電磁耦合式混合動(dòng)力電動(dòng)車輛動(dòng)力合成箱測(cè)控平臺(tái)

應(yīng)用領(lǐng)域:

混合動(dòng)力電動(dòng)汽車試驗(yàn)室應(yīng)用

挑戰(zhàn):

基于PXI設(shè)備和LabVIEW高效整合混合動(dòng)力電動(dòng)汽車試驗(yàn)室動(dòng)力合成箱、電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架，動(dòng)力電池測(cè)試設(shè)備等資源，優(yōu)化各平臺(tái)功能，具有良好的可移植性和可擴(kuò)展性。為虛擬儀器構(gòu)架下車輛產(chǎn)品研發(fā)試驗(yàn)室改造提供解決方案。

使用的NI產(chǎn)品：

軟件：LabVIEW 8.6，Real-Time Module，F(xiàn)PGA Module，Control Design and Simulation Module，Database Connectivity Toolkit，Report Generation Toolkit，PID and Fuzzy Logic Control Toolkit，Internet Toolkit

硬件：PXI-1031機(jī)箱，PXI-8106，PXI-8464，PXI-8430，PXI-6225，PXI-5422，PXI-7833R

應(yīng)用方案：

1.研究對(duì)象介紹

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于電磁耦合技術(shù)的混合動(dòng)力合成箱方案如圖1 所示，它改變了傳統(tǒng)汽車的機(jī)械離合器和手動(dòng)變速箱，增加了雙電機(jī)、單行星排、動(dòng)力伺服裝置、泵升單元和動(dòng)力電池。強(qiáng)混合技術(shù)方案一般為混聯(lián)式，其主要優(yōu)點(diǎn)是發(fā)動(dòng)機(jī)一直運(yùn)行在最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行線上而不受輪邊負(fù)荷約束。

1.2 功能原理

1.2.1 發(fā)電機(jī)

圖1中汽油機(jī)的曲軸輸出端與發(fā)電機(jī)的外轉(zhuǎn)子相連，汽油機(jī)直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，輸出轉(zhuǎn)矩通過發(fā)電機(jī)進(jìn)行電功率分流。發(fā)電機(jī)使汽油機(jī)轉(zhuǎn)速獨(dú)立于和主減速器相連的輸出軸轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速差為發(fā)電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)速控制)。發(fā)電機(jī)在四象限力矩伺服系統(tǒng)的控制下，將伺服轉(zhuǎn)矩與其內(nèi)外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速差對(duì)應(yīng)的功率以電能的形式饋入高壓母線。伺服轉(zhuǎn)矩與發(fā)電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的功率仍然以機(jī)械功率的形式輸出，即實(shí)現(xiàn)“動(dòng)能透過”。通過對(duì)動(dòng)能透過式發(fā)電機(jī)的控制，使整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的傳動(dòng)比實(shí)現(xiàn)無級(jí)變化，即EMCVT功能。

1.2.2 電動(dòng)機(jī)

電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子與單排行星機(jī)構(gòu)的太陽輪相連，行星排的行星輪與外電機(jī)殼體固定，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩經(jīng)過行星機(jī)構(gòu)變化之后通過齒圈和電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行耦合，再通過主減速器輸出至車輪。行星排構(gòu)成的行星機(jī)構(gòu)的齒輪參數(shù)根據(jù)方案的需求進(jìn)行確定。電動(dòng)機(jī)使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩獨(dú)立于輸出軸轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩差為電動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩(轉(zhuǎn)矩控制)。

1.2.3 泵升單元

雙母線和泵升單元的作用是提高雙電機(jī)的工作電壓。整個(gè)系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)分別起到調(diào)速、調(diào)轉(zhuǎn)矩功能，使汽油機(jī)運(yùn)行點(diǎn)完全獨(dú)立于輪邊負(fù)荷且保持于經(jīng)濟(jì)環(huán)保高效區(qū)，同時(shí)起到電磁離合器和無級(jí)變速的作用。

圖1 動(dòng)力總成臺(tái)架原理圖

2.試驗(yàn)平臺(tái)

2.1動(dòng)力總成臺(tái)架

2.1.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)

驅(qū)動(dòng)電機(jī)為110kW的二極交流變頻電機(jī)，50Hz時(shí)的同步轉(zhuǎn)速為3000r/min，額定轉(zhuǎn)矩為350N·m;最高達(dá)到6000r/min(100Hz，50～100Hz為恒功率調(diào)速)。

2.1.2 負(fù)載電機(jī)

負(fù)載電機(jī)為75kW的十極交流變頻電機(jī)，50Hz時(shí)的同步轉(zhuǎn)速為750r/min，額定轉(zhuǎn)矩為1193N·m，最高達(dá)到2000r/min(166Hz，50～166Hz為恒功率調(diào)速)。

2.2 電氣傳動(dòng)系統(tǒng)

