电动轮驱动电动汽车动力系统测试试验台研究＊

徐达伟 李东东 田韶鹏

（武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室）

电动轮驱动电动汽车动力系统测试试验台研究＊

徐达伟 李东东 田韶鹏

（武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室）

介绍了所设计的电动轮驱动电动汽车动力系统测试试验台的结构原理及功能。该试验台利用CAN总线网络实现控制信息的交互，可编程逻辑控制器(PLC)实现整体控制，基于虚拟仪器LabVIEW实现了上位机的实时监控与显示界面。提出了1号电机转矩控制、2号电机转速跟随的控制策略，并通过双轮独立驱动模式直线行驶试验验证了控制策略的有效性，结果表明该试验台能够满足设计要求。

1 前言

在能源与环境的双重压力下，电驱动车辆已成为当前汽车工业发展的趋势，电动轮驱动电动汽车也成为汽车领域研究的重点[1]。在电动轮驱动电动汽车的研究和开发过程中，对其动力系统进行台架试验是关键环节。尽管试验台较难精确地模拟汽车的实际道路行驶状况，但其动力负载的变化趋势与道路状况基本一致[2]。通过试验台测试试验，可以实现对电动轮驱动电动汽车动力系统控制模块的调试和标定以及动力性和经济性的测试，也可以探索动力系统各种相关的车辆控制逻辑、控制策略，同时能大幅减少整车试验时间、标定时间，以及降低研究成本和实车道路试验的危险性[3，4]。因而构建满足要求的动力系统测试试验台，对电动轮驱动电动汽车的开发具有十分重要的意义。本文对电动轮驱动电动汽车动力系统测试试验台的构建、功能及双轮独立驱动直线行驶模式的初步试验等进行了研究。

2 试验台总体设计

2.1 电驱动机械式变速器（EMT）介绍

试验台所采用的驱动电机动力系统及测功机系统均为武汉理工通宇有限公司自主研发的电驱动机械式变速器（Electric-drive Mechanical Transmission，EMT）产品，该产品实现了电机和变速器的集成化设计，电机动力输出端与变速器的动力输入端进行了同轴处理，减小了该产品的长度，并且可通过电机的主动调速实现自动换挡。电机轴的端盖上安装有滚子轴承，变速器第2轴端设有轴承槽，通过该轴承槽套在电机轴的滚子轴承上。电机轴和变速器第2轴上分别装有光电式转速编码器，系统控制器分别从这2个转速编码器获取电机的转速及变速器输出轴转速[5]。该产品适用于混合动力汽车和纯电动汽车动力系统的开发。EMT系统结构如图1所示，EMT纯电动动力总成如图2所示。

2.2 试验台的构建

电动轮驱动电动汽车按驱动形式分为轮边电机驱动和轮毂电机驱动两种，前述EMT纯电动动力总成可作为轮边电机驱动型式的电动轮驱动电动汽车的动力系统，为此以该动力系统为基础进行试验台的开发及试验。先期进行试验台的功能性试验及汽车相关行驶工况和控制策略的制定和验证，所以试验台的设计思想是：设计一个通用性较强的测试试验台，使其既能满足目前基于轮边电机动力系统的相关试验，也能够实现在短时间内以尽量小的改动即可适应不同型式动力系统测试的需求。

电动轮驱动电动汽车动力系统测试试验台主要包括被测驱动电机系统、动力电池系统、试验台总控制系统和测功机系统等几个模块单元。其中被测驱动电机系统包括额定功率40 kW的EMT纯电动动力总成、电机控制器等；动力电池系统包括由单节额定电压3.2 V、额定容量60 Ah的磷酸铁锂电池组成的动力电池组、电池管理系统及高压管理系统；试验台总控制系统包括试验台总控制器及2台计算机，其中1台计算机装有PCI-CAN/2通讯板卡；测功机系统主要包括负载电机、扭矩传感器等，负载电机采用的是额定功率80 kW的EMT纯电动系统，扭矩传感器为HBM公司生产的T40扭矩传感器，量程为±5 000 N·m，精度为0.1 N·m。整个试验台架结构原理如图3所示，实际台架如图4所示。

