增程式电动汽车虚拟测试系统开发及应用＊

楼狄明 张子骏 徐宁 赵成志 仲益梅

（同济大学，上海 201804）

主题词：增程式电动汽车 半实物仿真平台 虚拟测试系统

1 前言

增程式电动汽车采用不同能量管理策略对动力电池寿命、整车能耗和排放影响很大[1-2]，而研究能量管理策略可采用计算机仿真、半实物测试及实车试验等不同方式[3-4]。相比之下，半实物测试避免了计算机仿真不能实时反映车辆状态、无法研究不同后处理装置减排效果等缺点[5]，可快速对能量管理策略编写、修改、调试与优化，避免实车试验时零件试制成本高、不能实时修改优化、开发流程长等缺点。因此，半实物测试对车辆开发具有重大意义，搭建半实物平台可满足不同能量管理策略下油耗及排放特性等研究的需要。

本文进行了整车控制器(Vehicle Control Unit,VCU)选型、通讯配置和半实物平台搭建，并在半实物平台基础上集成多种测试设备，构成完善的虚拟测试系统。利用所搭建的虚拟测试系统对某12 m长增程式客车进行了循环测试，验证了测试系统的可靠性。同时基于该虚拟测试系统分析了该客车在恒温器式能量管理策略下NH3泄漏情况和NOx排放特性。

2 整车控制器选型及其通讯配置

2.1 整车控制器选型

增程式电动汽车VCU需要具备如下功能：

a.需要进行常用信号的采集和发送，如与柴油机、后处理SCR系统、发电机控制器的CAN通讯以及输出油门踏板模拟电压信号给柴油机ECU等；

b.需要完成整车模型及不同策略下能量分配的计算，因此需具备较高的数字运算能力[6]；

c.需具备多种信号类型的接口，以实现与转速、温度、扭矩传感器频率等信号采集模块的通讯，便于故障检测及发电功率计算。

表1为VCU需要采集和传递的信号。

基于上述需求，选用WOODWORD公司的Moto⁃hawk control solutions快速原型开发系统，其中VCU开发板采用Freescale MPC565 56MHz微处理器，内存为1M Flash、548K RAM，计算能力满足需求；支持标准和拓展ID，支持串口通讯，数据接口丰富。该VCU开发板虽基本满足需求，但只有一路继电器，缺乏多路继电器开关控制模块和模拟电压输出模块，为此需进行模块拓展。

采用支持RS485串口通讯的多路继电器开关输出模块（图1）进行模块拓展。利用PWM转电压模块（图2）输出模拟电压，将占空比转化为0～5 V电压信号。实际使用时通过串联大阻值电阻进行双路电压模拟，图3为所模拟的加速踏板电压。

图1 外置继电器模块

图2 PWM转电压模块

图3 模拟油门踏板电压

2.2 通讯配置

VCU与各部件之间的通讯方式采用CAN通讯和RS485通讯，VCU与发动机、发电机及SCR系统通讯为CAN通讯，与外置继电器模块的通讯为RS485通讯。VCU与发电机通讯时采用CANopen协议，通讯信息包括目标需求转矩、实际计算转矩、实际测试转速等；VCU与发动机通讯时采用J1939通讯协议，通讯信息包括发动机转速、负荷、冷却液温度及起动状态等；VCU与SCR系统通讯时也采用J1939通讯协议，采集位于SCR后端的NOx传感器信号，并增加NOx传感器及NH3分析仪，分别采集SCR前端NOx信号和SCR后端NH3泄漏量。

3 增程器半实物平台

VCU选型及通讯配置完成后，进行其它部件建模(虚拟部件)或选型(实物)，并通过VCU集成后形成半实物平台。其中，增程器为实物，驱动电机、传动系统、整车、驾驶员、道路工况等为虚拟模型。

增程器中永磁发电机由图4所示电力测功机代替，并在电机控制模型中通过最大转矩限制和效率MAP修正以保证替代后的准确性。

图4 增程器实物

采用AVL Cruise与Simulink联合前向建模，驾驶员模型、循环工况模型及整车动力学模型（图5）在AVL Cruise中搭建，整车能量管理策略模型在Simulink中搭建。其中，驱动电机模型根据试验实测数据建模；磷酸铁锂电池模型采用串联RC模型。

图5 整车动力学模型

基于Mototron快速开发原型，对搭建的模型配置I/O口，并进行编译及生成自动代码，刷写至VCU，再基于CAN的标定协议进行标定[7]，进而通过VCU实现功率需求计算、能量分配和增程器动态协调控制等功能。搭建的半实物平台见图6。

