電動輪驅動電動汽車動力系統測試試驗臺研究＊

徐達偉 李東東 田韶鵬

（武漢理工大學現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室）

電動輪驅動電動汽車動力系統測試試驗臺研究＊

徐達偉 李東東 田韶鵬

（武漢理工大學現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室）

介紹了所設計的電動輪驅動電動汽車動力系統測試試驗臺的結構原理及功能。該試驗臺利用CAN總線網絡實現控制信息的交互，可編程邏輯控制器(PLC)實現整體控制，基于虛擬儀器LabVIEW實現了上位機的實時監控與顯示界面。提出了1號電機轉矩控制、2號電機轉速跟隨的控制策略，并通過雙輪獨立驅動模式直線行駛試驗驗證了控制策略的有效性，結果表明該試驗臺能夠滿足設計要求。

1 前言

在能源與環境的雙重壓力下，電驅動車輛已成為當前汽車工業發展的趨勢，電動輪驅動電動汽車也成為汽車領域研究的重點[1]。在電動輪驅動電動汽車的研究和開發過程中，對其動力系統進行臺架試驗是關鍵環節。盡管試驗臺較難精確地模擬汽車的實際道路行駛狀況，但其動力負載的變化趨勢與道路狀況基本一致[2]。通過試驗臺測試試驗，可以實現對電動輪驅動電動汽車動力系統控制模塊的調試和標定以及動力性和經濟性的測試，也可以探索動力系統各種相關的車輛控制邏輯、控制策略，同時能大幅減少整車試驗時間、標定時間，以及降低研究成本和實車道路試驗的危險性[3，4]。因而構建滿足要求的動力系統測試試驗臺，對電動輪驅動電動汽車的開發具有十分重要的意義。本文對電動輪驅動電動汽車動力系統測試試驗臺的構建、功能及雙輪獨立驅動直線行駛模式的初步試驗等進行了研究。

2 試驗臺總體設計

2.1 電驅動機械式變速器（EMT）介紹

試驗臺所采用的驅動電機動力系統及測功機系統均為武漢理工通宇有限公司自主研發的電驅動機械式變速器（Electric-drive Mechanical Transmission，EMT）產品，該產品實現了電機和變速器的集成化設計，電機動力輸出端與變速器的動力輸入端進行了同軸處理，減小了該產品的長度，并且可通過電機的主動調速實現自動換擋。電機軸的端蓋上安裝有滾子軸承，變速器第2軸端設有軸承槽，通過該軸承槽套在電機軸的滾子軸承上。電機軸和變速器第2軸上分別裝有光電式轉速編碼器，系統控制器分別從這2個轉速編碼器獲取電機的轉速及變速器輸出軸轉速[5]。該產品適用于混合動力汽車和純電動汽車動力系統的開發。EMT系統結構如圖1所示，EMT純電動動力總成如圖2所示。

2.2 試驗臺的構建

電動輪驅動電動汽車按驅動形式分為輪邊電機驅動和輪轂電機驅動兩種，前述EMT純電動動力總成可作為輪邊電機驅動型式的電動輪驅動電動汽車的動力系統，為此以該動力系統為基礎進行試驗臺的開發及試驗。先期進行試驗臺的功能性試驗及汽車相關行駛工況和控制策略的制定和驗證，所以試驗臺的設計思想是：設計一個通用性較強的測試試驗臺，使其既能滿足目前基于輪邊電機動力系統的相關試驗，也能夠實現在短時間內以盡量小的改動即可適應不同型式動力系統測試的需求。

電動輪驅動電動汽車動力系統測試試驗臺主要包括被測驅動電機系統、動力電池系統、試驗臺總控制系統和測功機系統等幾個模塊單元。其中被測驅動電機系統包括額定功率40 kW的EMT純電動動力總成、電機控制器等；動力電池系統包括由單節額定電壓3.2 V、額定容量60 Ah的磷酸鐵鋰電池組成的動力電池組、電池管理系統及高壓管理系統；試驗臺總控制系統包括試驗臺總控制器及2臺計算機，其中1臺計算機裝有PCI-CAN/2通訊板卡；測功機系統主要包括負載電機、扭矩傳感器等，負載電機采用的是額定功率80 kW的EMT純電動系統，扭矩傳感器為HBM公司生產的T40扭矩傳感器，量程為±5 000 N·m，精度為0.1 N·m。整個試驗臺架結構原理如圖3所示，實際臺架如圖4所示。

