電動汽車電動輪綜合性能試驗臺開發

董鑄榮，賀 萍，韓承偉，李章宏

（1.北京交通大學 機電控制工程學院，北京 100044；2.深圳職業技術學院 汽車與交通學院，廣東 深圳 518055；3.武漢理工大學 汽車工程學院，湖北 武漢 430070）

純電動汽車中，輪轂電機驅動的電動汽車具有很大的發展前景，它省去了沉重并且體積大的組件，例如變速箱、差速器等［1］，結構簡單，可輕松實現多種復雜驅動形式，例如前驅、后驅或者四輪驅動等驅動形式［2］，降低了整車質量，提高了電動汽車的續駛里程［3］；具有很好的市場潛力與研究價值［4］。

電動輪綜合性能試驗臺是輪轂電機驅動的電動汽車研制階段中的重要一環，它不僅可以用來檢驗電動輪整體以及相關零部件的可靠性，同時還能為開發電動車輛提供基礎數據［5］，以此用來驗證所研制的整車性能是否達到了最初的設計指標。電動輪綜合性能試驗臺所能進行的試驗越多，越能詳細了解電動輪在各種工況下運轉時的狀態，也可以更好地幫助研發人員了解整車狀態，從而為整車研發做出改進和優化。一臺輪轂電機驅動的電動汽車在批量生產前離不開大量的臺架試驗。因此對電動輪綜合性能試驗臺以及臺架試驗的開發具有重大意義。隨著研究的繼續深入，車用電動機性能的不斷改進，以及車載電源、動力控制系統等相關技術的不斷突破，輪轂電機驅動的電動汽車也將會取得更大的成功［6］。本文針對研制輪轂電機驅動電動汽車整車所需的試驗項目，開發研制了電動輪綜合性能試驗臺，為輪轂電機驅動的電動汽車的研究和開發提供試驗平臺，減少了整車研制周期和費用。

1 電動輪綜合性能試驗臺功能設計

1.1 基本功能

電動輪綜合性能試驗臺應該具備的基本功能有：

（1）道路模擬功能：模擬汽車道路行駛過程中所受到的來自地面的滾動摩擦阻力；

（2）車重模擬功能：模擬施加在電動輪上的汽車自重和車載重等垂直載荷；

（3）慣性模擬功能：模擬汽車運動有加速度時的慣性力；

（4）阻力模擬功能：模擬汽車行駛時所受的坡度阻力、空氣阻力、加速阻力等。

1.2 轉向模擬功能

轉向系統對車輛操縱穩定性有極其重要的影響。具有四輪獨立驅動、四輪獨立轉向的電動車輛（4WID－4WIS）成為未來車輛研究的熱點之一［7－10］。，電動輪綜合性能試驗臺具備轉向模擬功能就非常有必要，但目前國內外研發的試驗臺架卻很少具備該功能。本試驗臺不僅具有轉向時任意設定轉向角功能，還能設定轉向時電動輪所受不同側力的動態側向加載功能。

1.3 制動模擬功能

電動輪的優勢之一就是可以利用電機特性進行再生制動，而汽車制動系統關系到車輛行駛的安全性，所研制的試驗臺應該具備制動模擬的功能。制動模擬應該包括機械制動模擬、電制動模擬以及電制動＼機械制動耦合模擬功能，同時能開展電制動＼機械制動耦合防抱死制動模擬試驗研究。

1.4 輪轂電機性能測試功能

輪轂電機是電動汽車的關鍵部件，它的性能直接決定了電動汽車的性能，因此輪轂電機的機械特性、效率特性等性能測試是至關重要的。不僅如此，試驗臺還能測試最大／額定功率、最大／額定扭矩、最大／額定轉速、最大／額定電流、轉動慣量、時間常數、扭矩常數等輪轂基本參數。本試驗臺具備測試輪轂電機的性能特性及基本參數的功能。

2 電動輪綜合性能試驗臺結構設計

本試驗臺主要由以下三大部分組成：

（1）電源系統。試驗臺的電源模塊采用所研制的電動汽車上使用的72V蓄電池。當不需要研究電池性能時，為了節省電池的充電時間，方便做其他與電池性能無關的電動汽車試驗，可以由交流電源和一個整流器代替。

