CN109297723A - 一种电动汽车行驶工况模拟试验台及模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动汽车行驶工况模拟试验台及模拟方法。该试验台利用试验驱动电机模拟电动汽车在简单工况及循环工况下的电机运行状态，采用与试验驱动电机同轴连接的测功机输出与电动汽车在所模拟工况下行驶时受到的阻力相匹配的负载力矩，利用基于单片机的转速闭环控制解决了循环工况下试验驱动电机转速的精确控制问题，同时利用对测功机加载量的标定和闭环控制，提升测功机输出负载力矩与实际工况中行驶阻力的匹配精度，从而使试验驱动电机可以按照所模拟的电动汽车行驶工况运行，不但缩减了试验台规模，而且满足不同电动汽车动力驱动系统研究、分析需求，实现多种不同行驶工况的模拟，应用范围广泛。

Description

一种电动汽车行驶工况模拟试验台及模拟方法

技术领域

本发明涉及电动汽车开发试验领域，具体涉及一种小型行驶工况模拟与性能测试试验台及行驶工况模拟方法。

背景技术

动力驱动系统作为电动汽车分析研发的最重要部分，其性能优劣直接关系到电动汽车整体性能的好坏。因此在电动汽车研发过程中，驱动系统的试验技术及其试验条件对整车开发的影响越来越大。目前关于电动汽车试验研究的方法主要有：计算机仿真研究、室外道路实车试验研究和室内台架试验研究三种方法。计算机仿真测试难以建立准确的数学模型，仿真试验得到的数据很难准确地反映电动汽车的性能，其可信性和可用性还要通过其他方法来检验。室外道路实车测试受外界环境干扰因素影响较大，试验周期较长，试验结果的可控性和重复性较差，无法测得详细数据。室内台架试验在理论上可以达到与室外道路实车测试相同的效果，同时，试验平台零部件的布置不受整车总布置形式的限制，试验方法简单灵活，试验结果重复性好。

但现有的室内试验平台功能较为单一，应用范围较窄，通用性差，如驱动电机性能测试试验台、动力电池系统测试试验台等。目前亟需提出一种电动汽车小型行驶工况模拟试验台，通过对整车简单工况及循环工况的模拟，再现整车道路行驶状况，实现对整车运行工况下关键部件的测试，从而可以替代开发初期的整车试验，缩短开发周期，降低研发成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电动汽车行驶工况模拟试验台及模拟方法。通过模拟电动汽车的道路负载和行驶车速，实现电动汽车行驶工况的模拟，可以用于对电动汽车的驱动电机性能和整车的能量消耗进行测试。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种电动汽车行驶工况模拟试验台，该试验台包括上位机、开关电源、驱动电机、电机驱动器、单片机转速控制模块、测功机以及测功机控制器，所述测功机与驱动电机通过联轴器相连，电机驱动器分别与开关电源、单片机转速控制模块及驱动电机相连，测功机控制器与测功机相连，上位机分别与测功机控制器以及单片机转速控制模块相连，上位机包括模拟工况加载量控制模块以及车速跟随控制模块，模拟工况加载量控制模块用于将测功机加载量控制信号发送给测功机控制器，使测功机输出负载力矩与所模拟工况下的行驶阻力或等效行驶阻力相应，车速跟随控制模块用于计算并输出行驶车速以及通过单片机转速控制模块发送驱动电机转速控制命令，使驱动电机按照所模拟工况下的行驶车速运转。

优选的，所述测功机选自电涡流测功机；所述开关电源选自AC/DC开关电源；所述驱动电机选自无刷直流电机。

优选的，所述单片机转速控制模块包括单片机(例如，STC12C5A60S2)、与单片机相连的用于检测驱动电机实时转速的电机转子位置霍尔传感器以及用于单片机与上位机进行通信的接口电路，所述单片机输出PWM调速信号至电机驱动器。

优选的，所述试验台还包括设置于测功机一侧的平板以及设置于该平板上的驱动电机夹具，所述夹具包括螺栓以及设置于所述螺栓上的两个间距可调的夹板，所述平板上设置有多排与所述联轴器间距不同的定位孔槽，螺栓固定在所述平板上的某一排定位孔槽内。

