CN109187043A - 高速电动汽车动力系统模拟装置及模拟方法 - Google Patents

Abstract

高速电动汽车动力系统模拟装置及模拟方法。传统的燃油汽车严重污染环境，势必向着低噪声、零排放的电动汽车方向发展。本发明组成包括：串联式双电机（5），串联式双电机采用两台永磁同步电机串联并分别通过导线与左电机控制器（7）、右电机控制器（4）连接，左电机控制器与右电机控制器分别通过导线与数据采集与控制系统（3）连接，数据采集与控制系统通过CAN总线与CAN总线接口模块（2）连接，CAN总线接口模块通过USB接口与工控机（1）连接，串联式双电机的右端通过联轴器A（6）与转矩传感器（8）连接，转矩传感器通过联轴器B（9）与变速箱（14）连接。变速箱通过连接轴与变速驱动桥（15）连接。本发明用于高速电动汽车动力系统模拟装置。

Description

高速电动汽车动力系统模拟装置及模拟方法

技术领域：

本发明涉及一种高速电动汽车动力系统模拟装置及模拟方法。

背景技术：

随着经济和社会的发展，传统燃油汽车在给人类生活带来极大便利的同时，也带来了严重的环境污染和能源危机，当今汽车工业势必向着低噪声、零排放、综合利用能源的方向发展，而电动汽车则是能够解决这些问题的重要途径。目前在世界范围内，普通电动汽车的最高时速与燃油车较为接近，高速电动汽车由于受到多方面条件的限制，还无法真正的普及和发展，但未来的电动汽车一定会向着高速度发展方向，因此，研究高速电动汽车具有前瞻性，对保障未来能源安全、实施节能减排也具有重要意义；

对电动汽车的动力传动系统参数进行合理设计和匹配，是高速电动汽车研究的关键，在动力电池和其他技术取得有效突破之前，对电动汽车动力传动系统部件的设计参数进行研究是提高电动汽车性能的重要手段，电动汽车的驱动电机直接影响电动汽车的动力性，确定合理的传动比更是传动系统设计的关键，这些动力传动系统参数均是影响电动汽车动力性和经济性的因素。

发明内容：

本发明的目的是提供一种高速电动汽车动力系统模拟装置及模拟方法。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种高速电动汽车动力系统模拟装置，其组成包括：串联式双电机，所述的串联式双电机采用两台永磁同步电机串联的形式，并且分别通过导线与左电机控制器、右电机控制器连接，所述的左电机控制器与所述的右电机控制器分别通过导线与数据采集与控制系统连接，所述的数据采集与控制系统通过CAN总线与CAN总线接口模块连接，所述的CAN总线接口模块通过USB接口与工控机连接，所述的串联式双电机的右端通过联轴器A与转矩传感器连接，所述的转矩传感器通过联轴器B与变速箱连接，所述的变速箱通过连接轴与变速驱动桥连接。

所述的高速电动汽车动力系统模拟装置，所述的变速驱动桥两端通过轴分别与左车轮、右车轮连接，所述的左车轮与所述的右车轮两侧分别安装有左轮毂、右轮毂，所述的左轮毂与所述的右轮毂分别与左减速器、右减速器连接，所述的左减速器与所述的右减速器分别与电磁制动器连接。

所述的高速电动汽车动力系统模拟装置，所述的变速箱采用两档结构，并且第一级速比为27:17，第二级速比为24:25，其内部集成有离合器，所述的变速驱动桥为单轴输入、双轴输出型，所述的左轮毂、所述的右轮毂安装在地面凹槽内。

一种高速电动汽车动力系统模拟装置及模拟方法，该方法包括如下步骤：首先是机械系统中的驱动电机采用两台永磁同步电机串联模式，由两台电机控制器分别为两台电机提供能量，转矩传感器实现电机转速与电机输出转矩的测量，变速箱采用两档结构，内部集成有离合器，变速驱动桥为单轴输入、双轴输出型，为车轮提供驱动力，轮毂安装于地面凹槽内，车轮置于轮毂之上，两侧轮毂均安装有减速器，轮毂通过减速器与电磁制动器相连，为车轮提供负转矩；

所述的高速电动汽车动力系统模拟装置的控制系统采用CAN通信方式，CAN总线接口模块通过USB接口与工控机相连，实现总线双向数据传输，接收工控机指令，同时将采集到的实验数据上传至工控机，并在界面上显示；数据采集与控制系统中包含大功率直流电源，为电机控制器提供能量；电磁制动器励磁电源能够在工控机的控制下输出连续可调的励磁电流，从而设定车轮侧轮毂的负转矩；数据采集模块的核心控制部件为单片机，单片机能够将电压、电流、温度、转矩、转速等信号通过CAN总线接口模块发送至工控机实时显示；单片机能够通过工控机指令设定变速箱档位。

