樓狄明 張子駿 徐寧 趙成志 仲益梅

（同濟大學(xué)，上海 201804）

主題詞：增程式電動汽車 半實物仿真平臺 虛擬測試系統(tǒng)

1 前言

增程式電動汽車采用不同能量管理策略對動力電池壽命、整車能耗和排放影響很大[1-2]，而研究能量管理策略可采用計算機仿真、半實物測試及實車試驗等不同方式[3-4]。相比之下，半實物測試避免了計算機仿真不能實時反映車輛狀態(tài)、無法研究不同后處理裝置減排效果等缺點[5]，可快速對能量管理策略編寫、修改、調(diào)試與優(yōu)化，避免實車試驗時零件試制成本高、不能實時修改優(yōu)化、開發(fā)流程長等缺點。因此，半實物測試對車輛開發(fā)具有重大意義，搭建半實物平臺可滿足不同能量管理策略下油耗及排放特性等研究的需要。

本文進(jìn)行了整車控制器(Vehicle Control Unit,VCU)選型、通訊配置和半實物平臺搭建，并在半實物平臺基礎(chǔ)上集成多種測試設(shè)備，構(gòu)成完善的虛擬測試系統(tǒng)。利用所搭建的虛擬測試系統(tǒng)對某12 m長增程式客車進(jìn)行了循環(huán)測試，驗證了測試系統(tǒng)的可靠性。同時基于該虛擬測試系統(tǒng)分析了該客車在恒溫器式能量管理策略下NH3泄漏情況和NOx排放特性。

2 整車控制器選型及其通訊配置

2.1 整車控制器選型

增程式電動汽車VCU需要具備如下功能：

a.需要進(jìn)行常用信號的采集和發(fā)送，如與柴油機、后處理SCR系統(tǒng)、發(fā)電機控制器的CAN通訊以及輸出油門踏板模擬電壓信號給柴油機ECU等；

b.需要完成整車模型及不同策略下能量分配的計算，因此需具備較高的數(shù)字運算能力[6]；

c.需具備多種信號類型的接口，以實現(xiàn)與轉(zhuǎn)速、溫度、扭矩傳感器頻率等信號采集模塊的通訊，便于故障檢測及發(fā)電功率計算。

表1為VCU需要采集和傳遞的信號。

基于上述需求，選用WOODWORD公司的Moto?hawk control solutions快速原型開發(fā)系統(tǒng)，其中VCU開發(fā)板采用Freescale MPC565 56MHz微處理器，內(nèi)存為1M Flash、548K RAM，計算能力滿足需求；支持標(biāo)準(zhǔn)和拓展ID，支持串口通訊，數(shù)據(jù)接口豐富。該VCU開發(fā)板雖基本滿足需求，但只有一路繼電器，缺乏多路繼電器開關(guān)控制模塊和模擬電壓輸出模塊，為此需進(jìn)行模塊拓展。

采用支持RS485串口通訊的多路繼電器開關(guān)輸出模塊（圖1）進(jìn)行模塊拓展。利用PWM轉(zhuǎn)電壓模塊（圖2）輸出模擬電壓，將占空比轉(zhuǎn)化為0～5 V電壓信號。實際使用時通過串聯(lián)大阻值電阻進(jìn)行雙路電壓模擬，圖3為所模擬的加速踏板電壓。

圖1 外置繼電器模塊

圖2 PWM轉(zhuǎn)電壓模塊

圖3 模擬油門踏板電壓

2.2 通訊配置

VCU與各部件之間的通訊方式采用CAN通訊和RS485通訊，VCU與發(fā)動機、發(fā)電機及SCR系統(tǒng)通訊為CAN通訊，與外置繼電器模塊的通訊為RS485通訊。VCU與發(fā)電機通訊時采用CANopen協(xié)議，通訊信息包括目標(biāo)需求轉(zhuǎn)矩、實際計算轉(zhuǎn)矩、實際測試轉(zhuǎn)速等；VCU與發(fā)動機通訊時采用J1939通訊協(xié)議，通訊信息包括發(fā)動機轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、冷卻液溫度及起動狀態(tài)等；VCU與SCR系統(tǒng)通訊時也采用J1939通訊協(xié)議，采集位于SCR后端的NOx傳感器信號，并增加NOx傳感器及NH3分析儀，分別采集SCR前端NOx信號和SCR后端NH3泄漏量。