（2）機械臺架。試驗臺機械部分的原理是否全面與正確、設計是否合理，將直接影響到試驗的全面性與實驗結果的準確性。根據試驗臺功能設計的要求，在分析比較各種實現功能的方式后，設計的試驗臺結構如圖1所示。

圖1 試驗臺結構

（3）測控系統。汽車在行駛過程中，汽車的每一個車輪實時的轉動速度、驅動轉矩以及其所受到的垂向和側向的載荷、阻力都在變化［11］。因此，試驗臺要在以上參數的動態變化下，具有測試轉速、加載轉矩、電機驅動扭矩、電流、電壓等參數功能，并具有輪轂電機性能測試、驅動防滑控制、制動控制、轉速譜／扭矩譜模擬控制、垂向／側向加載控制等功能、機械／電結合的慣量模擬控制，并開發相應的控制程序。

開發的電動輪綜合性能試驗臺的實物圖見圖2。

圖2 電動輪綜合性能試驗臺實物圖

2.1 道路模擬

本試驗臺采用直徑為800mm的單滾筒（圖1中4）進行道路模擬，與垂向力加載裝置（圖1中17）協同模擬汽車行駛所受的滾動摩擦阻力。滾筒軸上安裝有轉矩轉速傳感器，當電動輪在滾筒上不打滑時，所檢測的轉矩與轉速即為汽車行駛的速度與扭矩。

2.2 車重模擬

本試驗臺采用機械動態加載方式進行車重模擬，通過馬達與蝸輪蝸桿箱、滾珠絲桿、拉壓力傳感器以及主銷實現垂直載荷加載模擬。

2.3 慣性模擬

本試驗臺采用機械模擬與電模擬結合方式進行慣性模擬。機械模擬為飛輪。為了減輕慣性模擬的質量，設置增速機構。增速機構采用皮帶輪，接入與拆卸都十分方便。電慣量模擬采用電力測功機（圖1中14）的發電模式作為吸能裝置，可實現慣量的無極調節。

2.4 阻力模擬

本試驗臺采用電力測功機進行阻力模擬。通過電加載的動態加載形式，模擬汽車行駛時電動輪所受的除滾動阻力之外的其他各種阻力之和。

2.5 轉向模擬

本試驗臺采用機械轉向機構及側向力加載機構進行轉向模擬。通過電機、滾珠絲桿以及側向力及轉角傳感器構成的側向力加載裝置（圖1中18）模擬轉向阻力。主銷設計在電動輪正上方，使主銷偏移距為零，因此在電動輪轉向試驗時，輪胎能始終保持在滾筒的最高點處接觸并轉動，避免因主銷偏移距不為零時，轉向角過大輪胎脫離滾筒的最高點而造成較大的試驗誤差。

2.6 制動模擬

本試驗臺采用機械制動系統和電制動系統相結合進行制動模擬。通過盤式制動器模擬機械制動，通過測控系統電制動控制程序使輪轂電機處于發電模式模擬電制動，通過電力測功機驅動電動輪，模擬長坡制動、急制動等各種制動工況。

3 電動輪綜合性能試驗臺試驗項目設計

3.1 道路模擬試驗

（1）動力性測試。根據所設計電動汽車的基本參數：整車滿載總質量／kg、迎風面積／m2、空氣阻力系數、車輪滾動半徑／m、旋轉質量換算系數、蓄電池總能量／（kW·h），將上述參數輸入測控系統中，進行汽車動力性測試，可以測得驅動力－行駛阻力平衡圖，最高車速、最大爬坡度的加速時間，勻速（如50km／h）續駛里程。

（2）行駛循環模擬試驗。通過控制改變電動輪的轉速，測定電動輪的原地起步加速性能和超車加速性能，通過測控系統轉速譜或者扭矩譜控制程序進行轉速譜或扭矩譜模擬，進行汽車行駛循環模擬試驗。

（3）道路譜模擬試驗。由于道路凹凸不平，形成不同的道路譜，汽車在路面行駛時，道路譜造成汽車的顛簸使得垂直載荷動態變化，通過垂直載荷動態加載機構及測控系統模擬控制程序，進行道路譜模擬試驗。

3.2 電動輪驅動防滑試驗

（1）驅動滑轉現象模擬試驗。通過改變滾筒的表面材料可以模擬路面的附著系數，當附著系數較小時，電動輪的附著率大于路面附著系數時，使得電動輪打滑，從而模擬了驅動滑轉現象。

