CN106996876A - 一种用于车辆电驱动系统的台架试验设备及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于车辆电驱动系统的台架试验设备及其使用方法，其特征在于，该台架试验设备包括车用电机、加载电机、仿真计算装置、负载控制器、电机驱动装置、滑移率控制器和变频柜；车用电机通过传动装置连接加载电机，传动装置上设置检测装置，检测装置用于检测车用电机和加载电机实际转速以及传动装置转矩；电机驱动装置用于将车用电机的实际电磁转矩反馈至仿真计算装置；仿真计算装置用于计算车辆动力学状态参数；负载控制器用于计算加载电机所需电磁转矩；变频柜用于对加载电机进行直接电力驱动；滑移率控制器用于计算车用电机目标滑移率和所需电磁转矩，电机驱动装置对所述车用电机进行直接电力驱动，本发明可广泛应用于台架试验设备中。

Description

一种用于车辆电驱动系统的台架试验设备及其使用方法

技术领域

本发明是关于一种用于车辆电驱动系统的台架试验设备及其使用方法，属于电动车辆技术领域。

背景技术

车辆在驱动和制动的特定情况下会出现车轮的滑转，此时车轮的转速与车辆实际纵向速度不对应，在经典汽车理论中，可以用滑移率的概念对车轮滑转的程度进行描述，为了在台架上准确地模拟出滑移率的变化规律，需要准确地再现车身的纵向速度和车轮的转速。包括混合动力、纯电动等多种形式的电动汽车具有电驱动系统，其中，电驱动系统的电机系统力矩响应速度快可以准确地跟踪控制目标，并可据此观测地面纵向力，该特性使得电动汽车可以实施先进的驱动防滑和/或制动防抱死控制策略，从而使车辆滑移率控制性能得到极大的改善。通过相关控制算法进行实车道路试验时需要专用路面测试跑道，投资大且受气候环境限制大，同时涉及车辆行驶安全的测试对测试人员的人身安全有较大的风险，这些因素的制约使得通过实车道路试验进行的研发周期长、费用高、不易系统而全面地对控制中存在的问题进行检测，尤其当车速较高、车身动能大时，这些限制尤其明显。

电动汽车台架试验方法可以有效地解决上述问题，能够支撑高水平的研究工作和有竞争力产品的开发。针对车辆正常行驶过程中电驱动系统的负载模拟，考虑到电动汽车台架的建设成本，常采用机械飞轮与电惯量模拟结合的方式选用小功率等级的电惯量模拟系统。然而在车辆滑移率控制试验过程中，即使是考虑在极短时间范围内，当车速稳定在目标值附近时，随着滑移率、滑移率变化率和路面附着系数的变化，等效转动惯量的变化也没有集中在某个小范围内，且在驱动防滑过程中随着稳定车速的增加，车身平动等效的转动惯量逐步趋近于零，因此，需要由机械飞轮模拟的转动惯量为零，即当通过模拟电驱动系统负载进而模拟车轮滑移率控制过程时，需要采用惯量完全电模拟的方法，其中，最基本的一种电动汽车台架结构是双电机共轴连接结构。在滑移率控制试验过程中，需要通过闭环控制系统基于实时检测的数据在线计算需要由加载电机提供的负载转矩和/或转速，如果加载电机采用转矩跟随模式，则需要基于由设置在双电机连接轴上的传感器检测的转速通过微分计算来获得期望的负载转矩，然而，微分计算会将信号噪声放大，进行滤波处理又会导致失真，降低模拟的准确度。

现有技术公开了一种用于电动车辆的电机测试台架，该测试台架采用双电机测试台架，未使用机械飞轮模拟惯量，是基于预定的车辆行驶循环工况计算出用于加载电机的预定的转速曲线，然而，该测试台架是通过模拟在预定的车辆行驶循环工况下的正常行驶过程而进行能量使用效率的测试，通过给加载电机提供预定的转速曲线而故意避免闭环反馈控制，并未涉及车轮滑移率控制台架试验过程中动态负载模拟的问题，也无法用于车轮滑移率控制台架试验过程中的动态负载模拟。

