CN109975699B - 电动汽车电驱动系统的模拟测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动汽车电驱动系统的模拟测试方法，本方法搭建由两套电驱动系统及上位机构成的测试台架，上位机通过CAN总线与两套电驱动系统进行信息传输；建立整车动力平衡方程，对车辆模型进行简化，电驱动系统为动力输出模型M1，整车其它部分为模型M2，通过测试台架模拟模型M1上力矩变化和模型M2上速度变化；根据整车动力平衡方程建立车辆驱动力与车速之间的数学模型，通过上位机对两套电驱动系统的转速和力矩指令的实时给定，模拟电驱动系统在车辆中的各种运行状态，实现电驱动系统的模拟测试。本方法模拟车辆各种运行状态，在转速和扭矩突变等恶劣工况下提高电驱动系统的动态性能，保证电驱动系统的可靠性。

Description

电动汽车电驱动系统的模拟测试方法

技术领域

本发明涉及一种电动汽车电驱动系统的模拟测试方法。

背景技术

电动汽车电驱动系统在装车使用之前需要在台架上完成电机标定等相关的工作，电驱动系统在台架标定和测试越全面，则在实际装车使用过程中，因电驱动控制不当导致的车辆故障概率越小。在当前电驱动系统标定过程中，一般采用测功机给定固定转速，被测电机在固定的转速下，标定电机的实际力矩，标定完成之后采用相似的方法对电驱动系统进行测试。采用此种方法标定的电驱动系统能够衡量转速稳态，电机扭矩动态变化的特性。但是电驱动系统在车辆中实际使用的时候，电机的扭矩和转速可能会同时发生剧烈变化，此时对电驱动系统的控制性能要求更高，因此有可能出现在台架标定好的电机在实际装车使用过程中，在一些极端工况下出现故障的现象，存在一定的安全隐患。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种电动汽车电驱动系统的模拟测试方法，本方法模拟电驱动系统在整车上的各种运行状态，在转速突变和扭矩突变等恶劣工况下提高电驱动系统的动态性能，保证电驱动系统的可靠性，有效杜绝车辆运行的安全隐患。

为解决上述技术问题，本发明电动汽车电驱动系统的模拟测试方法包括如下步骤：

步骤一、搭建测试台架，测试台架上设置两套电驱动系统，其中被测电机模拟车辆的电驱动系统，工作在扭矩环状态，测功机模拟车辆速度的变化，工作在速度环状态，被测电机和测功机通过连接扭矩/测速仪对拖连接，上位机通过CAN总线与两套电驱动系统进行信息传输；

步骤二、建立整车动力平衡方程：

F_k＝F_f+F_w+F_a (1)

式(1)中：F_k为车辆驱动力、F_f为车辆地面滚动阻力、F_w为车辆受到的空气阻力、F_a为车辆加速阻力；

滚动阻力F_f＝mgf (2)

式(2)中：f为滚动阻力系数、m为整车质量、g为重力加速度；

空气阻力

式(3)中：c为风阻系数、ρ为空气密度、W为车辆迎风面积、V为车辆行驶速度，其中W＝0.78HL，H为车辆高度、L为车辆前轮距；

加速阻力

式(4)中：δ为旋转质量换算系数；

步骤三、对车辆模型进行简化，电驱动系统为动力输出模型M1，整车其它部分为模型M2，车辆油门信号的变化所产生的力矩变化通过模型M1模拟，力矩改变时整车速度的变化通过模型M2模拟，通过测试台架模拟模型M1上力矩变化和模型M2上速度变化，模拟整车电驱动系统在车辆各种不同工况下力矩和转速变化的状态；

步骤四、根据整车动力平衡方程，将式(1)简化为：

式(5)中：A＝mgf、

C＝δm,

若t时刻扭矩/测速仪所测测功机的转速为Vt,,则式(5)改写成：

取t与t-1时刻的时间差为Δt，则有：

又因V_t＝V_t-1+ΔV，可推导出：

V_t ²＝V_t-1 ²+2V_t-1ΔV+ΔV² (8)

当Δt很小时，引起的ΔV非常小，相对于V_t和V_t-1可以忽略，因此可得：

V_t ²＝V_t-1 ² (9)

将式(7)和式(9)代入到式(6)并整理可得：

步骤五、根据式(10)建立车辆驱动力与车速之间的数学模型，通过上位机对被测电机和测功机的转速和力矩指令的实时给定，模拟电驱动系统在车辆中的各种运行状态，实现电驱动系统的模拟测试。

进一步，在一段时间内，保持测功机转速不变，即认为此时车辆运行在匀速状态，此时整车动力平衡方程式(5)简化为：

F_k＝A+BV² (11)