該電動輪驅動電動汽車動力系統測試試驗臺在設計上有以下特點：

a.由于負載電機采用的是EMT純電動系統，而該系統自帶的變速器起到增速箱的作用，可以擴大負載的變化范圍，從而更適合較寬范圍的轉矩測量。

b.試驗臺中的4個負載電機可以實現單獨控制，這樣試驗臺可完成四輪獨立驅動汽車的相關測試試驗。

c.整個試驗臺構成了能量閉環系統，驅動電機消耗電能，而負載電機輸出的電能又回饋到動力電池組，實現了能量的循環利用。

2.3 試驗臺功能

該測試試驗臺可實現以下功能：

a.能夠進行單個輪邊驅動電機或輪轂驅動電機動力總成測試試驗，對動力總成的動力性和經濟性進行檢測，為總成參數匹配的優化以及控制策略的制定提供依據。

b.能夠進行輪邊驅動電機或輪轂驅動電機動力總成控制系統的調試和標定，對提出的控制策略和控制算法進行驗證。

c.可模擬汽車循環工況中除制動工況之外的所有工況，能夠進行雙輪獨立驅動或四輪獨立驅動汽車直線行駛、加減速、差速等工況的測試，并驗證控制策略。

d.能夠對四輪獨立驅動樣車進行行駛工況的測試，檢測整車動力性和經濟性，并對整車控制器的控制策略及控制算法進行驗證。

3 試驗臺軟件設計

試驗臺采用西門子S7-300型PLC實現整體控制，控制軟件采用的是與PLC相對應的可編程控制軟件step7-Micro/WIN。

由于整個測試系統需要實現多種測試功能，因此其軟件必須具有較強協調各設備通訊的能力、實時數據準確檢測能力、強大的數據處理功能以及良好的監視與顯示試驗結果的功能，故控制軟件采用了模塊化設計思想，整個控制軟件由主控模塊及多個子模塊組成。子模塊由系統設置、控制模式、數據采集、數據處理、報警保護及顯示界面等6部分組成。

主控模塊是整個控制軟件的框架，其它子模塊根據所選測試功能的不同分別進行調用。其中，系統設置模塊用來對試驗參數進行設定；控制模式模塊用來對系統的不同控制模式進行選擇；數據采集模塊對試驗過程中電機的轉矩、轉速、溫度等數據進行實時采集，并存放到數據庫中；數據處理模塊對存于數據庫中的數據進行相應的處理；顯示界面模塊可實現試驗結果的實時顯示；報警保護模塊會在試驗臺出現故障時自動調用，并根據情況采取不同處理措施以起到對設備安全保護的作用。

4 試驗臺通信方式設計

該測試試驗臺的測試系統主要利用控制器局域網(CAN)總線網絡來實現各節點之間控制信息的交互[6]，CAN總線是一種能有效支持分布式控制和實時控制的串行通訊網絡[7]?；赟AE J1939通信協議，設計了電動輪驅動電動汽車動力系統測試試驗臺的CAN網絡，制訂了網絡應用層協議，采用試驗臺總控制器及其信息單元對試驗臺的各電機控制器、電池管理系統等節點進行分布式的集中控制，從而將各自分散的設備通過CAN總線連接起來，進而實現整個測試試驗臺的數據采集以及控制系統的智能化和網絡化。

該試驗臺中CAN總線數據鏈路層主要參考CAN2.0B和SAEJ1939的有關規定，總線的通信速率為250 kb/s，采用CAN擴展幀的29位標識符。其中，試驗臺中總控制器控制信息的優先級是3，其余模塊信息的優先級設為6。CAN總線網絡拓撲結構如圖5所示。

在試驗過程中，試驗臺總控制器根據試驗的具體需要，通過CAN總線向試驗臺其它模塊發出控制指令，電機控制器通過從CAN總線上接收試驗臺總控制器的控制指令來控制電機，并對電機的運行狀況進行監控。電池管理系統負責對磷酸鐵鋰電池組的狀態進行監視和管理。試驗臺總控制器、電池管理系統、各電機控制器之間通過CAN總線進行通信，從而實現各傳感器測量數據的共享、控制指令的接收和發送。系統通過CAN總線組成了一個分布式控制系統。

5 上位機監控與顯示界面

為了實現對試驗臺的實時監控，基于虛擬儀器LabVIEW設計了上位機的實時監控與顯示界面。上位機通過通訊板卡連接到CAN總線上。各控制器將CAN幀信息發送到CAN總線上，通訊板卡在接收到CAN總線的信息后，通過LabVIEW數據采集程序將系統信息解析后實時顯示在前面板的監控顯示界面上[8]。

在通訊板卡的選擇上，采用的是NI公司生產的PCI-CAN/2板卡，NI PCI-CAN/2是一款兩端口高速控制器局域網（CAN）接口，能夠與高速CAN設備進行速度為1 Mbit/s的通信。該通訊卡基于NI-XNET平臺，NI-XNET平臺將一系列高性能CAN、LIN以及FlexRay接口與NI-XNET API結合在一起；NIXNET API是一個常見易用的函數集合，用于讀寫CAN、LIN與FlexRay的幀和信號。NI-XNET接口匯聚了底層微控制器編程的優越性能以及Windows與LabVIEW實時（Real-Time）操作系統在開發時的速度和功能優勢?；赑C的CAN接口通常存在系統延遲問題，NI-XNET設備驅動型引擎可使此類問題大幅度降低。引擎使得板載處理器不需要中斷CPU就能在接口與用戶程序之間傳輸CAN幀和信號，使主機處理器有時間處理復雜的模型和應用程序，從而實現更少編程、更高性能[9]。圖6為基于LabVIEW的上位機實時監控與顯示界面，從圖6中可看出驅動電機和負載電機的實時運行狀況。