优选的，所述试验台还包括与上位机相连的直流电参数测试仪，直流电参数测量仪与电机驱动器并联。

一种电动汽车行驶工况模拟方法，包括以下步骤：

1)通过联轴器将驱动电机和测功机连接；

2)对驱动电机转速进行控制，使驱动电机按照所模拟工况下的行驶车速运转；

3)根据所模拟工况下的实时行驶车速以及驱动电机和电动汽车的参数计算行驶阻力或等效行驶阻力，根据行驶阻力或等效行驶阻力确定测功机的输出负载力矩；

4)根据测功机的输出负载力矩以及驱动电机的转速确定测功机加载量；

5)通过控制测功机加载量使测功机的输出负载力矩与所模拟工况下的行驶阻力或等效行驶阻力相应。

优选的，所述电动汽车的参数选自整车质量、齿轮(变速器、减速器)传动比、风阻系数(空气阻力系数)、滚动阻力系数、迎风面积、旋转质量换算系数、机械传动效率、车轮半径中的多个参数，其中，整车质量、迎风面积两个参数取为由驱动电机等效的试验车的对应参数，该参数是根据电动汽车与所述试验车之间的相似准则，将电动汽车的整车质量、迎风面积分别按比例变化后得到的。

优选的，所述测功机加载量是在考虑驱动电机转速下进行加载量与负载力矩的实验标定并结合双线性插值而得到的。

优选的，所述行驶工况包括水平路面匀速行驶工况、匀速爬坡工况、水平路面加速行驶工况、水平路面减速行驶工况以及循环工况。

优选的，所述循环工况的模拟中，将电动汽车的行驶工况随时间变化的连续曲线转化为驱动电机转速—时间关系曲线和驱动电机负载—时间关系曲线，将两个关系曲线用一定的时间步长离散化，并将各步长末时刻对应的驱动电机转速和负载作为自动控制的目标参考点。

本发明的有益效果体现在：

本发明利用上位机控制驱动电机模拟实际工况运转，控制测功机施加给驱动电机的负载与车辆运行时电机所受的负载相同或等效，实现汽车行驶过程中各种阻力与惯性载荷的模拟，能够根据电动汽车研究需求调整参数，从而实现多种不同行驶工况的模拟，应用范围广泛。同时，本发明所述工况模拟试验台通过等效模拟，结构紧凑小巧，易于布置，利用该试验台可以实现对整车运行工况下关键部件的测试，可以替代开发初期的整车试验，缩短电动汽车开发周期，降低研发成本，对电动汽车动力系统的开发和试验具有一定的指导意义。

进一步的，本发明通过对电动汽车行驶工况随时间变化的连续曲线转化并离散化，从而能够在试验台上代替路面行驶完成电动汽车循环工况模拟，通过对整车循环工况的模拟，更精确的再现整车道路行驶状况。

进一步的，本发明能够较好地实现匀速、爬坡、加减速等简单工况以及ECE15循环工况与日本10等循环工况的模拟，能够完成电机-电机驱动器运行效率的测试以及整车能量消耗的测试。

附图说明

图1为工况模拟试验台结构示意图；

图2为单片机转速控制模块的电路设计图；

图3为工况模拟试验台及试验电机的连接示意图；

图4为工况模拟试验台机械部分结构示意图之一；

图5为工况模拟试验台机械部分结构示意图之二；

图6为循环工况模拟中测功机扭矩(负载力矩)控制原理图；

图7为循环工况模拟中驱动电机转速控制原理图；

图8为试验负载(测功机扭矩传感器测量)与ECE15工况目标负载(给定负载)对比图；

图9为试验负载与日本10工况目标负载(给定负载)对比图；

图10为试验车速(根据测功机转速传感器测量结果计算)与ECE15工况目标车速对比图；

图11为试验车速与日本10工况目标车速对比图；

图12为电机-电机驱动器效率图；

图中：1为电机，2为联轴器，3为直流电参数测量仪，4为电机驱动器，5为平板，5-1为定位孔槽，6为夹具，6-1为螺栓，6-2夹板，7为开关电源，8为计算机，9为测功机，10为测功机控制器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。

1.电动汽车工况模拟理论

1.1电动汽车行驶阻力

车辆在道路上行驶时除了驱动力之外，还将受到行驶阻力的作用。该阻力通常包括滚动阻力F_f、空气阻力F_w、坡度阻力F_i和加速阻力F_j。与传统汽车相同，电动汽车在道路上正常行驶时也遵循汽车行驶方程式，即驱动力与行驶阻力相等，即：

F_t＝F_f+F_w+F_i+F_j (1)

或

其中，F_t为电动汽车的驱动力，f为滚动阻力系数，g为重力加速度，A为迎风面积(m²)，C_D为空气阻力系数，u_a为电动汽车的行驶速度(km/h)，α为路面的倾斜角，δ为汽车旋转质量换算系数，其值大于1，一般与飞轮的转动惯量、车轮的转动惯量及传动系的传动比有关，m为汽车质量(kg)，为加速度(m/s²)，i_g为变速器传动比，i₀为主减速器传动比，η_t为传动系统的机械传动效率，r为车轮半径(m)，M为电机输出的扭矩。

