基于dSPACE的混合動力汽車再生制動試驗臺研究

孫遠濤，王云龍，朱榮福，耿瑞光，張金柱，范德會，王 輝

(1. 黑龍江工程學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050；2. 黑龍江工程學(xué)院 機電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050)

混合動力汽車再生制動是相對內(nèi)燃機汽車提升節(jié)能、減排效果的一項有效技術(shù)，已經(jīng)逐漸受到業(yè)內(nèi)研究人員的重視[1-6]。深入開展再生制動技術(shù)研究，對完善再生制動試驗平臺具有重要意義。

我國目前一些大型車企和高校聯(lián)合開發(fā)混合動力汽車，在生產(chǎn)正式車型之前，一般都會搭建混合動力再生制動試驗臺以提高開發(fā)效率，并降低開發(fā)成本。目前所搭建的再生制動試驗臺一般是基于發(fā)動機測功機的動力總成臺架，而基于底盤測功機的整車臺架卻很少[7-9]。國外羅馬Sapienza大學(xué)的Lorenzo Rambaldi等人開發(fā)了串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)結(jié)合底盤測功機的整車試驗臺[10-11]，這方面國內(nèi)報道比較少。

本文所搭建的試驗臺即是結(jié)合動力總成臺架部件的可模塊化式靈活布置、整車臺架的再現(xiàn)道路工況以及實車模擬的優(yōu)點而設(shè)計。試驗臺采用dSPACE作為試驗臺系統(tǒng)的實時控制器，便于施加再生制動控制策略；采用底盤測功機作為道路模擬和數(shù)據(jù)采集裝置，用于模擬道路路面和采集轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩等信號。試驗臺具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、移動方便、占地少及連接簡便的特點。

1 試驗臺系統(tǒng)組成

基于dSPACE的混合動力汽車再生制動試驗臺布置如圖1所示。

圖1 再生制動試驗臺總布置

圖1中虛線框中部分即為試驗臺系統(tǒng)組成部件及控制單元。試驗臺系統(tǒng)包括發(fā)動機、發(fā)電機、電動機和蓄電池組等動力組成部件及各自控制單元，以及行星齒輪機構(gòu)、減速機構(gòu)、制動系統(tǒng)、驅(qū)動輪、底盤測功機及加載裝置等部分。

2 試驗臺工作原理

再生制動是一種使用在電動汽車上特有的制動技術(shù)[12-13]，其系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 再生制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

在制動期間電動機的轉(zhuǎn)子被驅(qū)動輪帶動旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電能及車輪制動轉(zhuǎn)矩，將汽車運行中的動能部分轉(zhuǎn)化為電能，并對蓄電池組充電，實現(xiàn)能量回收，同時達到降低車速目的。

試驗臺系統(tǒng)的組成部件(即圖1中虛線框中部分)安裝在可移動的試驗臺架上，作為動力源的發(fā)動機、電動機通過行星齒輪機構(gòu)將動力傳遞給減速機構(gòu)，經(jīng)半軸傳遞給驅(qū)動輪，并經(jīng)作為模擬道路路面的底盤測功機轉(zhuǎn)鼓輸出動力。采用底盤測功機的固定裝置對試驗臺進行固定。

圖1為基于少模光纖耦合的前置光放大空間光通信系統(tǒng)示意圖(直接探測)，接收光學(xué)系統(tǒng)可以等效為焦距為f、直徑為D的薄透鏡.理想情況下，被調(diào)制的空間光經(jīng)過無像差的理想接收光學(xué)天線匯聚到后焦面形成艾里斑，光能量耦合入放置在后焦面位置的少模光纖纖芯中，經(jīng)光纖送入少模前置光放大器，最后通過多模光纖進入雪崩光電二極管(Avalanche Photodiode，APD)探測器.各模式傳輸信息相同，模間串?dāng)_可忽略.

進行再生制動試驗時，起動再生制動試驗臺，踩下油門踏板，使其工作在設(shè)定速度，根據(jù)設(shè)定的制動強度踩下制動踏板制動，通過數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)進行電池SOC、制動轉(zhuǎn)矩等參數(shù)測試。

3 試驗臺數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)

試驗臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用AVL公司的底盤測功機等設(shè)備來采集車速、轉(zhuǎn)矩等信號，并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，傳遞給主控計算機。試驗臺控制系統(tǒng)采用實時性強、可靠性高的dSPACE系統(tǒng)[14-15]。

3.1 底盤測功機系統(tǒng)

汽車底盤測功機測試準(zhǔn)確度高，可對多種實際道路工況進行模擬。

試驗前，在底盤測功機上連接并固定好試驗臺，將底盤測功機設(shè)定為“道路模擬狀態(tài)”模式，根據(jù)試驗臺重量等參數(shù)設(shè)定試驗臺的各行駛阻力，結(jié)合GB18352.3—2005標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定底盤測功機的道路阻力系數(shù)。

試驗中，將底盤測功機上的力矩傳感器和轉(zhuǎn)鼓上的速度傳感器采集的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速信號發(fā)送給控制器，控制器將信號傳輸?shù)街骺赜嬎銠C中進行顯示。