该电动轮驱动电动汽车动力系统测试试验台在设计上有以下特点：

a.由于负载电机采用的是EMT纯电动系统，而该系统自带的变速器起到增速箱的作用，可以扩大负载的变化范围，从而更适合较宽范围的转矩测量。

b.试验台中的4个负载电机可以实现单独控制，这样试验台可完成四轮独立驱动汽车的相关测试试验。

c.整个试验台构成了能量闭环系统，驱动电机消耗电能，而负载电机输出的电能又回馈到动力电池组，实现了能量的循环利用。

2.3 试验台功能

该测试试验台可实现以下功能：

a.能够进行单个轮边驱动电机或轮毂驱动电机动力总成测试试验，对动力总成的动力性和经济性进行检测，为总成参数匹配的优化以及控制策略的制定提供依据。

b.能够进行轮边驱动电机或轮毂驱动电机动力总成控制系统的调试和标定，对提出的控制策略和控制算法进行验证。

c.可模拟汽车循环工况中除制动工况之外的所有工况，能够进行双轮独立驱动或四轮独立驱动汽车直线行驶、加减速、差速等工况的测试，并验证控制策略。

d.能够对四轮独立驱动样车进行行驶工况的测试，检测整车动力性和经济性，并对整车控制器的控制策略及控制算法进行验证。

3 试验台软件设计

试验台采用西门子S7-300型PLC实现整体控制，控制软件采用的是与PLC相对应的可编程控制软件step7-Micro/WIN。

由于整个测试系统需要实现多种测试功能，因此其软件必须具有较强协调各设备通讯的能力、实时数据准确检测能力、强大的数据处理功能以及良好的监视与显示试验结果的功能，故控制软件采用了模块化设计思想，整个控制软件由主控模块及多个子模块组成。子模块由系统设置、控制模式、数据采集、数据处理、报警保护及显示界面等6部分组成。

主控模块是整个控制软件的框架，其它子模块根据所选测试功能的不同分别进行调用。其中，系统设置模块用来对试验参数进行设定；控制模式模块用来对系统的不同控制模式进行选择；数据采集模块对试验过程中电机的转矩、转速、温度等数据进行实时采集，并存放到数据库中；数据处理模块对存于数据库中的数据进行相应的处理；显示界面模块可实现试验结果的实时显示；报警保护模块会在试验台出现故障时自动调用，并根据情况采取不同处理措施以起到对设备安全保护的作用。

4 试验台通信方式设计

该测试试验台的测试系统主要利用控制器局域网(CAN)总线网络来实现各节点之间控制信息的交互[6]，CAN总线是一种能有效支持分布式控制和实时控制的串行通讯网络[7]。基于SAE J1939通信协议，设计了电动轮驱动电动汽车动力系统测试试验台的CAN网络，制订了网络应用层协议，采用试验台总控制器及其信息单元对试验台的各电机控制器、电池管理系统等节点进行分布式的集中控制，从而将各自分散的设备通过CAN总线连接起来，进而实现整个测试试验台的数据采集以及控制系统的智能化和网络化。

该试验台中CAN总线数据链路层主要参考CAN2.0B和SAEJ1939的有关规定，总线的通信速率为250 kb/s，采用CAN扩展帧的29位标识符。其中，试验台中总控制器控制信息的优先级是3，其余模块信息的优先级设为6。CAN总线网络拓扑结构如图5所示。

在试验过程中，试验台总控制器根据试验的具体需要，通过CAN总线向试验台其它模块发出控制指令，电机控制器通过从CAN总线上接收试验台总控制器的控制指令来控制电机，并对电机的运行状况进行监控。电池管理系统负责对磷酸铁锂电池组的状态进行监视和管理。试验台总控制器、电池管理系统、各电机控制器之间通过CAN总线进行通信，从而实现各传感器测量数据的共享、控制指令的接收和发送。系统通过CAN总线组成了一个分布式控制系统。

5 上位机监控与显示界面

为了实现对试验台的实时监控，基于虚拟仪器LabVIEW设计了上位机的实时监控与显示界面。上位机通过通讯板卡连接到CAN总线上。各控制器将CAN帧信息发送到CAN总线上，通讯板卡在接收到CAN总线的信息后，通过LabVIEW数据采集程序将系统信息解析后实时显示在前面板的监控显示界面上[8]。