与车辆正常行驶过程相比，当车轮发生滑转时，滑移率控制过程涉及的电驱动系统带宽相对较高、对于局部动态性能要求也更高，因此也就需要负载模拟设备能够反映频带更高的动态性能。研究人员发现为满足滑移率的模拟需要，速度跟随的带宽要求是能量经济性测试带宽要求的30多倍，然而现有技术无法满足滑移率模拟过程中对负载模拟动态性能的要求，当使用双电机测试台架进行滑移率控制模拟动态测试时，车轮发生滑转时电机转速与车速不再保持对应，车身平动惯量不再直接影响电驱动系统的负载大小，需要考虑滑移率的影响，滑移率控制对负载模拟控制的干扰影响了模拟效果和测试结果，因此，迫切需要在双电机台架系统的台架上准确地消除电动汽车滑移率控制对台架模拟控制造成的干扰和影响，实现滑移率的准确模拟。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够满足负载模拟动态性能要求及实现滑移率准确模拟的用于车辆电驱动系统的台架试验设备及其使用方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种用于车辆电驱动系统的台架试验设备，其特征在于，该台架试验设备包括车用电机、加载电机、仿真计算装置、负载控制器、电机驱动装置、滑移率控制器和变频柜；所述车用电机通过传动装置固定连接所述加载电机，所述传动装置上设置有检测装置，所述检测装置用于检测所述车用电机和加载电机的实际转速以及所述传动装置的转矩并发送至所述仿真计算装置和负载控制器；所述电机驱动装置连接电源，所述电机驱动装置用于将所述车用电机的实际电磁转矩反馈至所述仿真计算装置；所述仿真计算装置用于根据接收的所述车用电机的实际转速、所述传动装置的转矩和所述车用电机的实际电磁转矩实时计算车辆动力学状态参数，并将所述车用电机的实际电磁转矩和车辆动力学状态参发送至所述负载控制器和滑移率控制器；所述负载控制器用于根据接收的所述车用电机的实际电磁转矩、所述加载电机的实际转速和车辆动力学状态参数计算所述加载电机所需电磁转矩并发送至所述变频柜；所述变频柜连接电网，所述变频柜用于根据接收的所述加载电机所需电磁转矩对所述加载电机进行直接电力驱动；所述滑移率控制器用于根据接收的车辆动力学状态参数计算所述车用电机的目标滑移率和所需电磁转矩并发送至所述电机驱动装置，所述电机驱动装置根据接收的所述车用电机所需电磁转矩对所述车用电机进行直接电力驱动。

进一步地，所述负载控制器采用PI控制器，所述PI控制器根据所述加载电机的转速误差计算所述加载电机所需电磁转矩，所述PI控制器采用加载电机转速跟随控制模式，在加载电机转速跟随控制模式下所述PI控制器根据计算的所述加载电机所需电磁转矩实时控制所述加载电机的转速，所述PI控制器的参数满足以下关系式：

其中，τ_p为所述PI控制器的比例参数；τ_c为所述加载电机的电流环等效时间常数；J为所述车用电机、加载电机和传动装置的总转动惯量；k_i为所述PI控制器的积分参数。

进一步地，所述负载控制器采用所述PI控制器和转矩前馈模块，所述转矩前馈模块根据所述车用电机的实际电磁转矩和所述加载电机的电流环等效时间常数计算补偿值，所述PI控制器输出的所述加载电机所需电磁转矩与所述转矩前馈模块输出的补偿值进行积分计算得到补偿后的所述加载电机所需电磁转矩并发送至所述变频柜。

进一步地，所述加载电机所需电磁转矩进行补偿采用将所述PI控制器的输出减去所述转矩前馈模块补偿值的方式。

进一步地，所述加载电机所需电磁转矩进行补偿采用将所述PI控制器的输出乘以所述转矩前馈模块补偿值的方式。

进一步地，所述传动装置采用传动轴或联轴节。

一种用于车辆电驱动系统的台架试验设备的使用方法，其特征在于，包括以下内容：参数计算：加载电机采用转矩跟随模式，通过检测装置检测车用电机和加载电机的实际转速以及传动装置的转矩并发送至仿真计算装置和负载控制器，通过电机驱动装置将车用电机的实际电磁转矩反馈至仿真计算装置，仿真计算装置根据接收的车用电机的实际转速、传动装置的转矩以及车用电机的实际电磁转矩实时计算车辆动力学状态参数，并将车用电机的实际电磁转矩和车辆动力学状态参数发送至负载控制器和滑移率控制器；加载电机的转速控制：通过负载控制器根据接收的车用电机的实际电磁转矩、加载电机的实际转速和车辆动力学状态参数计算加载电机所需电磁转矩并发送至变频柜，通过变频柜根据接收的加载电机所需电磁转矩对加载电机进行直接电力驱动；车用电机的滑移率控制：通过滑移率控制器根据接收的车辆动力学状态参数计算车用电机的目标滑移率和车用电机所需电磁转矩并发送至电机驱动装置，通过电机驱动装置根据接收的车用电机所需电磁转矩对车用电机进行直接电力驱动。