6 雙輪獨立驅動直線行駛臺架試驗

電動輪驅動電動汽車在驅動模式選擇上有雙輪獨立驅動和四輪獨立驅動兩種模式，而車輛在實際行駛過程中會遇到直線行駛和差速行駛等多種行駛工況。為簡化試驗，在電動輪驅動電動汽車試驗臺完成后，首先進行了雙輪獨立驅動模式直線行駛工況的初步試驗，以驗證試驗臺是否能滿足試驗要求。

對于雙輪獨立驅動直線行駛工況，要求控制系統能夠通過相應的控制策略來實現兩側驅動電機的協同工作，以保證兩側驅動電機的轉速能夠保持基本一致，不出現明顯的速度差，從而實現車輛的正常直線行駛。為此，提出了1號驅動電機轉矩控制、2號驅動電機轉速跟隨的控制策略。該控制策略以1號電機采用轉矩控制模式控制該電機的轉速，2號電機以1號電機的實時速度值為轉速目標值，通過PID控制算法進行計算后，電機控制器以最快的響應去實現系統要求，從而實現轉速的實時跟隨。驅動電機控制框圖如圖7所示。

雙輪獨立驅動模式直線行駛工況的試驗結果如圖8所示。從圖8可看出，在加速、減速、勻速等工況下，兩電機轉速都能保持基本一致，兩電機轉速差能夠維持在合理的范圍內，轉速跟隨狀況良好。兩電機的轉速差最大處出現在由加速變減速的轉折點，這表明PID算法需進一步改進以盡量減小轉速差?？傮w來看，兩電機速度同步狀況良好，試驗結果驗證了控制策略的有效性，試驗臺能夠滿足設計要求。

7 結束語

開發了電動輪驅動電動汽車動力系統的測試試驗臺架。該試驗臺采用西門子S7-300型PLC實現整體控制;利用控制器局域網(CAN)總線網絡來實現各節點之間控制信息的交互;基于虛擬儀器LabVIEW設計了上位機的實時監控與顯示界面，實現了對試驗臺的實時監控與顯示。通過雙輪獨立驅動直線行駛工況的初步試驗，驗證了該試驗臺的可靠性。

1張緩緩.采用電動輪驅動的電動汽車轉矩協調控制研究: [學位論文].長春:吉林大學,2009.

2陳燕平，殷承良，張勇.混合動力大客車動力總成試驗臺架的構建及試驗研究.汽車工程，2011,33（6）:468～471.

3張冰戰，趙韓，張炳力，等.超級電容與燃料電池發動機混合動力系統測試研究.汽車技術.2008（4）:44～47.

4李國洪，劉魯源，王曉明，等.混合動力系統的臺架試驗研究.汽車技術，2005（11）:22～25.

5曹正策.基于電驅動自動變速器（EMT）的Plug-in并聯混合動力系統研究:[學位論文].武漢:武漢理工大學,2011.

6黃萬友，程勇，紀少波，等.基于CAN總線的純電動汽車動力總成試驗臺測控系統的開發.汽車工程，2012,34（3）:265～271.

7曹珊，于秀敏，高瑩，等.CAN總線在混合動力電動公共汽車中的應用.汽車技術，2005（6）:13～16.

8邵斌，朱茂桃，張彤，等.混合動力汽車CAN網絡信號監測與故障診斷系統的開發.汽車技術，2009（2）:46～49.

9美國NI公司.控制器局域網絡（CAN）概述.2011.

（責任編輯文楫）

修改稿收到日期為2013年11月21日。

Research on the Test Bench for Powertrain System of Electric-wheel Driving EV

Xu Dawei,Li Dongdong,Tian Shaopeng
（Hubei Key Laboratory of Advanced Technology of Automotive Parts,Wuhan University of Technology）

This paper introduces the development of the test bench for power train system of electric-wheel driving EV.The structure principle and functions of the test bench are highlighted.The whole test bench uses CAN bus network to achieve the interaction of the control information,and uses programmable logic controller(PLC)for the integral control. The PC real-time monitoring and display interface is developed based on virtual apparatus LabVIEW.In the end,the control strategy for motor 1 torque control and motor 2 speed following has been proposed,which is validated by straight driving test with two-wheel independent driving mode,the results show that the test bench can fully meet the design requirements.

EV,Two-wheel independent drive,Power train,Control strategy

電動汽車雙輪獨立驅動動力系統控制策略

U467.5+2

：A

：1000-3703（2014）03-0031-04

國家科技部“863”項目（2011AA11A260），湖北省研究與開發計劃項目（2011FAA007）。