基于純電動車輛動力系統阻力特性的底盤測功機阻力設置研究

王金橋 靳慧魯 王瑛 汪躍中 王新樹

摘要：利用某乘用車車輛平臺，以提高底盤測功機整車阻力模擬質量為研究目的，開展純電動汽車變速器、電機系統總成及整車阻力研究，結果表明：永磁同步電機在整車空擋、接通電源條件下拖動運行時電機總成外在阻力隨轉速變化無一定規律，導致滑行法測試的整車阻力在二次曲線擬合時精度下降及在底盤測功機上模擬時準確性下降。提出整車滑行阻力與測功機反拖車輛得到的阻力差作為底盤測功機加載阻力的方案，以提高測功機模擬車輛阻力的準確性，通過試驗驗證，方案有效。

關鍵詞：純電動車輛;整車滑行阻力;電機總成阻力;阻力模擬

中圖分類號：U462.3 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2018） 02-0027-05

前言

純電動汽車動力總成一般由永磁同步電機、單速比變速器組成，與以發動機為動力源的常規能源車輛相比，其特點是電機與傳動系始終處于結合狀態，且動力總成系統轉速較高，部分電機最高轉速甚至達到12 000r/min以上。針對此類車輛與常規能源車輛的差異，系統分析變速器高轉速段及電機系統在被拖動運行時總成的阻力隨轉速變化的規律，并基此制定一種適合純電動汽車的底盤測功機阻力模擬方案，可以提高此類車輛整車行駛阻力的開發質量、以及在底盤測功機上進行整車阻力模擬的準確性。

常規能源車輛經過長時間的發展，整車行駛阻力方面的研究已比較成熟、全面，測量方法一般采用文獻中的滑行法;文獻對常規能源車輛滾動阻力、風阻及傳動系阻力進行了研究;文獻利用底盤測功機針對常規能源車輛的傳動系阻力進行了研究，其常規能源車輛的變速器轉速一般在6000轉以內;在新能源車輛的整車行駛阻力研究上，文獻對電動汽車的滾動阻力系數、空氣阻力系數進行了研究。文獻對永磁同步電機內部磁阻力原理及阻力優化進行了研究，但僅是從零部件角度進行研究。當前純電動車輛在整車層面能否直接應用常規能源車輛整車阻力方面的研究成果還不能確定。本文利用A、B兩平臺車型，包括純電動及常規能源車輛，純電動車型的電機對應A、B電機;分別從變速器、電機系統總成及整車角度，研究其阻力特性，并基于分析結果，提出了一種新的底盤測功機阻力設置方案以提高底盤測功機阻力模擬質量。

1 變速器阻力測試研究

帶有環境倉的汽車底盤測功機具有測試數據一致性較好、精度較高的特點。本文通過室內底盤測功機反拖整車傳動系以測試變速器阻力，每次測試環境倉溫度設置25度，從車速5 km/h開始，間隔10 km/h，測試的最高車速根據車輛最高車速及試驗條件制定，A、B平臺常規能源車輛測試最高車速125 km/h.A、B平臺純電動車輛測試最高車速分別為125、95 km/h。具體測試方案見表1。

根據測試方案，各測速點變速器阻力為：對純電動汽車，第2次減去第一次測試的結果即認為是變速器總成阻力;對常規能源車輛，第4次減去第3次測試數據即認為是變速器阻力;A、B平臺車型測試結果分別見圖1和圖2。

測試結果表明，1、純電動汽車與常規能源車輛變速器總成阻力隨車速都呈線性變化趨勢;純電動汽車在變速器高轉速段仍保持線性變化趨勢;2、純電動汽車較傳統汽車的變速器阻力偏大，其原因應為純電動車輛變速器傳動比大旋轉部件轉速較高導致;3、純電動汽車的變速器阻力較常規能源車輛，隨著轉速的升高，阻力上升的速度偏快。由上述分析，純電動車輛變速器阻力隨車速呈線性變化趨勢，對2、3條，有待繼續深入研究。

2電機總成阻力理論及試驗研究

以永磁體為轉子的永磁同步電機，電機總成阻力的大小及影響因素僅從理論上難以計算。文獻從電機損耗的角度從定子繞組電阻損耗、鐵芯損耗、機械損耗和雜散損耗進行分析，但影響部件較多，也難以準確計算出損耗量。另外，電機運行時，根據電機dq軸數學模型得到的i_d、i_q電流與電機三相交流電流的關系：

式中：θ為電機轉子的位置信號;i_d、i_q為直軸、交軸電流;i_u、i_v、i_w為電機的三相交流電流;電機電磁轉矩與i_d、i_q電流的關系為：

T_e=p[ψ_fi_q+（L_d-L_qi_di_q]

（2）

式中：T_e為電機電磁轉矩;p為極對數;L_d、L_q為定子繞組的d、q軸電感;ψ_f為永磁體產生的磁鏈;