3.2 dSPACE系統(tǒng)

dSPACE實時控制系統(tǒng)用來加載不同的再生制動控制策略。

電動機通過傳感器將轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、電流和電壓等信號傳送給電動機控制器。蓄電池組通過傳感器將電流、電壓、SOC值和溫度等信號傳送給蓄電池管理系統(tǒng)。dSPACE通過控制接口及CAN通信接收蓄電池管理系統(tǒng)、電動機控制器的信號，經(jīng)運算后將指令發(fā)送到電動機控制器，完成對電動機的控制。

速度傳感器將驅(qū)動輪上的速度信號、壓力傳感器將制動系統(tǒng)的制動液壓力信號傳送給制動系統(tǒng)控制器，通過計算經(jīng)控制接口再傳送給dSPACE，dSPACE的實時控制器輸出PWM信號，并用于控制制動系統(tǒng)高速開關(guān)閥，實時調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)內(nèi)的壓力，從而完成對制動系統(tǒng)的控制。

4 試驗臺加載裝置

試驗臺加載裝置的整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1. 固定支架一；2. 固定支架二；3. 螺旋絲杠；4. 臺架；5.臺架連接件；6. 控制單元面板；7. 地面連接件；8. 制動系統(tǒng)9. 動力總成；10. 驅(qū)動輪；11. 底盤測功機轉(zhuǎn)鼓;12. 地面 圖3 試驗臺加載裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖

試驗臺加載裝置由固定支架一、固定支架二、地面連接件、臺架連接件及螺旋絲杠等組成。加載裝置所連接的再生制動試驗臺系統(tǒng)由臺架、控制單元面板、制動系統(tǒng)、動力總成、驅(qū)動輪、底盤測功機轉(zhuǎn)鼓及安裝在控制單元面板內(nèi)的控制系統(tǒng)組成。

加載裝置工作時，通過旋轉(zhuǎn)螺旋絲杠帶動固定支架二上下移動，固定支架二再通過臺架連接件帶動臺架上下移動，進而帶動施加到驅(qū)動輪上負載大小的變化，從而彌補試驗臺相對實車部件不全而帶來的驅(qū)動輪載荷與實車不符的實際。

5 電動機驅(qū)動系統(tǒng)模型

混合動力汽車再生制動中驅(qū)動電動機作為發(fā)電機，制動轉(zhuǎn)矩越大、回收的制動能量也越多[9]。電動機具有中、高轉(zhuǎn)速恒功率，以及中、低轉(zhuǎn)速恒轉(zhuǎn)矩的特征，即

(1)

式中：Treg為電動機再生制動轉(zhuǎn)矩，TN為電動機額定轉(zhuǎn)矩，PN為電動機額定功率，n為電動機轉(zhuǎn)速，nN為電動機額定轉(zhuǎn)速。

電動機的發(fā)電能量表達式為

(2)

式中：Pm為電動機發(fā)電功率，其表達式為

Pm=Te·ω·ηm.

(3)

式中：Te為電動機實際再生制動轉(zhuǎn)矩，ω為電動機旋轉(zhuǎn)角速度，ηm為電動機發(fā)電效率。

6 再生制動試驗

試驗前，先起動底盤測功機，打開對中裝置，固定好試驗臺，連接dSPACE系統(tǒng)，把再生制動控制策略等程序編譯下載到dSPACE中，并運行Control Desk軟件。

起動試驗臺系統(tǒng)，將CVT檔位設(shè)置為D檔，踩油門踏板將車速提升到設(shè)定的速度(如50 km/h)后松開，踩制動踏板使制動強度z保持在設(shè)定值(如0.1)，直到停止為止，記錄試驗數(shù)據(jù)，主要有驅(qū)動輪制動力、電動機再生制動轉(zhuǎn)矩和電池SOC值等。

將所得到的試驗結(jié)果進行擬合處理，得到車速在50 km/h，制動強度為0.1條件下的驅(qū)動輪制動力、電機再生制動轉(zhuǎn)矩和電池SOC值隨時間變化的曲線，如圖4所示。

由圖4可知：當(dāng)踩下制動踏板時，驅(qū)動輪制動力和電機轉(zhuǎn)矩先是增大，然后逐漸減小，而電池SOC值由于制動能量再生而升高，SOC值從0.670 8升到0.674 9，驗證了試驗臺系統(tǒng)的制動能量再生情況。

圖4 50 km/h車速下z=0.1的試驗結(jié)果

7 結(jié) 論

1)研制的可移動式再生制動試驗臺，具有結(jié)構(gòu)簡單、布置緊湊及連接方便的特點。

2)設(shè)計的加載裝置能模擬一定質(zhì)量范圍內(nèi)的實車重量。

3)集成底盤測功機和dSPACE系統(tǒng)分別作為實際道路模擬、數(shù)據(jù)采集及實時控制系統(tǒng)更加符合實車道路工況，更方便施加再生制動控制策略。

4)經(jīng)再生制動試驗驗證，研制的試驗臺能夠進行再生制動能量回收測試。