樓狄明 張子駿 徐寧 趙成志 仲益梅

（同濟(jì)大學(xué)，上海 201804）

主題詞：增程式電動(dòng)汽車 半實(shí)物仿真平臺(tái) 虛擬測(cè)試系統(tǒng)

1 前言

增程式電動(dòng)汽車采用不同能量管理策略對(duì)動(dòng)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(jì)算機(jī)仿真、半實(shí)物測(cè)試及實(shí)車試驗(yàn)等不同方式[3-4]。相比之下，半實(shí)物測(cè)試避免了計(jì)算機(jī)仿真不能實(shí)時(shí)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(diǎn)[5]，可快速對(duì)能量管理策略編寫、修改、調(diào)試與優(yōu)化，避免實(shí)車試驗(yàn)時(shí)零件試制成本高、不能實(shí)時(shí)修改優(yōu)化、開發(fā)流程長等缺點(diǎn)。因此，半實(shí)物測(cè)試對(duì)車輛開發(fā)具有重大意義，搭建半實(shí)物平臺(tái)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(shí)物平臺(tái)搭建，并在半實(shí)物平臺(tái)基礎(chǔ)上集成多種測(cè)試設(shè)備，構(gòu)成完善的虛擬測(cè)試系統(tǒng)。利用所搭建的虛擬測(cè)試系統(tǒng)對(duì)某12 m長增程式客車進(jìn)行了循環(huán)測(cè)試，驗(yàn)證了測(cè)試系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)基于該虛擬測(cè)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(dòng)汽車VCU需要具備如下功能：

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

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

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

表1為VCU需要采集和傳遞的信號(hào)。

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(jì)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(hào)。實(shí)際使用時(shí)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(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)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(jī)通訊時(shí)采用CANopen協(xié)議，通訊信息包括目標(biāo)需求轉(zhuǎn)矩、實(shí)際計(jì)算轉(zhuǎn)矩、實(shí)際測(cè)試轉(zhuǎn)速等；VCU與發(fā)動(dòng)機(jī)通訊時(shí)采用J1939通訊協(xié)議，通訊信息包括發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、冷卻液溫度及起動(dòng)狀態(tài)等；VCU與SCR系統(tǒng)通訊時(shí)也采用J1939通訊協(xié)議，采集位于SCR后端的NOx傳感器信號(hào)，并增加NOx傳感器及NH3分析儀，分別采集SCR前端NOx信號(hào)和SCR后端NH3泄漏量。

3 增程器半實(shí)物平臺(tái)

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(shí)物)，并通過VCU集成后形成半實(shí)物平臺(tái)。其中，增程器為實(shí)物，驅(qū)動(dòng)電機(jī)、傳動(dòng)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(jī)由圖4所示電力測(cè)功機(jī)代替，并在電機(jī)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(shí)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(dòng)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(dòng)電機(jī)模型根據(jù)試驗(yàn)實(shí)測(cè)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(dòng)力學(xué)模型

基于Mototron快速開發(fā)原型，對(duì)搭建的模型配置I/O口，并進(jìn)行編譯及生成自動(dòng)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(shí)現(xiàn)功率需求計(jì)算、能量分配和增程器動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制等功能。搭建的半實(shí)物平臺(tái)見圖6。

圖6 半實(shí)物平臺(tái)示意

4 虛擬測(cè)試系統(tǒng)

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

油耗測(cè)試設(shè)備主要為同圓瞬態(tài)油耗儀，用于測(cè)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(cè)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(shí)物平臺(tái)信號(hào)，采集的虛擬信號(hào)包括車速、動(dòng)力電池SOC、電流、電壓、電功率、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩等；實(shí)際信號(hào)則有增程器飛輪端轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、柴油機(jī)冷卻水水溫、柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、NOx濃度、NH3濃度等。

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

圖7 扭矩計(jì)及測(cè)試示意

組建完成的增程式電動(dòng)汽車虛擬測(cè)試系統(tǒng)如圖8所示。

虛擬測(cè)試系統(tǒng)工作原理為：當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，根據(jù)道路工況、駕駛員模型、整車及相應(yīng)部件模型等計(jì)算出動(dòng)力總成運(yùn)行所需參數(shù)，如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩等；然后VCU根據(jù)動(dòng)力總成系統(tǒng)的實(shí)際需要，將數(shù)字信號(hào)分別轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)、開關(guān)信號(hào)和模擬信號(hào)，發(fā)送給動(dòng)力總成系統(tǒng)；目標(biāo)動(dòng)力總成控制系統(tǒng)接收到這些信號(hào)后開始進(jìn)入工作狀態(tài)，同時(shí)產(chǎn)生噴油器或電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，利用INCA和ValueCAN3等設(shè)備采集這些驅(qū)動(dòng)信號(hào)后傳遞給數(shù)學(xué)模型，數(shù)學(xué)模型根據(jù)這些信號(hào)計(jì)算并調(diào)整輸出參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)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(dòng)汽車虛擬測(cè)試系統(tǒng)組成

5 測(cè)試系統(tǒng)驗(yàn)證及應(yīng)用

采用所搭建的虛擬測(cè)試系統(tǒng)對(duì)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(cè)試，并與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證虛擬測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。圖9為計(jì)算機(jī)仿真與測(cè)試系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，包括車速、電池SOC、APU輸出功率、發(fā)動(dòng)機(jī)油耗等瞬態(tài)變化。

圖9 試驗(yàn)測(cè)試與仿真結(jié)果對(duì)比

由圖9可看出，虛擬測(cè)試系統(tǒng)所測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果變化規(guī)律一致。其中，仿真車速與測(cè)試車速完全一致，SOC、APU輸出功率基本吻合。由于試驗(yàn)測(cè)試時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)由電機(jī)倒拖起動(dòng)，因而APU輸出功率在起動(dòng)時(shí)均為負(fù)值，因此與計(jì)算機(jī)仿真略有不同。仿真與試驗(yàn)測(cè)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(cè)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(jì)算機(jī)仿真略高，且試驗(yàn)測(cè)試時(shí)采用電機(jī)倒拖起動(dòng)，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(jī)過程。此外，還存在電機(jī)調(diào)速導(dǎo)致需求功率與實(shí)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(cè)試與仿真結(jié)果存在一定差異，但差異很小，表明虛擬測(cè)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(dòng)態(tài)特性好。

另外，由于計(jì)算機(jī)仿真難以搭建SCR溫度模型、氨存儲(chǔ)模型，所以無法模擬增程器排放特性，而采用集成了排放測(cè)試設(shè)備的虛擬測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)?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(cè)試系統(tǒng)對(duì)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(cè)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?？梢?，虛擬測(cè)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(yàn)條件。

圖10 NOx排放量和NH3泄漏量測(cè)試結(jié)果

6 結(jié)束語

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