电动汽车的行驶速度u_a(km/h)与驱动电机的转速n(r/min)之间的关系为：

不同工况下的行驶阻力按照以下公式计算：

1.2功率平衡

汽车在道路上行驶时，行驶阻力所消耗的功率有滚动阻力功率P_f(kW)、空气阻力功率P_w(kW)、坡度阻力功率P_i(kW)及加速阻力功率P_j(kW)。若不考虑传动系统阻力所消耗的功率，则以上四种行驶阻力所消耗的功率与驱动电机输出功率P_t(kW)相等，即：

P_t＝P_f+P_w+P_i+P_j (5)

式中，(i为tanα)，

利用试验台进行行驶工况模拟时，驱动电机输出的功率P_t为：

式中：P'为试验台测功机的功率消耗量，P_J为在加速运转工况下试验台传动系统和测功机转子的惯性力所消耗的功率。J_r为试验台传动系统的转动惯量的总和，J_c为测功机转子的转动惯量；ω_r和ω_c分别为传动系统和测功机转子的角速度，r_c为测功机转子半径。

由于传动系统的转动惯量和测功机的转动惯量都较小，一般忽略不计，所以认为驱动电机的输出功率与测功机吸收的功率时刻保持相等，即：

P_t＝P′ (7)

其中测功机吸收功率的大小由励磁电流决定，实际行驶阻力消耗的功率由工况决定，即与电动汽车的行驶状况有关。通过确定测功机励磁电流(即加载量)的大小，使施加给驱动电机的负载与驱动电机在车辆行驶时所受的负载相同，保证电机在试验台上消耗的功率与道路行驶时消耗的功率相一致，从而实现试验台对车辆行驶工况的模拟。

根据上文得出试验台实现汽车行驶工况模拟的条件：一是测功机的模拟阻力要与实际行驶阻力相等；二是测功机吸收的功率与行驶阻力消耗的功率相等。

2.行驶工况模拟试验台设计及搭建

2.1试验台方案设计

试验台的主要功能是进行电动汽车行驶工况模拟试验、电动汽车电机及其控制器性能测试试验以及电动汽车动力电池能量消耗试验等。本发明提出的小型电动汽车行驶工况模拟试验台(简称工况模拟试验台)主要由机械部件和测控系统两大部分组成，机械部件包括电机、联轴器、测功机(具有转速传感器、扭矩传感器)、试验台架等；测控系统包括上位机(计算机)、单片机转速控制模块、电机驱动器、测功机控制器、直流电参数测量仪、霍尔传感器等。工况模拟试验台结构如图1所示。

2.2试验台结构组成

(1)电机及其驱动器

工况模拟试验台采用直流无刷电机作为试验驱动电机。从功能性与经济性两方面考虑，选用北京时代超群科技有限公司生产的80BL系列的小型直流无刷电机。该直流无刷电机的主要特点有：良好的机械外特性、运行可靠、调速范围宽、过载能力强、工作效率高、比功率大、体积小。

与试验驱动电机配套的电机驱动器型号为ZM-6615，具有如下特点：运行可靠稳定；通用性和兼容性比较强；可对电机实现无极调速；具有过电流保护功能。驱动器能够采用外接电位器、模拟电压与PWM信号三种方法实现外部调速。

(2)测功机及其控制器

常用的测功机类型有水力测功机、电涡流测功机和电力测功机。对工况模拟试验台的测功机进行选择时，根据测功机特性曲线检查其测量范围是否能够满足试验驱动电机在各工况下功率、扭矩和转速的测量要求，同时考虑经济性，选用型号为DW100KB的电涡流测功机。

选用型号为BK6000的测功机控制器，其采用数字同步采样技术和微机技术，能够准确测量电机的转速、扭矩(通过前述转速传感器、扭矩传感器)和输出功率，数字显示测量值，与计算机8采用串口通信(RS-232)。其核心元件由控制模块、数据采集卡和外围电路三部分组成。控制模块采用单片机微处理器，主要作用是控制输出励磁电流的大小，并完成输出功率的计算；数据采集卡的主要作用是自动采集转速、扭矩传感器信号，并经A/D转换器将电信号转换为数字信号；外围电路的主要作用是对信号进行调理和保持。