有益效果：

1.本发明的高速电动汽车动力系统模拟装置是基于总线控制模式设计的，所有操作均由计算机完成，能够实时监测驱动电机的电压、电流、实时计算驱动电机输出功率、变速箱换挡、车轮负载的调整、联合软件仿真，该装置操作简单，维护方便，为研究高速电动汽车提供了科学的手段。

2.本发明采用自动控制方式，工控机控制系统部分是利用虚拟仪器软件LabVIEW为平台设计的上位机界面，上位机界面主要完成以下几个任务：设定模拟装置运行条件，实时显示驱动电机电压、电流及温度，能够实现车轮侧轮毂制动转矩的连续调节，能够进行变速箱换挡控制，能够联合仿真软件，模拟实车运行工况。

3.本发明能够实时显示CAN总线传输的数据信息，检测系统故障，能够以图、表等形式存储数据，其中动力系统部分，驱动电机采用两台永磁同步电机串联模式，能够大幅提高动力系统功率密度，变速箱采用两档变速结构，有效减小变速箱体积与重量，电磁制动器通过减速器与轮毂串联，为车轮提供负转矩，也能够模拟轮胎与路面间的摩擦力，该动力系统模拟装置能够模拟640km/h高速电动汽车的行驶工况。

附图说明：

附图1是本发明的结构示意图。

附图2是本申请的系统模拟装置与软件联合仿真曲线图。

具体实施方式：

实施例1：

一种高速电动汽车动力系统模拟装置，其组成包括：串联式双电机5，所述的串联式双电机采用两台永磁同步电机串联的形式，并且分别通过导线与左电机控制器7、右电机控制器4连接，所述的左电机控制器与所述的右电机控制器分别通过导线与数据采集与控制系统3连接，所述的数据采集与控制系统通过CAN总线与CAN总线接口模块2连接，所述的CAN总线接口模块通过USB接口与工控机1连接，所述的串联式双电机的右端通过联轴器A6与转矩传感器8连接，所述的转矩传感器通过联轴器B9与变速箱14连接，所述的变速箱通过连接轴与变速驱动桥15连接。

实施例2：

根据实施例1所述的高速电动汽车动力系统模拟装置，所述的变速驱动桥两端通过轴分别与左车轮16、右车轮13连接，所述的左车轮与所述的右车轮两侧分别安装有左轮毂17、右轮毂12，所述的左轮毂与所述的右轮毂分别与左减速器18、右减速器11连接，所述的左减速器与所述的右减速器分别与左电磁制动器19、右电磁制动器10连接。

实施例3：

根据实施例1所述的高速电动汽车动力系统模拟装置，所述的变速箱采用两档结构，并且第一级速比为27:17，第二级速比为24:25，其内部集成有离合器，所述的变速驱动桥为单轴输入、双轴输出型，所述的左轮毂、所述的右轮毂安装在地面凹槽内。

实施例4：

一种利用实施例1-3所述的高速电动汽车动力系统模拟装置的模拟方法，本方法是：首先是机械系统中的驱动电机采用两台永磁同步电机串联模式，由两台电机控制器分别为两台电机提供能量，转矩传感器实现电机转速与电机输出转矩的测量，变速箱采用两档结构，内部集成有离合器，变速驱动桥为单轴输入、双轴输出型，为车轮提供驱动力，轮毂安装于地面凹槽内，车轮置于轮毂之上，两侧轮毂均安装有减速器，轮毂通过减速器与电磁制动器相连，为车轮提供负转矩；

所述的高速电动汽车动力系统模拟装置的控制系统采用CAN通信方式，CAN总线接口模块通过USB接口与工控机相连，实现总线双向数据传输，接收工控机指令，同时将采集到的实验数据上传至工控机，并在界面上显示；数据采集与控制系统中包含大功率直流电源，为电机控制器提供能量；电磁制动器励磁电源能够在工控机的控制下输出连续可调的励磁电流，从而设定车轮侧轮毂的负转矩；数据采集模块的核心控制部件为单片机，单片机能够将电压、电流、温度、转矩、转速等信号通过CAN总线接口模块发送至工控机实时显示；单片机能够通过工控机指令设定变速箱档位；

所述的高速电动汽车动力系统模拟装置能够模拟640km/h高速电动汽车的行驶工况，实验过程可分如下步骤进行：

1、所述的高速电动汽车动力系统模拟装置上电自检，在无报警状态下通过工控机设定电磁制动器励磁电流，从而设定车轮与轮毂间的摩擦系数；

2、设定大功率直流电源为输出模式，为电机控制器预充电；

3、设定换挡时机，由于在实际车辆中，无论是自动变速箱还是手动变速箱，其换挡行为均具有随机性，会受到油门开度、路面坡度等条件的影响，因此在不同的条件下换挡，获得最高速度所需的时间均不相同，所述的高速电动汽车动力系统模拟装置能够设置换挡条件，能够对实际工况所产生的影响进行全面模拟；