由式（1）、（2）可知，電機控制器對i_d、i_q等的控制精度影響著電機的扭矩輸出值。因此，在電動車輛空擋、電機高壓接通整車滑行時，此時整車控制器的控制策略是電機零扭矩輸出;電機若不能保持零扭矩輸出將影響整車滑行阻力的測試。為確定電機控制器對電機輸出扭矩的影響程度，搭建了電機臺架，模擬整車空擋電機實際輸出扭矩，驗證電機在是、否接通電源條件下，轉子被拖動運轉在不同轉速下的阻力;臺架示意圖見圖3。轉速測試范圍為1000-7000 r/min，間隔為1000 r/min;在測試轉速點讀取驅動裝置提供給電機的轉速及扭矩;A電機總成測試數據見表2，B電機總成測試數據見表3，A、B電機是、否接通電源時總成阻力分別見圖4和圖5。

電機在供電開關閉合時，電機控制器的控制策略是電機零扭矩輸出，表2和表3中，電流為正電池為充電狀態，為負即放電狀態。由表2可知，電機轉速3 000 r/min以上較2 000 r/min以下，電流明顯增大，同時供電開關閉合與斷開時的阻力差明顯增大，多個測點阻力差達到2 Nm以上;2 000 r/min以下時，供電開關閉合與斷開時的阻力差較小應是測試誤差導致，此時的電流用于電機控制器本身的耗電;3 000 r/min以上電流較大，應是電機有驅動扭矩產生，扭矩的大小即是電機接通、斷開電源的阻力差。表3中電流為負時此趨勢不明顯，應是電機阻力只有1 Nm左右，阻力較小測試精度不高導致;當電機轉速達到7000 r/min，正電流明顯增大，此時供電開關閉合時的阻力明顯大于斷開時，此時電機應是發電狀態。上述電機的發電、驅動扭矩應是由電機控制器的控制精度導致。另外，對上述測試結果，在電機控制策略不變、同一臺電機上，再進行測試時，測試結果是不變的。綜上分析，電機供電開關閉合，電機不能零扭矩輸出，使得電機外在阻力與轉速無一定的規律。

由圖4、5，電機控制器供電開關斷開，電機阻力隨轉速呈較好的線性變化趨勢。

3 底盤測功機阻力設置研究

傳統能源車輛行駛阻力測試完成后，可以擬合成速度為v的阻力曲線二次方程即式（3），且擬合結果與實際阻力相當接近，因此可以在轉鼓上直接模擬。

F=Av²+ Bv+C

（3）

式中：F為整車測試的滑行阻力，A為速度二次方影響系數、B為速度影響系數、C為與速度無關的阻力。

針對行駛阻力的構成，純電動車輛與傳統能源車輛的差異在電機、變速器上;變速器的測試結果表明其阻力與車速是線性關系，因此，純電動車輛的整車阻力除去電機阻力外，其他阻力是可以采用文獻1的方法擬合成式3并在轉鼓上直接模擬的。對于純電動汽車，采用滑行法對滑行阻力測試是在整車空擋、電機未斷高壓條件下進行的，受電機影響，測試結果見圖6中的整車滑行測試阻力曲線，其是一條不規則曲線，若此曲線擬合成式（3），會造成多個車速點實際測試的阻力偏離擬合的阻力曲線（黑實線）達20N。這種曲線不適宜在轉鼓上直接模擬，且在模擬時會再次受到電機的影響，因此，本文提出一種新的底盤測功機模擬整車阻力的方案以減小電機對整車阻力的影響。以A平臺純電動車型為例說明，首先采用文獻1中的滑行法測試整車阻力，測試的阻力不按式3擬合，而是將不同車速下的對應的阻力值提取出來，提取結果見表4中整車阻力一列。然后利用底盤測功機反拖車輛傳動系，記錄整車在空擋、電機高壓未斷開時不同車速下測功機測試的阻力，間隔5 km/h，結果見表4中的傳動系阻力，那么測功機加載的阻力即為表4中的整車阻力減去傳動系阻力，從理論上此方法可減小電機對整車行駛阻力的影響。

為驗證此方案的有效性，進行試驗驗證。在底盤測功機上模擬按公式（3）直接擬合道路測試的阻力，與本文提出的方案得到的測功機直接加載阻力，分別在測功機上進行60 km/h等速續駛里程測試。同時在道路上測試60 km/h的續駛里程，電池放電深度保持一致，測試結果見表6。

由表6續駛里程測試結果表明，本文提出的整車滑行阻力與測功機反拖車輛得到的阻力差作為測加載阻力測試的續駛里程與在道路上測試的續駛里程相差較小，誤差僅2.3%，較按式3直接擬合測試阻力并在測功機上模擬，測試準確度提高8.8%。因此，本文提出的阻力在轉鼓上的模擬方案可以減小電機對整車行駛阻力的影響程度，測功機模擬阻力已相當接近實際道路阻力。

4結論

（1）相對于常規能源車輛，純電動車輛道路行駛阻力測試、測功機加載方法還不完善，須進一步研究。

（2）通過測試，變速器高轉速段的阻力特性為明顯的線性變化趨勢，但此阻力較常規能源車輛的變速器阻力偏大，以及隨著轉速升高，阻力上升的速度偏快的問題，須進一步研究。

（3）電機總成阻力特性測試結果表明：電機接通電源時外在阻力隨轉速呈無規律變化趨勢，對道路滑行法測試的整車阻力影響較大，本文提到的測功機阻力設置方案可以提高測功機模擬的準確性。