图6 半实物平台示意

4 虚拟测试系统

在半实物平台基础上集成多种测试设备组成虚拟测试系统，需要集成的测试设备包括测量油耗及排放的测试设备、扭矩计、转速采集设备等。

油耗测试设备主要为同圆瞬态油耗仪，用于测试瞬态油耗质量流量；排放设备包括OBS 2000、TSI EEPS 3090和NH3分析仪ECM5200，分别测量THC、NOx、CO2、CO等气态物体积浓度、超细颗粒数量及粒径分布和NH3体积浓度。

另外，通过ValueCAN3和INCA采集半实物平台信号，采集的虚拟信号包括车速、动力电池SOC、电流、电压、电功率、发电机转矩等；实际信号则有增程器飞轮端转速、发电机转速、柴油机冷却水水温、柴油机转速、NOx浓度、NH3浓度等。

为检测柴油机与发电机间转矩在切换过程中的瞬态变化并准确计算发电功率，增加图7所示扭矩计。扭矩计采用T40B扭矩法兰，精度为±0.05%。

图7 扭矩计及测试示意

组建完成的增程式电动汽车虚拟测试系统如图8所示。

虚拟测试系统工作原理为：当系统运行时，根据道路工况、驾驶员模型、整车及相应部件模型等计算出动力总成运行所需参数，如发动机转速、电机转速和转矩等；然后VCU根据动力总成系统的实际需要，将数字信号分别转换成频率信号、开关信号和模拟信号，发送给动力总成系统；目标动力总成控制系统接收到这些信号后开始进入工作状态，同时产生喷油器或电机的驱动信号，利用INCA和ValueCAN3等设备采集这些驱动信号后传递给数学模型，数学模型根据这些信号计算并调整输出参数，从而实现测试系统闭环控制，提高系统的自适应性。

图8 增程式电动汽车虚拟测试系统组成

5 测试系统验证及应用

采用所搭建的虚拟测试系统对某12 m长增程式客车在恒温器式能量管理策略下进行循环测试，并与仿真结果进行对比，以验证虚拟测试系统测试结果的准确性。图9为计算机仿真与测试系统试验结果对比，包括车速、电池SOC、APU输出功率、发动机油耗等瞬态变化。

图9 试验测试与仿真结果对比

由图9可看出，虚拟测试系统所测数据与计算机仿真结果变化规律一致。其中，仿真车速与测试车速完全一致，SOC、APU输出功率基本吻合。由于试验测试时发动机由电机倒拖起动，因而APU输出功率在起动时均为负值，因此与计算机仿真略有不同。仿真与试验测得油耗分别为4.59 kg/h（34.42 L/100 km）和4.88 kg/h（36.55 L/100 km），误差在6%以内，这主要是由于测试循环下瞬态过程多，存在加速加浓等情况，造成整体油耗相比计算机仿真略高，且试验测试时采用电机倒拖起动，而仿真过程未考虑倒拖过程中的电耗和油耗，也没有考虑暖机过程。此外，还存在电机调速导致需求功率与实际功率存在偏差而导致油耗较高的可能，以上多种原因使虚拟系统测试与仿真结果存在一定差异，但差异很小，表明虚拟测试系统准确可靠，且系统响应速度快、准确性高、动态特性好。

另外，由于计算机仿真难以搭建SCR温度模型、氨存储模型，所以无法模拟增程器排放特性，而采用集成了排放测试设备的虚拟测试系统进行试验能够准确分析NOx、超细颗粒、NH3泄漏等排放规律并进行优化。仍采用虚拟测试系统对该增程式客车在恒温器式能量管理策略下进行了循环测试，排放结果如图10所示，SCR前端排气温度约为328℃，采用SCR后NOx排放为0.013 8g/s（3.12 g/km），SCR后NOx排放量平均下降77.4%，全循环下NOx转换效率较高，减排效果明显。整体而言NH3泄漏量平均值为2.5×10-6，泄漏较少。可见，虚拟测试系统的搭建为今后不同能量管理策略研究及SCR控制策略优化提供了试验条件。

图10 NOx排放量和NH3泄漏量测试结果

6 结束语

进行了增程式电动汽车整车控制器选型、通讯配置和半实物平台搭建，并在半实物平台基础上集成了多种测试设备，形成了完善的虚拟测试系统。采用所搭建的虚拟测试系统在中国典型城市公交车循环下对某12 m长增程式客车进行了循环试验，并将试验结果与仿真结果对比证明了测试系统准确可靠，为今后增程式电动汽车能量管理策略研究、排放规律分析提供了试验条件。