选取测功机在两个不同转速下的匀速工况数据，对应的被测电机力矩设为F1、F2，设定车辆在同一个工况下摩擦阻力相同，则通过F2-F1计算出参数B，根据计算出的参数B和车辆在匀速工况下的转速和力矩值，得到参数A；

再选取一组测功机加速阶段数据，根据速度的变化，计算出一段时间内的加速度，将计算得到的参数A和参数B代入式(5)中，计算得到参数C。

进一步，由于数据记录以及模型和参数计算过程存在误差，根据实测结果对式(5)的整车动力平衡方程进行修正：

式(12)中，D为补偿速度，用于补偿实际工况运行条件下，理论计算与实测数据产生的偏差，测功机在不同转速下，D的补偿值不同，将D表述为D＝f(speed)的函数，不同转速下对应不同的速度补偿值D。

进一步，所述步骤四中，Δt设定为小于10ms。

进一步，所述被测电机经被测逆变器由车载电池组供电，所述测功机经测功机逆变器由测试台架的直流电源供电。

进一步，所述模拟电驱动系统在车辆中的各种运行状态包括车辆的急加速、急减速、低速匀速行驶和高速匀速行驶，并且各种运行状态通过模拟整车油门信号得到。

由于本发明电动汽车电驱动系统的模拟测试方法采用了上述技术方案，即本方法搭建由两套电驱动系统及上位机构成的测试台架，上位机通过CAN总线与两套电驱动系统进行信息传输；建立整车动力平衡方程，对车辆模型进行简化，电驱动系统为动力输出模型M1，整车其它部分为模型M2，通过测试台架模拟模型M1上力矩变化和模型M2上速度变化，模拟整车电驱动系统在车辆各种不同工况下力矩和转速变化的状态；根据整车动力平衡方程建立车辆驱动力与车速之间的数学模型，通过上位机对两套电驱动系统的转速和力矩指令的实时给定，模拟电驱动系统在车辆中的各种运行状态，实现电驱动系统的模拟测试。本方法模拟电驱动系统在整车上的各种运行状态，在转速突变和扭矩突变等恶劣工况下提高电驱动系统的动态性能，保证电驱动系统的可靠性，有效杜绝车辆运行的安全隐患。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：

图1为本发明电动汽车电驱动系统的模拟测试方法中测试台架示意图。

具体实施方式

实施例如图1所示，本发明电动汽车电驱动系统的模拟测试方法包括如下步骤：

步骤一、搭建测试台架，测试台架上设置两套电驱动系统1、2，其中被测电机11模拟车辆的电驱动系统，工作在扭矩环状态，测功机21模拟车辆速度的变化，工作在速度环状态，被测电机11和测功机21通过连接扭矩/测速仪4对拖连接，上位机3通过CAN总线与两套电驱动系统1、2进行信息传输；

步骤二、建立整车动力平衡方程：

F_k＝F_f+F_w+F_a (1)

式(1)中：F_k为车辆驱动力、F_f为车辆地面滚动阻力、F_w为车辆受到的空气阻力、F_a为车辆加速阻力；

在车辆行驶过程中，车轮上的驱动力由驱动电机输出轴通过一个固定减速比的减速器输出到车轮，在力矩传输的过程中会存在一定的能量损失，不同转速下，力矩能量损失值也不同；

滚动阻力F_f＝mgf (2)

式(2)中：f为滚动阻力系数、m为整车质量、g为重力加速度；滚动阻力系数为常数，低阻轮胎或子午线轮胎在良好沥青路面或混凝土路面的滚动阻力系数约为0.010；重力加速度为常数，一般大小为10m/s²；

空气阻力

式(3)中：c为风阻系数、ρ为空气密度、W为车辆迎风面积、V为车辆行驶速度，其中W＝0.78HL，H为车辆高度、L为车辆前轮距；风阻系数为常数，采用低风阻流线型设计的车辆，此值介于0.4～0.5之间；空气密度为常数，大小为1.2258kg/m³；

加速阻力

式(4)中：δ为旋转质量换算系数；对于一般的电动车辆，δ取1.07；

步骤三、对车辆模型进行简化，电驱动系统为动力输出模型M1，整车其它部分为模型M2，车辆油门信号的变化所产生的力矩变化通过模型M1模拟，力矩改变时整车速度的变化通过模型M2模拟，通过测试台架模拟模型M1上力矩变化和模型M2上速度变化，模拟整车电驱动系统在车辆各种不同工况下力矩和转速变化的状态；