进一步地，该使用方法还包括转矩前馈，具体为：通过转矩前馈模块根据输出的车用电机实际电磁转矩和加载电机的电流环等效时间常数计算补偿值，PI控制器输出的加载电机所需电磁转矩与转矩前馈模块输出的补偿值进行积分计算得到补偿后的加载电机所需电磁转矩并发送至变频柜，通过变频柜根据接收的加载电机所需电磁转矩对加载电机进行直接电力驱动。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于负载控制器设置有加载电机转速跟随控制模式，负载控制器可以通过积分计算得到加载电机所需电磁转矩，而不涉及微分计算，因而避免通过微分计算导致信号噪声放大的问题和滤波处理导致失真的问题，能够满足负载模拟动态性能要求及提高滑移率模拟的准确度。2、本发明在车用电机和加载电机双电机结构的滑移率控制过程中，滑移率控制器对车用电机电磁转矩的控制会对加载电机转速控制产生扰动，通过负载控制器的转矩前馈模块能够抵消车用电机电磁转矩的扰动，消除车用电机电磁转矩的扰动对加载电机转速控制的影响，提高转速控制的准确度。3、本发明由于设置有车用电机、加载电机、滑移率控制器、负载控制器和仿真计算装置，能够适于模拟在单一路面附着条件下当车轮发生滑转时车用电驱动系统的动态负载，以及在稳定区间中的滑移率动态变化过程，可以广泛应用于台架试验设备中。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明负载控制器为PI控制器的控制结构示意图；

图3是本发明负载控制器为PI控制器和转矩前馈模块的控制结构示意图；

图4是本发明的实测和仿真对比示意图，其中是期望值曲线，是负载控制器为PI控制器的实测曲线，是负载控制器为PI控制器和转矩前馈模块的实测曲线，是负载控制器为PI控制器的仿真曲线，是负载控制器为PI控制器和转矩前馈模块的仿真曲线。

具体实施方式

以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。

如图1所示，本发明提供的用于车辆电驱动系统的台架试验设备包括车用电机1、传动装置2、加载电机3、检测装置4、仿真计算装置5、负载控制器6、电机驱动装置7、电源8、滑移率控制器9和变频柜10。

车用电机1通过传动装置2固定连接加载电机3，传动装置2上设置检测装置4，检测装置4用于检测车用电机1和加载电机3的实际转速以及传动装置2的转矩并分别发送至仿真计算装置5和负载控制器6。

电机驱动装置7连接电源8，电机驱动装置7用于将车用电机1的实际电磁转矩反馈至仿真计算装置5；

仿真计算装置5用于基于车辆动力学仿真模型根据接收的车用电机1的实际转速、传动装置2的转矩和车用电机1的实际电磁转矩实时计算车辆动力学状态参数，并将车用电机1的实际电磁转矩和车辆动力学状态参数发送至负载控制器6和滑移率控制器9，其中，车辆动力学状态参数包括车速、滑移率和目标转速等。

负载控制器6用于根据接收的车用电机1的实际电磁转矩、加载电机3的实际转速和车辆动力学状态参数通过积分计算加载电机3所需电磁转矩并发送至变频柜10。

变频柜10连接380伏电网，变频柜10用于根据接收的加载电机3所需电磁转矩对加载电机3进行直接电力驱动，进而实现加载电机3的转速控制。

滑移率控制器9用于根据接收的车辆动力学状态参数计算车用电机1的目标滑移率和所需电磁转矩并发送至电机驱动装置7，电机驱动装置7根据接收的车用电机1所需电磁转矩对车用电机1进行直接电力驱动，进而实现车用电机1的滑移率控制。

如图2所示，负载控制器6可以采用PI(比例积分)控制器61，PI控制器61根据加载电机3的转速误差(即加载电机3的目标转速ω_m与加载电机3的实际转速ω的差)计算加载电机3所需电磁转矩T_{d_cmd}，PI控制器61的控制参数可以根据具体情况和要求进行选取，在此不做限定。

在一个优选的实施例中，PI控制器61可以采用加载电机转速跟随控制模式，在加载电机转速跟随控制模式下PI控制器61根据计算的加载电机3所需电磁转矩实时控制加载电机3的转速，为简化计算加载电机3所需电磁转矩时的阶次，PI控制器61的参数满足以下关系式：