(3)试验用动力电源

电动汽车动力源是蓄电池，考虑到蓄电池的容量有限，当试验持续进行时间较长时，蓄电池可能会由于储存的电量不足影响试验的正常进行。从试验电源的可靠性和通用性进行考虑，工况模拟试验台选用型号为S-1000-48的AC/DC开关电源，将供电网络中220V交流电转化为符合试验要求的48V直流电。

S-1000-48型AC/DC开关电源通过控制其三极管导通和截止的时间比例进行稳定的电压输出，具有以下特点：纹波及噪声小，进线稳定度和负载稳定度好；功率密度高，功耗小，效率高；交流输入范围可通过开关切换，可限制交流输入突入电流；具有过负载、过电压及过温度保护功能；体积小、重量轻。

(4)数据采集设备

直流电参数测量仪：

选用型号为BK5000的直流电参数测量仪对电机驱动器的电压、电流、输入功率进行测量，并将测量得到的试验数据通过接口电路(USB转RS-232)上传到计算机。BK5000直流电参数测量仪内置12位A/D转换芯片，能够对电压和电流信号进行分时采集，并以约为10000次/s的速率对采集到的电压和电流信号进行转换，对电压和电流信号采用浮置输入的方式进行输入，数值显示更新频率约为3次/s。

转速传感器：

工况模拟试验台中，测功机采用光电式转速传感器，其利用非接触方式进行转速测量，具有测量精度高、响应速度快、抗干扰性强等优点。光电式转速传感器包含调制光源、齿圆盘、光敏元件等组成的光学系统、电路放大器、开关或模拟量输出装置，测速系统的固定测量时间为1s。

扭矩传感器：

工况模拟试验台中，测功机采用电阻应变片式扭矩传感器，其主要特点为：分辨能力高；测量误差小；测量范围大；价格低廉。电阻应变片式扭矩传感器由弹性轴、测量电桥、仪器用放大器和接口电路等组成。

(5)单片机转速控制模块

单片机转速控制模块接收计算机8的转速控制命令，根据命令要求产生一定占空比的PWM信号驱动电机转动，对转速实行闭环控制，通过获得试验驱动电机的霍尔信号测量得到实时转速，并依据计算机控制命令的目标转速值对试验驱动电机转速实时调节，满足控制需要。单片机转速控制模块的电路如图2所示。该电路中采用单片机STC12C5A60S2为微处理器，用于输出PWM调速信号至电机驱动器，STC12C5A60S2最小系统采用USB供电，具有振荡电路和复位开关，STC12C5A60S2外围电路主要包括电机转子位置霍尔信号采集(放大)电路，以及用于与计算机进行串行通信的接口电路(USB转RS-232)。

2.3试验台搭建

工况模拟试验台搭建包括机械连接部分与电气连接部分，如图3、图4以及图5所示。

(1)机械连接部分

工况模拟试验台机械连接部分主要涉及测功机9的安装、试验驱动电机1的固定，以及测功机9与试验驱动电机1的连接等。测功机9以整体封装的形式安装在稳固的试验平台上，试验平台还包括平板5，该平板5上设置有定位孔槽5-1，用于定位安装一对竖立设置的螺栓6-1，平板5通过可升降调节的多个支腿支撑，螺栓6-1上设置有上下两个间距可调的夹板6-2，夹板6-2与螺栓6-1共同构成夹具6，平板5布置在测功机9的前方，通过将螺栓6-1定位在与测功机9(联轴器)间距不同的定位孔槽中，实现夹具的位置和夹紧点位可调(以确保稳固安装驱动电机)。试验驱动电机1通过夹具6固定到试验平台上，夹具分为平行夹具(包括同一螺栓上具有两个相同的夹板)和V形夹具(同一螺栓上，其中一个夹板上设置有开口朝向另一个夹板的V形凸起)，分别用来固定方形电机和圆形电机，夹具65在平板上的位置根据电机的尺寸进行调节。测功机9与试验驱动电机1通过挠性联轴器2相连，所选联轴器应具有较高的动平衡精度，以保证测功机9高速运行下的测量准确性。联轴器在安装时，须调整联轴器对中，以保证试验驱动电机1与测功机9的同轴度，此外两轴之间须有2mm的轴向间隙，以补偿试验时由于电机输出轴的轴向窜动或由于温度升高而带来的轴向延长。

