器I(14)、安装在制动加载单元(16)输出端的电压、电流传感器II(15)、分别安装在动力电池组(22)和负载电池组(21)输出端用于测量其电压、电流和温度的传感器I、II(19、20)，固定在同心轴上的速度传感器(7)，它们分别通过信号线连接至信号调理电路板(2)，所有接至信号调理电路板(2)的信号经调理后连接至目标工控机的端子板(3)，再由安装在目标工控机中数据采集卡采集到目标工控机中，以供数据处理。

2.根据权利要求1所述的一种混合动力/电动汽车驱动电机系统硬件在回路算法验证试验装台，其特征在于所述的动力电池组(22)和负载电池组(21)分别与电池充电器(24)连接，可通过电池充电器(24)对电池组(22、21)进行充电。

3.根据权利要求1所述的一种混合动力/电动汽车电机驱动系统硬件在回路算法验证试验装台，其特征在于，所述的负载电机(8)为可逆性良好的直流电机。

4.根据权利要求1所述的一种混合动力/电动汽车电机驱动系统硬件在回路算法验证试验台，其特征在于，所述的动力电机(11)可选择三相异步交流电机、同步永磁交流机、直流力矩电机或开关磁阻电机。

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