其中，τ_p为PI控制器61的比例参数；τ_c为加载电机3的电流环等效时间常数；J为车用电机1、加载电机3和传动装置2的总转动惯量；k_i为PI控制器61的积分参数。由此可以使计算加载电机3所需电磁转矩时的闭环传递函数近似为一阶惯性系统，能够避免通过微分计算来获得期望负载转矩而使得微分计算将信号噪声放大的问题。

如图3所示，负载控制器6还可以采用PI控制器61和转矩前馈模块62，转矩前馈模块62根据车用电机1的实际电磁转矩T_m和加载电机3的电流环等效时间常数τ_c计算补偿值，PI控制器61输出的加载电机3所需电磁转矩T_{d_cmd}与转矩前馈模块62输出的补偿值进行积分计算得到补偿后的加载电机3所需电磁转矩T_{d_cmd}′并发送至变频柜10，进而部分地抵消因车用电机1电磁转矩变化引起的扰动，转矩前馈模块62的形式可以根据具体情况和要求进行选取。

在一个优选的实施例中，加载电机3所需电磁转矩进行补偿采用将PI控制器61的输出减去转矩前馈模块62补偿值的方式，例如转矩前馈模块62的传递函数可以为G_f(s)＝τ_cs+1。

在一个优选的实施例中，加载电机3所需电磁转矩进行补偿采用将PI控制器61的输出乘以转矩前馈模块62补偿值的方式。

在一个优选的实施例中，传动装置2可以采用传动轴、联轴节以及能够在车用电机1与加载电机3之间传递转矩的任意部件。

在一个优选的实施例中，仿真计算装置5、负载控制器6和滑移率控制器9均可以各自独立设置或集中设置在同一硬件设备中。

下面通过具体实施例详细说明本发明用于车辆电驱动系统的台架试验设备的使用方法：

1)参数计算：加载电机3采用转矩跟随模式，通过检测装置4检测车用电机1和加载电机3的实际转速以及传动装置2的转矩并发送至仿真计算装置5和负载控制器6，通过电机驱动装置7将车用电机1的实际电磁转矩反馈至仿真计算装置5，仿真计算装置5根据接收的车用电机1的实际转速、传动装置2的转矩以及车用电机1的实际电磁转矩实时计算车辆动力学状态参数，并将车用电机1的实际电磁转矩和车辆动力学状态参数发送至负载控制器6和滑移率控制器9。

2)车用电机1的滑移率控制：通过滑移率控制器9根据接收的车辆动力学状态参数计算车用电机1的目标滑移率和车用电机1所需电磁转矩并发送至电机驱动装置7，通过电机驱动装置7根据接收的车用电机1所需电磁转矩对车用电机1进行直接电力驱动。

3)加载电机3的转速控制：通过负载控制器6根据接收的车用电机1的实际电磁转矩、加载电机3的实际转速和车辆动力学状态参数通过积分计算加载电机3所需电磁转矩并发送至变频柜10，通过变频柜10根据接收的加载电机3所需电磁转矩对加载电机3进行直接电力驱动。

4)转矩前馈：通过转矩前馈模块62根据PI控制器61输出的车用电机1实际电磁转矩和加载电机3的电流环等效时间常数计算补偿值，PI控制器61输出的加载电机3所需电磁转矩与转矩前馈模块62输出的补偿值进行积分计算得到补偿后的加载电机3所需电磁转矩并发送至变频柜10，通过变频柜10根据接收的加载电机3所需电磁转矩对加载电机3进行直接电力驱动，消除试验过程中滑移率控制对转速控制的影响。

如图4所示为负载控制器6采用PI控制器61或采用PI控制器61和转矩前馈模块62在相同条件下的滑移率动态模拟的仿真和实测结果。从图4可以看出负载控制器6采用PI控制器61或采用PI控制器61和转矩前馈模块62的仿真和实测结果都能够很好地跟随滑移率期望值，在避免转速信号微分使得噪声放大的问题的同时，能够确保滑移率控制过程模拟的准确度，满足模拟车辆滑移率控制过程的需要。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (8)

1.一种用于车辆电驱动系统的台架试验设备，其特征在于，该台架试验设备包括车用电机、加载电机、仿真计算装置、负载控制器、电机驱动装置、滑移率控制器和变频柜；

所述车用电机通过传动装置固定连接所述加载电机，所述传动装置上设置有检测装置，所述检测装置用于检测所述车用电机和加载电机的实际转速以及所述传动装置的转矩并发送至所述仿真计算装置和负载控制器；