(2)电气连接部分

工况模拟试验台电气连接部分主要是指供电网络和数据采集设备的连接。试验台采用供电网络的方式供电，通过开关电源7将供电网络中的交流电转换为与试验驱动电机1匹配的直流电，连接方式为开关电源7输入端与供电网络连接，输出端与直流电参数测量仪3的试验电压接线柱连接，然后通过直流电参数测量仪3的被测试品接线柱连接到电机驱动器4，将直流电参数测量仪3并联到电路中，以便测量试验平台上固定的试验驱动电机1的输入电压和电流(即前述电机驱动器的电压和电流)。测功机控制器10与测功机9通过两条线连接，测功机控制器10的励磁输出口通过励磁电流输出线与测功机9后面板接口连接，来控制测功机9所提供的负载大小，测功机控制器10的测功机接口通过测功机信号测试线与测功机9侧面板接口连接，用来接收测功机9的转速、扭矩信号(测功机与试验驱动电机用联轴器连到一起，测功机的转速与扭矩即为试验驱动电机的转速与扭矩)。

3.工况模拟方案设计及实现

小型电动汽车行驶工况模拟试验台在实现匀速行驶工况、匀速爬坡行驶工况、水平路面加速(减速)行驶工况模拟的基础上，完成动态测试与静态测试。根据循环工况的行驶特点，运用测功机和试验驱动电机分别完成负载加载控制和车速跟随控制，实现对ECE15工况和日本10工况的模拟，对试验数据进行采集、显示、分析和存储，完成电机-电机驱动器运行效率与整车能量消耗测试。

3.1试验台模型车参数的确定

根据试验驱动电机的主要性能参数，参考某款电动汽车的相关参数，应用相似第二定理按比例缩小确定试验模型车基本参数。

根据相似第二定理与汽车行驶方程式，得到相似准则为：

式中，Π为相似准则，其他为电动汽车参数：驱动电机额定输出扭矩T_tq、汽车质量m、迎风面积A、车轮半径r、变速器传动比i_g、主减速器传动比i₀、传动系统的机械传动效率η_t、滚动阻力系数f、空气阻力系数C_D、旋转质量换算系数δ、电动汽车的行驶速度u_a、加速度

根据相似准则，利用某款电动汽车的驱动电机额定输出扭矩T_tq和试验驱动电机的额定输出扭矩T_tq′计算可得：

式中，m′为试验模型车的质量、A′为试验模型车的迎风面积。其它参数如车轮半径r、主减速器传动比i₀、滚动阻力系数f等选取原电动汽车参数，试验模型车的主要参数如表1所示。

表1.试验模型车采用的主要参数

3.2试验台简单工况模拟方案设计

工况模拟试验台模拟的简单工况包括水平路面匀速行驶工况、匀速爬坡工况、水平路面加速(减速)行驶工况。

(1)简单工况平衡方程

电动汽车在水平路面上匀速行驶，行驶阻力包括滚动阻力与空气阻力，根据试验模型车参数确定模拟水平路面匀速行驶工况下驱动力-行驶阻力平衡方程式为：

∑F＝F_f+F_w＝1.15+1.84u_a ²×10^-4(N) (10)

电动汽车在匀速爬坡行驶时，行驶阻力包括滚动阻力、空气阻力与爬坡阻力，根据试验模型车参数确定模拟匀速爬坡工况下驱动力-行驶阻力平衡方程式为：

∑F＝F_f+F_w+F_i＝1.15cosα+1.84u_a ²×10^-4+77sinα(N) (11)

电动汽车在水平路面上加速(减速)行驶，行驶阻力包括滚动阻力、空气阻力与加速阻力，根据试验模型车参数确定模拟水平路面加速(减速)行驶工况下驱动力-行驶阻力平衡方程式为：

各工况下工况模拟试验台测功机对应的输出负载力矩T′表示为：

其中，i_g＝1。

工况模拟试验台采用电模拟方式实现行驶阻力模拟，在模拟电动汽车匀速运动过程中，测功机系统输出的负载力矩用以模拟电动汽车道路行驶阻力；在加速(减速)运动过程中，测功机系统输出的负载力矩用以同时模拟整车惯性载荷和车辆阻力。

工况模拟试验台进行简单工况模拟中，计算机8实时采集电机转速信号(来自于测功机控制器)，根据模型车参数计算出对应车速，依据行驶工况获得测功机的输出负载力矩，计算机通过与测功机控制器的通信(RS-232)，控制测功机的加载量，完成行驶阻力实时模拟。简单工况模拟中，电机转速控制通过手动调节电机驱动器实现，调节中参考通过计算机显示的实时车速信息，直至达到简单工况给定的车速。