（2）驅動防滑控制試驗。通過控制輪轂電機驅動扭矩來防止電動輪滑轉，進行電動汽車驅動與防滑的試驗，研究電動汽車的驅動防滑性能。此時加垂直載荷模擬車重，飛輪模擬汽車慣量或者用電力測功機來模擬汽車慣量。進行驅動防滑控制試驗時，輪轂電機帶動電動輪啟動，通過測試輪轂電機轉速與滾筒轉速，并換算成二者接觸點各自的線速度，來檢驗是否打滑，當電動輪線速度高于滾筒線速度時，發生打滑現象，通過減少輪轂電機的扭矩輸出來進行驅動防滑控制。

3.3 汽車轉向模擬試驗

提供轉向模擬試驗的試驗臺側向力加載應能輸出恒定的轉向力［12］，同時還能根據時間和目標轉向角度動態輸出轉向力，為采用電動機驅動電動輪轉向的研發提供試驗依據。通過輸出轉向角度與轉向力矩的關系，還可以進行汽車轉向輕便性的研究［13］。

3.4 電動輪制動模擬試驗

（1）機械制動模擬試驗。通過盤式制動器及制動操縱機構進行機械制動模擬。

（2）電回饋制動模擬試驗。電動汽車存在多種制動工況，試驗臺可以進行多種回收控制策略的研究，可以把不同的儲能系統進行優化組合，使車輛的制動性能更合理，也可以發揮儲能裝置的最佳性能，使汽車在各種制動工況下能較好地回收制動損失能量。試驗臺的電源系統能夠將蓄電池與超級電容混合使用，即蓄電池－超級電容雙能量源，發揮蓄電池比能量大和超級電容比功率大的優勢，來研究純電動汽車的能量回收率，最大限度地延長續駛里程［14］。

（3）電制動／機械制動耦合模擬試驗。當制動力要求增大時，需要電制動與機械制動耦合作用。對電動汽車進行制動能量回收系統的研究，從而得出制動能量回收系統的最佳控制方案，進而對其控制系統做出較為優化的設計，在滿足制動安全要求的前提下最大化的回收制動能量。

（4）電動汽車制動防抱死試驗。在所設計的試驗臺上能夠通過研究控制機械制動力與電制動力的分配，并利用電機的快速響應特性對電動輪進行精確的防抱死控制，還可以進行在確保制動性能的同時兼顧制動回收能量和減少制動片的磨損的試驗［15］。此時，電力測功機作為電動機，試驗臺帶慣性飛輪，并加上垂直載荷。當車輪轉速達到某一轉速后，進行機械制動或者機電耦合制動，來研究ABS系統與電制動的配合情況。試驗臺為實現電動車制動過程中能量的回收，提高能量使用效率，同時為改善制動情況下的ABS防抱死制動系統安全性能［16］的研究提供了平臺。

3.5 其他試驗

（1）輪胎的耐久性試驗。該試驗臺還可以進行電動輪胎的試驗，通過改變輪胎或者改變滾筒表面的材料來模擬各種輪胎和路面的駕駛條件，從而進行不同工況下各種輪胎的耐久性試驗。

（2）電池性能的試驗。電動汽車電池的充放電特性、內阻和容量等性能對電動汽車的續駛里程，能量回收效率都有至關重要的影響［17］，此試驗臺還可以進行電池性能的試驗。

（3）輪轂電機性能測試試驗。輪轂電機是電動汽車的關鍵部件，試驗臺可以進行輪轂電機的性能測試和耐久性試驗。通過試驗臺的垂直加載模塊、電動輪模塊以及測功模塊即可完成該試驗。此時的電力測功機僅作為耗能裝置使用，即測功機為發電機模式，來測量輪轂電機的功率、扭矩及轉速等基本參數。

4 結束語

根據輪轂電機驅動的電動汽車所應具備的試驗與測試項目，設計開發了一款多功能的電動輪綜合性試驗臺。該試驗臺采用功能化設計方式，在臺架機械部分的基礎上還可以添加許多其他的試驗功能，針對一些主要的電動汽車試驗，所設計的臺架都能很好地實現模擬與試驗，這對輪轂電機驅動電動汽車的研究開發具有十分重要的意義。在試驗臺設計開發的基礎上，將進一步細化試驗項目，為輪轂電機驅動電動汽車的研究提供更加詳實的數據支撐。

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