所述电机驱动装置连接电源，所述电机驱动装置用于将所述车用电机的实际电磁转矩反馈至所述仿真计算装置；

所述仿真计算装置用于根据接收的所述车用电机的实际转速、所述传动装置的转矩和所述车用电机的实际电磁转矩实时计算车辆动力学状态参数，并将所述车用电机的实际电磁转矩和车辆动力学状态参发送至所述负载控制器和滑移率控制器；

所述负载控制器用于根据接收的所述车用电机的实际电磁转矩、所述加载电机的实际转速和车辆动力学状态参数计算所述加载电机所需电磁转矩并发送至所述变频柜；

所述变频柜连接电网，所述变频柜用于根据接收的所述加载电机所需电磁转矩对所述加载电机进行直接电力驱动；

所述滑移率控制器用于根据接收的车辆动力学状态参数计算所述车用电机的目标滑移率和所需电磁转矩并发送至所述电机驱动装置，所述电机驱动装置根据接收的所述车用电机所需电磁转矩对所述车用电机进行直接电力驱动。

2.如权利要求1所述的一种用于车辆电驱动系统的台架试验设备，其特征在于，所述负载控制器采用PI控制器，所述PI控制器根据所述加载电机的转速误差计算所述加载电机所需电磁转矩，所述PI控制器采用加载电机转速跟随控制模式，在加载电机转速跟随控制模式下所述PI控制器根据计算的所述加载电机所需电磁转矩实时控制所述加载电机的转速，所述PI控制器的参数满足以下关系式：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\τ}}_p>>{\mathrm{\τ}}_c\\ {\mathrm{\τ}}_p>>J/k_i\end{array}\right.$

其中，τ_p为所述PI控制器的比例参数；τ_c为所述加载电机的电流环等效时间常数；J为所述车用电机、加载电机和传动装置的总转动惯量；k_i为所述PI控制器的积分参数。

3.如权利要求2所述的一种用于车辆电驱动系统的台架试验设备，其特征在于，所述负载控制器采用所述PI控制器和转矩前馈模块，所述转矩前馈模块根据所述车用电机的实际电磁转矩和所述加载电机的电流环等效时间常数计算补偿值，所述PI控制器输出的所述加载电机所需电磁转矩与所述转矩前馈模块输出的补偿值进行积分计算得到补偿后的所述加载电机所需电磁转矩并发送至所述变频柜。

4.如权利要求3所述的一种用于车辆电驱动系统的台架试验设备，其特征在于，所述加载电机所需电磁转矩进行补偿采用将所述PI控制器的输出减去所述转矩前馈模块补偿值的方式。

5.如权利要求3所述的一种用于车辆电驱动系统的台架试验设备，其特征在于，所述加载电机所需电磁转矩进行补偿采用将所述PI控制器的输出乘以所述转矩前馈模块补偿值的方式。

6.如权利要求1所述的一种用于车辆电驱动系统的台架试验设备，其特征在于，所述传动装置采用传动轴或联轴节。

7.一种用于车辆电驱动系统的台架试验设备的使用方法，其特征在于，包括以下内容：

参数计算：加载电机采用转矩跟随模式，通过检测装置检测车用电机和加载电机的实际转速以及传动装置的转矩并发送至仿真计算装置和负载控制器，通过电机驱动装置将车用电机的实际电磁转矩反馈至仿真计算装置，仿真计算装置根据接收的车用电机的实际转速、传动装置的转矩以及车用电机的实际电磁转矩实时计算车辆动力学状态参数，并将车用电机的实际电磁转矩和车辆动力学状态参数发送至负载控制器和滑移率控制器；

加载电机的转速控制：通过负载控制器根据接收的车用电机的实际电磁转矩、加载电机的实际转速和车辆动力学状态参数计算加载电机所需电磁转矩并发送至变频柜，通过变频柜根据接收的加载电机所需电磁转矩对加载电机进行直接电力驱动；

车用电机的滑移率控制：通过滑移率控制器根据接收的车辆动力学状态参数计算车用电机的目标滑移率和车用电机所需电磁转矩并发送至电机驱动装置，通过电机驱动装置根据接收的车用电机所需电磁转矩对车用电机进行直接电力驱动。

8.如权利要求7所述的一种用于车辆电驱动系统的台架试验设备的使用方法，其特征在于，该使用方法还包括转矩前馈，具体为：通过转矩前馈模块根据输出的车用电机实际电磁转矩和加载电机的电流环等效时间常数计算补偿值，PI控制器输出的加载电机所需电磁转矩与转矩前馈模块输出的补偿值进行积分计算得到补偿后的加载电机所需电磁转矩并发送至变频柜，通过变频柜根据接收的加载电机所需电磁转矩对加载电机进行直接电力驱动。