步骤四、根据整车动力平衡方程，将式(1)简化为：

式(5)中：A＝mgf、

C＝δm；

滚动阻力与车重和摩擦系数有关,一般若车重和路况确定,则滚动阻力为常数,空气阻力与风阻系数和迎风面积有关,加速阻力与车辆的质量换算系数有关,而这些参数在实际中比较难以测量,因此将式(1)简化为式(5)；

若t时刻扭矩/测速仪所测测功机的转速为Vt,,则式(5)改写成：

取t与t-1时刻的时间差为Δt，则有：

又因V_t＝V_t-1+ΔV，可推导出：

V_t ²＝V_t-1 ²+2V_t-1ΔV+ΔV² (8)

当Δt很小时，引起的ΔV非常小，相对于V_t和V_t-1可以忽略，因此可得：

V_t ²＝V_t-1 ² (9)

将式(7)和式(9)代入到式(6)并整理可得：

上式中A表示滚动阻力，主要与车重和摩擦系数有关，当车辆和路况确定后，该参数就为常数；C表示旋转质量换算系数与整车质量的乘积，当车辆确定后，该参数一般也为常数；

步骤五、根据式(10)建立车辆驱动力与车速之间的数学模型，通过上位机3对被测电机11和测功机21的转速和力矩指令的实时给定，模拟电驱动系统在车辆中的各种运行状态，实现电驱动系统的模拟测试。

优选的，在一段时间内，保持测功机21转速不变，即认为此时车辆运行在匀速状态，此时整车动力平衡方程式(5)简化为：

F_k＝A+BV² (11)

选取测功机21在两个不同转速下的匀速工况数据，对应的被测电机11力矩设为F1、F2，设定车辆在同一个工况下摩擦阻力相同，则通过F2-F1计算出参数B，根据计算出的参数B和车辆在匀速工况下的转速和力矩值，得到参数A；

再选取一组测功机21加速阶段数据，根据速度的变化，计算出一段时间内的加速度，将计算得到的参数A和参数B代入式(5)中，计算得到参数C。

优选的，由于数据记录以及模型和参数计算过程存在误差，根据实测结果对式(5)的整车动力平衡方程进行修正：

式(12)中，D为补偿速度，用于补偿实际工况运行条件下，理论计算与实测数据产生的偏差，测功机21在不同转速下，D的补偿值不同，将D表述为D＝f(speed)的函数，不同转速下对应不同的速度补偿值D。

优选的，所述步骤四中，Δt设定为小于10ms。

优选的，所述被测电机11经被测逆变器由车载电池组5供电，所述测功机21经测功机逆变器由测试台架的直流电源6供电。

优选的，所述模拟电驱动系统在车辆中的各种运行状态包括车辆的急加速、急减速、低速匀速行驶和高速匀速行驶，并且各种运行状态通过模拟整车油门信号得到。

本方法通过理论计算和试验测试相结合，提出一种在实验室模拟电驱动系统工作的方法。在台架上可以模拟电驱动系统在任意工况下车辆运行的状态，能够将整车测试很多的工作在台架中进行测试，减少车辆研发测试时间，降低整车开发成本。通过台架实验上还可以观察电驱动系统在转速突变和扭矩突变等恶劣工况下，电驱动系统的动态性能，保证电驱动系统的可靠性，提高电驱动系统的性能。

将两套电驱动系统搭建实验测试台架，电驱动系统通过扭矩/测速仪将被测电机和测功机输出轴连接在一起，为保证实验测试效果，被测电机使用环境与车辆保持一致，采用车载电池组供电，电池容量与装车容量保持一致；测功机功率选择完全覆盖被测电机的功率变化范围，并能够保证速度响应的时间要求。测功机电源选择测试台架的直流电源，测功机需要工作在发电状态，因此测功机的直流电源应具有馈电模式。

将上位机连接到整车CAN总线上，记录整车运行状态下力矩和转速的瞬态值，将实验车辆在不同的工况下进行测试，实验工况覆盖车辆急加速、急减速、低速匀速行驶、高速匀速行驶等，尽可能包含所有的力矩和转速范围。

通过对实验数据进行提取，整车动力平衡方程计算出A、B、C三个参数，将计算出的A、B、C三个参数代入式(12)，将不同匀速状态下计算出的速度值跟实际测试数据进行对比，在不同的转速下修正参数D，根据误差修正结果，提取D与电机转速的函数D＝f(speed)；上位机测试界面能够同时给两套测试系统发送扭矩指令和速度指令，扭矩指令通过虚拟按钮模拟整车扭矩指令的发送，转速指令根据式(12)计算得到。