(2)测功机加载量计算

工况模拟试验台通过计算机与测功机的串行通信给测功机提供加载量，确定测功机输出负载力矩。通过试验发现，测功机的输出负载力矩不仅与加载量有关，而且还受电机转速的影响，其输出负载力矩的大小由加载量与电机转速共同决定。由于加载量Q、输出负载力矩T、转速n关系Q＝Z(T,n)并不明确，本发明采用实验室标定法确定测功机输出负载力矩与加载量的对应数值。

实验室标定法特征点的选取按照转速分组，从最低稳定转速到最高稳定转速把转速分成9组，每组转速下根据负载力矩分成10组，从0.1N·m到1N·m。利用测功机自带的测控软件(软件能够显示当前转速与转矩下的加载量)通过定点测试模式稳定转速和力矩值，测量加载量的大小，每组试验进行3次，取平均值。对于特征点以外的数据，采用双线性函数插值的办法获取。

经过多次反复试验，部分试验测量数据如表2所示。

表2.试验测量数据

试验还需验证特征点选取的可靠性，任取20组非特征点处的数据分别采用试验方法和插值法确定加载量的数值，部分验证结果如表3。由验证结果可知，插值法所得试验数据与试验测得的数据相差1％左右，因此特征点的选取是合理的。

表3.试验验证结果

3.3试验台循环行驶工况模拟方案设计

工况模拟试验台以简单行驶工况模拟为基础，根据循环行驶工况工作特点，实现对循环行驶工况(以ECE15工况与日本10工况为例)的模拟。

分析ECE15工况与日本10工况中车速、时间的行驶特征，将电动汽车遵循道路循环工况行驶时每一时刻的汽车状态，如车速、行驶阻力等转化成试验驱动电机的转速(根据公式3)、负载扭矩(根据公式10-13)，以确定每一时刻对应的试验驱动电机工况。电动汽车的行驶工况是一条随时间变化的连续曲线，将其转化为对应的驱动电机工况，包括驱动电机转速—时间关系曲线以及负载扭矩—时间关系曲线，以时间步长较小的离散曲线来代替连续曲线，获得循环工况特征点(即每段曲线对应末时刻)。试验驱动电机转速和负载扭矩经调节控制后达到目标参考值所需时间大约为1.5s，所以试验选定1.5s作为时间步长。

(1)循环工况加载量控制

试验台进行电动汽车行驶阻力的实时模拟时，计算机根据循环工况对应的负载扭矩—时间关系，将负载扭矩对应加载量控制命令按照时间标志一一对应地发送给测功机控制器(在当前步长结束时发送下一个步长的特征点)，测功机提供一个连续的动态负载，模拟电动汽车行驶时作用在驱动电机轴上的实际负载，再现电动汽车道路行驶过程。

循环工况加载量控制过程(闭环控制)如图6所示，在一个步长开始时刻，计算机以该步长特征点处负载力矩为目标参考值，将测功机实时输出负载力矩(扭矩传感器测量)与参考值比较，如果偏差超出范围，则通过测功机控制器增加或减少测功机加载量(循环工况控制中，要保证在任何情况下都要与循环工况要求相对应，这样就需要动态控制，+5，-5就是动态控制的加载量变化；循环工况是动态的，并且吻合度要求较高，而采用特征点标定的加载量仅是基本准确，仍需要对该加载量的控制幅度进行校正，从而使实际加载量对应的负载与工况下不同时刻的实际行驶阻力保持一致。)

将ECE15工况和日本10工况离散化处理后分别得到130个特征点和112个特征点，经过试验标定，得到ECE15工况和日本10工况的各个特征点对应的测功机加载量值。

表4列出10个ECE15工况的特征点对应的测功机加载量试验标定值。

表4.ECE15工况的特征点对应的测功机加载量试验标定值(同一列对应一个特征点)

(2)循环工况车速跟随控制

工况模拟试验台进行整车循环工况模拟时，在保证试验台模拟的行驶阻力与车辆实际道路行驶阻力一致性的同时，还要保证试验台模拟的电动汽车车速与循环工况需求的车速保持一致。根据对ECE15工况和日本10工况进行驱动电机转速—时间关系离散化处理，通过控制驱动电机达到设定的目标转速以实现试验台模拟的车速与循环工况需求的车速保持一致。

计算机通过单片机转速控制模块(STC12C5A60S2)发出的PWM信号实现驱动电机的转速调节控制，由于测功机光电式转速传感器的转速测量周期为1s，为将试验驱动电机的转速调节到目标参考转速，采用转速闭环控制实现转速调节。利用STC12C5A60S2单片机对试验驱动电机的一路转子位置霍尔信号进行捕获，测量计算其转速。计算机(车速跟随控制程序)将转速测量值和目标参考转速值(一个步长内的特征点处的值)进行比较得到转速偏差，当转速偏差处于设定的偏差范围，对单片机发出的PWM占空比不作调整，当转速偏差超出设定的偏差范围，车速跟随控制程序对单片机发出的PWM占空比进行调节，使转速偏差满足设定的试验偏差要求(每个步长内完成这样的控制)。车速跟随控制程序对试验驱动电机的转速控制原理如图7所示。