4、模拟实验；系统在设定条件下完成启动、加速、换挡等过程；

5、制动；快速增大电磁离合器励磁电流，励磁电流越大，制动过程越短；

6、联合仿真软件，模拟实车运行工况，并以曲线的形式显示；参见附图2所示；

具体换挡过程如下：

（1）、离合器啮合并置变速箱为一档位，电机启动运行，电机转速到达6000rpm，通过一档27:17以及变速驱动桥27:15减速后，车轮实际转速约为2100rpm，此时车速约为237km/h；

（2）、离合器分离，置变速箱为二档位；

（3）、电机转速下降至3600rpm，离合器啮合，电机转速下调可保证换挡过程无变速冲击；

（4）、电机转速重新升至6000rpm，通过二档24:25以及变速驱动桥27:15减速后，车轮实际转速约为3500rpm，此时车速约为395km/h；若电机继续升速，车速也会继续增加；

模拟装置与软件联合仿真结果如附图2所示，一档升速较快，仅30s的时间，车速已由0升至237km/h；换挡时间较短，车速在换挡时略有下降；变速箱升至二档后，曲线斜率下降，升速变缓；在5km处，电机转速达到6000 rpm，车速达到395km/h，该电机在此转速下可以获得最大转矩，而随着转速的进一步增加，转矩呈下降趋势，因此速度上升会更加缓慢，电机转速6000 rpm为此模拟装置的最佳实验点；

所述的高速电动汽车动力系统模拟装置的主要部件的参数如下：

1、串联式驱动电机

单电机额定功率为200kW，峰值功率377kW，具有1.885倍短时过载能力；额定转速8800rpm，峰值转速10500rpm；额定转矩300Nm(6000rpm)，峰值转矩400Nm；

2、电机控制器

额定电压650V，连续输出电流400A，峰值电流600A，开关频率9kHz；

3、变速箱

变速箱采用两档结构，第一级速比为27:17，第二级速比为24:25；

4、变速驱动桥

变速驱动桥为单轴输入、双轴输出型，为车轮提供驱动力，速比为27:15；

5、车轮

车轮滚动半径为0.3m。

Claims (4)

1.一种高速电动汽车动力系统模拟装置，其组成包括：串联式双电机，其特征是：所述的串联式双电机采用两台永磁同步电机串联的形式，并且分别通过导线与左电机控制器、右电机控制器连接，所述的左电机控制器与所述的右电机控制器分别通过导线与数据采集与控制系统连接，所述的数据采集与控制系统通过CAN总线与CAN总线接口模块连接，所述的CAN总线接口模块通过USB接口与工控机连接，所述的串联式双电机的右端通过联轴器A与转矩传感器连接，所述的转矩传感器通过联轴器B与变速箱连接，所述的变速箱通过连接轴与变速驱动桥连接。

2.根据权利要求1所述的高速电动汽车动力系统模拟装置，其特征是：所述的变速驱动桥两端通过轴分别与左车轮、右车轮连接，所述的左车轮与所述的右车轮两侧分别安装有左轮毂、右轮毂，所述的左轮毂与所述的右轮毂分别与左减速器、右减速器连接，所述的左减速器与所述的右减速器分别与电磁制动器连接。

3.根据权利要求1或2所述的高速电动汽车动力系统模拟装置，其特征是：所述的变速箱采用两档结构，并且第一级速比为27:17，第二级速比为24:25，其内部集成有离合器，所述的变速驱动桥为单轴输入、双轴输出型，所述的左轮毂、所述的右轮毂安装在地面凹槽内。

4.一种利用权利要求1-3之一所述的高速电动汽车动力系统模拟装置的模拟方法，其特征是：该方法包括如下步骤：

首先是机械系统中的驱动电机采用两台永磁同步电机串联模式，由两台电机控制器分别为两台电机提供能量，转矩传感器实现电机转速与电机输出转矩的测量，变速箱采用两档结构，内部集成有离合器，变速驱动桥为单轴输入、双轴输出型，为车轮提供驱动力，轮毂安装于地面凹槽内，车轮置于轮毂之上，两侧轮毂均安装有减速器，轮毂通过减速器与电磁制动器相连，为车轮提供负转矩；

所述的高速电动汽车动力系统模拟装置的控制系统采用CAN通信方式，CAN总线接口模块通过USB接口与工控机相连，实现总线双向数据传输，接收工控机指令，同时将采集到的实验数据上传至工控机，并在界面上显示；数据采集与控制系统中包含大功率直流电源，为电机控制器提供能量；电磁制动器励磁电源能够在工控机的控制下输出连续可调的励磁电流，从而设定车轮侧轮毂的负转矩；数据采集模块的核心控制部件为单片机，单片机能够将电压、电流、温度、转矩、转速等信号通过CAN总线接口模块发送至工控机实时显示；单片机能够通过工控机指令设定变速箱档位。