3 增程器半實物平臺

VCU選型及通訊配置完成后，進(jìn)行其它部件建模(虛擬部件)或選型(實物)，并通過VCU集成后形成半實物平臺。其中，增程器為實物，驅(qū)動電機、傳動系統(tǒng)、整車、駕駛員、道路工況等為虛擬模型。

增程器中永磁發(fā)電機由圖4所示電力測功機代替，并在電機控制模型中通過最大轉(zhuǎn)矩限制和效率MAP修正以保證替代后的準(zhǔn)確性。

圖4 增程器實物

采用AVL Cruise與Simulink聯(lián)合前向建模，駕駛員模型、循環(huán)工況模型及整車動力學(xué)模型（圖5）在AVL Cruise中搭建，整車能量管理策略模型在Simulink中搭建。其中，驅(qū)動電機模型根據(jù)試驗實測數(shù)據(jù)建模；磷酸鐵鋰電池模型采用串聯(lián)RC模型。

圖5 整車動力學(xué)模型

基于Mototron快速開發(fā)原型，對搭建的模型配置I/O口，并進(jìn)行編譯及生成自動代碼，刷寫至VCU，再基于CAN的標(biāo)定協(xié)議進(jìn)行標(biāo)定[7]，進(jìn)而通過VCU實現(xiàn)功率需求計算、能量分配和增程器動態(tài)協(xié)調(diào)控制等功能。搭建的半實物平臺見圖6。

圖6 半實物平臺示意

4 虛擬測試系統(tǒng)

在半實物平臺基礎(chǔ)上集成多種測試設(shè)備組成虛擬測試系統(tǒng)，需要集成的測試設(shè)備包括測量油耗及排放的測試設(shè)備、扭矩計、轉(zhuǎn)速采集設(shè)備等。

油耗測試設(shè)備主要為同圓瞬態(tài)油耗儀，用于測試瞬態(tài)油耗質(zhì)量流量；排放設(shè)備包括OBS 2000、TSI EEPS 3090和NH3分析儀ECM5200，分別測量THC、NOx、CO2、CO等氣態(tài)物體積濃度、超細(xì)顆粒數(shù)量及粒徑分布和NH3體積濃度。

另外，通過ValueCAN3和INCA采集半實物平臺信號，采集的虛擬信號包括車速、動力電池SOC、電流、電壓、電功率、發(fā)電機轉(zhuǎn)矩等；實際信號則有增程器飛輪端轉(zhuǎn)速、發(fā)電機轉(zhuǎn)速、柴油機冷卻水水溫、柴油機轉(zhuǎn)速、NOx濃度、NH3濃度等。

為檢測柴油機與發(fā)電機間轉(zhuǎn)矩在切換過程中的瞬態(tài)變化并準(zhǔn)確計算發(fā)電功率，增加圖7所示扭矩計。扭矩計采用T40B扭矩法蘭，精度為±0.05%。

圖7 扭矩計及測試示意

組建完成的增程式電動汽車虛擬測試系統(tǒng)如圖8所示。

虛擬測試系統(tǒng)工作原理為：當(dāng)系統(tǒng)運行時，根據(jù)道路工況、駕駛員模型、整車及相應(yīng)部件模型等計算出動力總成運行所需參數(shù)，如發(fā)動機轉(zhuǎn)速、電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩等；然后VCU根據(jù)動力總成系統(tǒng)的實際需要，將數(shù)字信號分別轉(zhuǎn)換成頻率信號、開關(guān)信號和模擬信號，發(fā)送給動力總成系統(tǒng)；目標(biāo)動力總成控制系統(tǒng)接收到這些信號后開始進(jìn)入工作狀態(tài)，同時產(chǎn)生噴油器或電機的驅(qū)動信號，利用INCA和ValueCAN3等設(shè)備采集這些驅(qū)動信號后傳遞給數(shù)學(xué)模型，數(shù)學(xué)模型根據(jù)這些信號計算并調(diào)整輸出參數(shù)，從而實現(xiàn)測試系統(tǒng)閉環(huán)控制，提高系統(tǒng)的自適應(yīng)性。