4.循环工况模拟试验及结果分析

在试验台上对小型电动汽车实现ECE15工况和日本10工况的模拟，并估算电机运行效率和试验模型车的能量消耗，进行如下试验及计算：道路负载模拟试验、车速跟随模拟试验、电机-电机驱动器效率计算和能量消耗计算。

4.1道路负载模拟试验

工况模拟试验台通过模拟电动汽车行驶过程中作用在驱动电机输出轴上的实际负载进行整车道路负载模拟，试验时，计算机命令测功机按照给定的负载力矩—时间关系运行。试验台进行ECE15工况道路负载模拟试验时，采集到195个试验数据，结果如图8所示。试验台进行日本10工况道路负载模拟试验时，采集到168个试验数据，结果如图9所示(循环工况中的加速、减速过程存在不同时刻转速相同的情况，因此实验数据点数多于需要标定加载量的特征点数)。

图8和图9的曲线契合度表明，试验台较好地模拟了两种循环工况的负载加载状态，小型电动汽车按照循环工况规定负载模拟行驶。试验台的试验负载在时间上略滞后于目标负载，这是由于控制系统的各模块通讯存在延时和对负载加载的调节控制需要一定的时间，造成模拟负载略有滞后，但不影响对电机-电机驱动器运行效率与能量消耗的评估。

4.2车速跟随模拟试验

工况模拟试验台进行循环工况模拟试验时，要保证试验台模拟的车速与循环工况的需求车速保持一致。试验台进行ECE15工况车速跟随模拟试验时，采集到195个试验数据，结果如图10所示。试验台进行日本10工况车速跟随模拟试验时，采集到168个试验数据，结果如图11所示。

试验结果表明，试验台较好地模拟了两种循环工况的车速状态，小型电动汽车模拟行驶中保持了与循环工况车速的一致性。试验车速在时间上略滞后于目标车速，这是由于控制系统的各模块通讯存在延时和对驱动电机的转速调节控制需要一定的时间，造成试验车速略有滞后，但不影响对电机-电机驱动器运行效率与能量消耗的评估。

4.3电机-电机驱动器效率计算

试验台进行循环工况模拟试验时，可以测得驱动电机的扭矩T_m(N·m)、转速n_m(r/min)(由扭矩传感器和转速传感器测量，电机与测功机同轴，所以电机扭矩与测功机负载力矩数值相同，此处是分析电机的情况，用电机扭矩更为合适)和电机驱动器的电压U_m(V)、电流I_m(A)(由直流电参数测量仪检测)等试验数据。电机-电机驱动器的效率η_m公式为：

不同电机的效率特性并不相同，根据公式计算得到电机-电机驱动器的效率如图12所示，结果表明驱动电机在低转速低扭矩时段，电机-电机驱动器的运行效率相对较低，驱动电机在高转速高扭矩时段，电机-电机驱动器的运行效率相对较高。

4.4能量消耗计算

电动汽车消耗的能量W计算公式为：

W＝∫U(t)I(t)dt (15)

式中，U为试验电源端电压(V)；I为试验电源电流(A)，试验中的值由直流电参数测量仪获得，I计算值与Im相等；t为循环工况运行时间(s)。

试验时测得循环工况运行期间每一时刻的电压值与电流值，利用离散求积分方法计算得出试验台进行ECE15工况和日本10工况模拟试验时，试验模型车的能量消耗分别为6506.63J和4313.9J。能量消耗量是计算电池剩余电量，确定续驶里程的基础。

本发明所述小型电动汽车行驶工况模拟试验台能够进行电动汽车水平路面匀速行驶工况模拟、匀速爬坡工况模拟、水平路面加速行驶工况模拟、水平路面减速行驶工况模拟以及循环行驶工况模拟；在循环行驶工况下，完成电动汽车的驱动电机性能测试、能量消耗计算、电池剩余电量估算和续驶里程估计等试验研究，对小型电动汽车电机-电机驱动器的运行效率、整车能量消耗等作出评价。试验台的建立为改进电动汽车整车及驱动电机的控制策略、提高电池管理效能、延长续驶里程等研究提供了有力的支撑，并缩短电动汽车新车型设计开发周期，降低新车型的研发风险和费用支出，对电动汽车整车和电机总成设计具有重要的工程意义。