在通讯板卡的选择上，采用的是NI公司生产的PCI-CAN/2板卡，NI PCI-CAN/2是一款两端口高速控制器局域网（CAN）接口，能够与高速CAN设备进行速度为1 Mbit/s的通信。该通讯卡基于NI-XNET平台，NI-XNET平台将一系列高性能CAN、LIN以及FlexRay接口与NI-XNET API结合在一起；NIXNET API是一个常见易用的函数集合，用于读写CAN、LIN与FlexRay的帧和信号。NI-XNET接口汇聚了底层微控制器编程的优越性能以及Windows与LabVIEW实时（Real-Time）操作系统在开发时的速度和功能优势。基于PC的CAN接口通常存在系统延迟问题，NI-XNET设备驱动型引擎可使此类问题大幅度降低。引擎使得板载处理器不需要中断CPU就能在接口与用户程序之间传输CAN帧和信号，使主机处理器有时间处理复杂的模型和应用程序，从而实现更少编程、更高性能[9]。图6为基于LabVIEW的上位机实时监控与显示界面，从图6中可看出驱动电机和负载电机的实时运行状况。

6 双轮独立驱动直线行驶台架试验

电动轮驱动电动汽车在驱动模式选择上有双轮独立驱动和四轮独立驱动两种模式，而车辆在实际行驶过程中会遇到直线行驶和差速行驶等多种行驶工况。为简化试验，在电动轮驱动电动汽车试验台完成后，首先进行了双轮独立驱动模式直线行驶工况的初步试验，以验证试验台是否能满足试验要求。

对于双轮独立驱动直线行驶工况，要求控制系统能够通过相应的控制策略来实现两侧驱动电机的协同工作，以保证两侧驱动电机的转速能够保持基本一致，不出现明显的速度差，从而实现车辆的正常直线行驶。为此，提出了1号驱动电机转矩控制、2号驱动电机转速跟随的控制策略。该控制策略以1号电机采用转矩控制模式控制该电机的转速，2号电机以1号电机的实时速度值为转速目标值，通过PID控制算法进行计算后，电机控制器以最快的响应去实现系统要求，从而实现转速的实时跟随。驱动电机控制框图如图7所示。

双轮独立驱动模式直线行驶工况的试验结果如图8所示。从图8可看出，在加速、减速、匀速等工况下，两电机转速都能保持基本一致，两电机转速差能够维持在合理的范围内，转速跟随状况良好。两电机的转速差最大处出现在由加速变减速的转折点，这表明PID算法需进一步改进以尽量减小转速差。总体来看，两电机速度同步状况良好，试验结果验证了控制策略的有效性，试验台能够满足设计要求。

7 结束语

开发了电动轮驱动电动汽车动力系统的测试试验台架。该试验台采用西门子S7-300型PLC实现整体控制;利用控制器局域网(CAN)总线网络来实现各节点之间控制信息的交互;基于虚拟仪器LabVIEW设计了上位机的实时监控与显示界面，实现了对试验台的实时监控与显示。通过双轮独立驱动直线行驶工况的初步试验，验证了该试验台的可靠性。

1张缓缓.采用电动轮驱动的电动汽车转矩协调控制研究: [学位论文].长春:吉林大学,2009.

2陈燕平，殷承良，张勇.混合动力大客车动力总成试验台架的构建及试验研究.汽车工程，2011,33（6）:468～471.

3张冰战，赵韩，张炳力，等.超级电容与燃料电池发动机混合动力系统测试研究.汽车技术.2008（4）:44～47.

4李国洪，刘鲁源，王晓明，等.混合动力系统的台架试验研究.汽车技术，2005（11）:22～25.

5曹正策.基于电驱动自动变速器（EMT）的Plug-in并联混合动力系统研究:[学位论文].武汉:武汉理工大学,2011.

6黄万友，程勇，纪少波，等.基于CAN总线的纯电动汽车动力总成试验台测控系统的开发.汽车工程，2012,34（3）:265～271.

7曹珊，于秀敏，高莹，等.CAN总线在混合动力电动公共汽车中的应用.汽车技术，2005（6）:13～16.

8邵斌，朱茂桃，张彤，等.混合动力汽车CAN网络信号监测与故障诊断系统的开发.汽车技术，2009（2）:46～49.

9美国NI公司.控制器局域网络（CAN）概述.2011.

（责任编辑文楫）

修改稿收到日期为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

电动汽车双轮独立驱动动力系统控制策略

U467.5+2

：A

：1000-3703（2014）03-0031-04

国家科技部“863”项目（2011AA11A260），湖北省研究与开发计划项目（2011FAA007）。