圖8 增程式電動汽車虛擬測試系統(tǒng)組成

5 測試系統(tǒng)驗證及應(yīng)用

采用所搭建的虛擬測試系統(tǒng)對某12 m長增程式客車在恒溫器式能量管理策略下進(jìn)行循環(huán)測試，并與仿真結(jié)果進(jìn)行對比，以驗證虛擬測試系統(tǒng)測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。圖9為計算機仿真與測試系統(tǒng)試驗結(jié)果對比，包括車速、電池SOC、APU輸出功率、發(fā)動機油耗等瞬態(tài)變化。

圖9 試驗測試與仿真結(jié)果對比

由圖9可看出，虛擬測試系統(tǒng)所測數(shù)據(jù)與計算機仿真結(jié)果變化規(guī)律一致。其中，仿真車速與測試車速完全一致，SOC、APU輸出功率基本吻合。由于試驗測試時發(fā)動機由電機倒拖起動，因而APU輸出功率在起動時均為負(fù)值，因此與計算機仿真略有不同。仿真與試驗測得油耗分別為4.59 kg/h（34.42 L/100 km）和4.88 kg/h（36.55 L/100 km），誤差在6%以內(nèi)，這主要是由于測試循環(huán)下瞬態(tài)過程多，存在加速加濃等情況，造成整體油耗相比計算機仿真略高，且試驗測試時采用電機倒拖起動，而仿真過程未考慮倒拖過程中的電耗和油耗，也沒有考慮暖機過程。此外，還存在電機調(diào)速導(dǎo)致需求功率與實際功率存在偏差而導(dǎo)致油耗較高的可能，以上多種原因使虛擬系統(tǒng)測試與仿真結(jié)果存在一定差異，但差異很小，表明虛擬測試系統(tǒng)準(zhǔn)確可靠，且系統(tǒng)響應(yīng)速度快、準(zhǔn)確性高、動態(tài)特性好。

另外，由于計算機仿真難以搭建SCR溫度模型、氨存儲模型，所以無法模擬增程器排放特性，而采用集成了排放測試設(shè)備的虛擬測試系統(tǒng)進(jìn)行試驗?zāi)軌驕?zhǔn)確分析NOx、超細(xì)顆粒、NH3泄漏等排放規(guī)律并進(jìn)行優(yōu)化。仍采用虛擬測試系統(tǒng)對該增程式客車在恒溫器式能量管理策略下進(jìn)行了循環(huán)測試，排放結(jié)果如圖10所示，SCR前端排氣溫度約為328℃，采用SCR后NOx排放為0.013 8g/s（3.12 g/km），SCR后NOx排放量平均下降77.4%，全循環(huán)下NOx轉(zhuǎn)換效率較高，減排效果明顯。整體而言NH3泄漏量平均值為2.5×10-6，泄漏較少。可見，虛擬測試系統(tǒng)的搭建為今后不同能量管理策略研究及SCR控制策略優(yōu)化提供了試驗條件。

圖10 NOx排放量和NH3泄漏量測試結(jié)果

6 結(jié)束語

進(jìn)行了增程式電動汽車整車控制器選型、通訊配置和半實物平臺搭建，并在半實物平臺基礎(chǔ)上集成了多種測試設(shè)備，形成了完善的虛擬測試系統(tǒng)。采用所搭建的虛擬測試系統(tǒng)在中國典型城市公交車循環(huán)下對某12 m長增程式客車進(jìn)行了循環(huán)試驗，并將試驗結(jié)果與仿真結(jié)果對比證明了測試系統(tǒng)準(zhǔn)確可靠，為今后增程式電動汽車能量管理策略研究、排放規(guī)律分析提供了試驗條件。