Claims (10)

1.一种电动汽车行驶工况模拟试验台，其特征在于：该试验台包括上位机、开关电源(7)、驱动电机(1)、电机驱动器(4)、单片机转速控制模块、测功机(9)以及测功机控制器(10)，所述测功机(9)与驱动电机(1)通过联轴器相连，电机驱动器(4)分别与开关电源(7)、单片机转速控制模块及驱动电机(1)相连，测功机控制器(10)与测功机(9)相连，上位机分别与测功机控制器(10)以及单片机转速控制模块相连，上位机包括模拟工况加载量控制模块以及车速跟随控制模块，模拟工况加载量控制模块用于将测功机加载量控制信号发送给测功机控制器(10)，使测功机(9)输出负载力矩与所模拟工况下的行驶阻力或等效行驶阻力相应，车速跟随控制模块用于计算并输出行驶车速以及通过单片机转速控制模块发送驱动电机转速控制命令，使驱动电机(1)按照所模拟工况下的行驶车速运转。

2.根据权利要求1所述一种电动汽车行驶工况模拟试验台，其特征在于：所述测功机(9)选自电涡流测功机；所述开关电源(7)选自AC/DC开关电源；所述驱动电机(1)选自无刷直流电机。

3.根据权利要求1所述一种电动汽车行驶工况模拟试验台，其特征在于：所述单片机转速控制模块包括单片机、与单片机相连的用于检测驱动电机(1)实时转速的电机转子位置霍尔传感器以及用于单片机与上位机进行通信的接口电路，所述单片机输出PWM调速信号至电机驱动器(4)。

4.根据权利要求1所述一种电动汽车行驶工况模拟试验台，其特征在于：所述试验台还包括设置于测功机(9)一侧的平板(5)以及设置于该平板(5)上的驱动电机夹具(6)，所述夹具(6)包括螺栓(6-1)以及设置于所述螺栓(6-1)上的两个间距可调的夹板(6-2)，所述平板(5)上设置有多排与所述联轴器间距不同的定位孔槽(5-1)，螺栓(6-1)固定在所述平板(5)上的某一排定位孔槽(5-1)内。

5.根据权利要求1所述一种电动汽车行驶工况模拟试验台，其特征在于：所述试验台还包括与上位机相连的直流电参数测试仪(3)，直流电参数测量仪(3)与电机驱动器(4)并联。

6.一种电动汽车行驶工况模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)通过联轴器将驱动电机(1)和测功机(9)连接；

2)对驱动电机(1)转速进行控制，使驱动电机按照所模拟工况下的行驶车速运转；

3)根据所模拟工况下的实时行驶车速以及驱动电机和电动汽车的参数计算行驶阻力或等效行驶阻力，根据行驶阻力或等效行驶阻力确定测功机(9)的输出负载力矩；

4)根据测功机(9)的输出负载力矩以及驱动电机(1)的转速确定测功机(9)加载量；

5)通过控制测功机(9)加载量使测功机(9)的输出负载力矩与所模拟工况下的行驶阻力或等效行驶阻力相应。

7.根据权利要求6所述一种电动汽车行驶工况模拟方法，其特征在于：所述电动汽车的参数选自整车质量、齿轮传动比、风阻系数、滚动阻力系数、迎风面积、旋转质量换算系数、机械传动效率、车轮半径中的多个参数，其中，整车质量、迎风面积两个参数取为由驱动电机(1)等效的试验车的对应参数，该参数是根据电动汽车与所述试验车之间的相似准则，将电动汽车的整车质量、迎风面积分别按比例变化后得到的。

8.根据权利要求6所述一种电动汽车行驶工况模拟方法，其特征在于：所述测功机(9)加载量是在考虑驱动电机(1)转速下进行加载量与负载力矩的实验标定并结合双线性插值而得到的。

9.根据权利要求6所述一种电动汽车行驶工况模拟方法，其特征在于：所述行驶工况包括水平路面匀速行驶工况、匀速爬坡工况、水平路面加速行驶工况、水平路面减速行驶工况以及循环工况。

10.根据权利要求9所述一种电动汽车行驶工况模拟方法，其特征在于：所述循环工况的模拟中，将电动汽车的行驶工况随时间变化的连续曲线转化为驱动电机转速—时间关系曲线和驱动电机负载—时间关系曲线，将两个关系曲线用一定的时间步长离散化，并将各步长末时刻对应的驱动电机转速和负载作为自动控制的目标参考点。