通过对整车扭矩指令的模拟，观测电驱动系统的转速变化，同实验测试数据进行对比，若电机转速变化值同实际测试数据存在误差，对参数D进行校正，以使模型能够模拟整车运行的状态。通过对整车油门信号的模拟，即可以得到电驱动系统在整车不同工况下的状态，进而可以将整个动力系统的验证测试工作放在实验室环境下验证，极大的节约人力、物力成本。

Claims (6)

1.一种电动汽车电驱动系统的模拟测试方法，其特征在于本方法包括如下步骤：

步骤一、搭建测试台架，测试台架上设置两套电驱动系统，其中被测电机模拟车辆的电驱动系统，工作在扭矩环状态，测功机模拟车辆速度的变化，工作在速度环状态，被测电机和测功机通过连接扭矩/测速仪对拖连接，上位机通过CAN总线与两套电驱动系统进行信息传输；

步骤二、建立整车动力平衡方程：

F_k＝F_f+F_w+F_a (1)

式(1)中：F_k为车辆驱动力、F_f为车辆地面滚动阻力、F_w为车辆受到的空气阻力、F_a为车辆加速阻力；

滚动阻力F_f＝mgf (2)

式(2)中：f为滚动阻力系数、m为整车质量、g为重力加速度；

空气阻力

式(3)中：c为风阻系数、ρ为空气密度、W为车辆迎风面积、V为车辆行驶速度，其中W＝0.78HL，H为车辆高度、L为车辆前轮距；

加速阻力

式(4)中：δ为旋转质量换算系数；

步骤三、对车辆模型进行简化，电驱动系统为动力输出模型M1，整车其它部分为模型M2，车辆油门信号的变化所产生的力矩变化通过模型M1模拟，力矩改变时整车速度的变化通过模型M2模拟，通过测试台架模拟模型M1上力矩变化和模型M2上速度变化，模拟整车电驱动系统在车辆各种不同工况下力矩和转速变化的状态；

步骤四、根据整车动力平衡方程，将式(1)简化为：

式(5)中：A＝mgf、

C＝δm,

若t时刻扭矩/测速仪所测测功机的转速为Vt,则式(5)改写成：

取t与t-1时刻的时间差为Δt，则有：

又因V_t＝V_t-1+ΔV，可推导出：

V_t ²＝V_t-1 ²+2V_t-1ΔV+ΔV² (8)

当Δt很小时，引起的ΔV非常小，相对于V_t和V_t-1可以忽略，因此可得：

V_t ²＝V_t-1 ² (9)

将式(7)和式(9)代入到式(6)并整理可得：

步骤五、根据式(10)建立车辆驱动力与车速之间的数学模型，通过上位机对被测电机和测功机的转速和力矩指令的实时给定，模拟电驱动系统在车辆中的各种运行状态，实现电驱动系统的模拟测试。

2.根据权利要求1所述的电动汽车电驱动系统的模拟测试方法，其特征在于：在一段时间内，保持测功机转速不变，即认为此时车辆运行在匀速状态，此时整车动力平衡方程式(5)简化为：

F_k＝A+BV² (11)

选取测功机在两个不同转速下的匀速工况数据，对应的被测电机力矩设为F1、F2，设定车辆在同一个工况下摩擦阻力相同，则通过F2-F1计算出参数B，根据计算出的参数B和车辆在匀速工况下的转速和力矩值，得到参数A；

再选取一组测功机加速阶段数据，根据速度的变化，计算出一段时间内的加速度，将计算得到的参数A和参数B代入式(5)中，计算得到参数C。

3.根据权利要求1或2所述的电动汽车电驱动系统的模拟测试方法，其特征在于：由于数据记录以及模型和参数计算过程存在误差，根据实测结果对式(5)的整车动力平衡方程进行修正：

式(12)中，D为补偿速度，用于补偿实际工况运行条件下，理论计算与实测数据产生的偏差，测功机在不同转速下，D的补偿值不同，将D表述为D＝f(speed)的函数，不同转速下对应不同的速度补偿值D。

4.根据权利要求3所述的电动汽车电驱动系统的模拟测试方法，其特征在于：所述步骤四中，Δt设定为小于10ms。

5.根据权利要求3所述的电动汽车电驱动系统的模拟测试方法，其特征在于：所述被测电机经被测逆变器由车载电池组供电，所述测功机经测功机逆变器由测试台架的直流电源供电。

6.根据权利要求3所述的电动汽车电驱动系统的模拟测试方法，其特征在于：所述模拟电驱动系统在车辆中的各种运行状态包括车辆的急加速、急减速、低速匀速行驶和高速匀速行驶，并且各种运行状态通过模拟整车油门信号得到。

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