2.2.1 電機(jī)控制模塊

驅(qū)動(dòng)電機(jī)和負(fù)載電機(jī)使用SIEMENS變頻器調(diào)速系統(tǒng)，可以精確控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)和負(fù)載電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。變頻器主電路由整流(AC/DC)單元、直流回路和逆變(DC/AC)單元三部分組成。三臺(tái)變頻器共用直流母線，負(fù)載電機(jī)制動(dòng)產(chǎn)生的再生能量通過直流母線可以為驅(qū)動(dòng)電機(jī)所使用。

2.2.2 DRIVE-CLiQ

DRIVE-CLiQ可以將電機(jī)上的傳感器上的(電壓、電流和轉(zhuǎn)矩等)信號(hào)直接被傳送到控制單元中。電機(jī)和傳感器種類已經(jīng)自動(dòng)被識(shí)別，從而簡(jiǎn)化了調(diào)試和診斷過程。

2.2.3 控制單元

CU320為整個(gè)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的控制中心，擁有4個(gè)DRIVE-CLiQ端口，分別連接電機(jī)模塊、電源模塊、端子模塊、直接測(cè)量系統(tǒng)。配備8路數(shù)字量輸入通道和8路數(shù)字量輸入/輸出雙向通道。在通訊方面，擁有PROFIBUS總線端口和RS232/485端口(用于調(diào)試)。

2.3 增量式編碼器

在高性能的電機(jī)矢量控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制環(huán)節(jié)是必不可少的。本系統(tǒng)每臺(tái)電機(jī)均采用SMC30 TTL/HTL增量式編碼器進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)量。它可以評(píng)估編碼器信號(hào)并發(fā)送轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)子位置值;如有需要，電機(jī)溫度和參考點(diǎn)也可通過DRIVE-CLiQ傳到控制單元。

2.4電池模擬系統(tǒng)

在動(dòng)力合成箱的臺(tái)架實(shí)驗(yàn)中，Digatron的測(cè)試設(shè)備可以模擬混合動(dòng)力車用動(dòng)力電池，LabVIEW軟件通過CAN通訊對(duì)其進(jìn)行控制。

3.測(cè)控方案原理

3.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測(cè)控系統(tǒng)采用PXI系統(tǒng)作為統(tǒng)一平臺(tái)，通過PXI-8430與CU320控制器進(jìn)行通信，控制兩臺(tái)負(fù)載電機(jī)和一臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī);采用PXI -8464與Digatron電池測(cè)試系統(tǒng)及動(dòng)力合成箱控制器進(jìn)行通信，對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控、控制與數(shù)據(jù)記錄。

圖2 測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2 行駛阻力模擬控制

臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)，通過轉(zhuǎn)速傳感器、角加速度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)負(fù)載電機(jī)運(yùn)行的狀況，然后根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、角加速度以及軟件設(shè)定的行駛道路坡度、汽車各參數(shù)等計(jì)算出汽車行駛過程中所受到各種行駛阻力。各種阻力及其功率，再由LabVIEW編寫的行駛阻力加載控件，根據(jù)計(jì)算出來的理論行駛阻力和已經(jīng)由負(fù)載電機(jī)模擬的行駛阻力之間的差值，采用PID(外環(huán))控制方式來調(diào)節(jié)測(cè)功機(jī)的勵(lì)磁電流，從而來控制電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，使理論上的行駛阻力(或功率)和臺(tái)架試驗(yàn)所模擬的行駛阻力(或功率)趨于一致，起到實(shí)時(shí)模擬行駛阻力的作用。

3.3 試驗(yàn)過程管理

試驗(yàn)過程管理系統(tǒng)將協(xié)調(diào)所有模塊執(zhí)行自動(dòng)試驗(yàn)過程。如通過駕駛功能系統(tǒng)和HCU控制混合動(dòng)力整車動(dòng)力系統(tǒng)，雙負(fù)載電機(jī)系統(tǒng)可以模擬不同駕駛習(xí)慣的整車起步、加速、勻速、減速、滑行和制動(dòng)等行駛狀態(tài)。應(yīng)用LabVIEW RT系統(tǒng)定義試驗(yàn)內(nèi)容，包含由用戶定義的用于給定駕駛循環(huán)進(jìn)行模擬的死循環(huán)試驗(yàn)和用戶定義的對(duì)整車駕駛模擬系統(tǒng)進(jìn)行控制模擬的開環(huán)試驗(yàn)。

4.試驗(yàn)平臺(tái)功能特點(diǎn)

變頻器/逆變器：采用PXI-8430串口卡，數(shù)據(jù)交互協(xié)議為PROFIBUS協(xié)議。軟件兼容普通串口轉(zhuǎn)USB接口。

圖3 測(cè)功電機(jī)監(jiān)控界面

動(dòng)力電池測(cè)試設(shè)備：采用PXI-8464雙端口CAN卡，數(shù)據(jù)交互協(xié)議為CAN 2.0B協(xié)議。Digatron附帶的CAN通信功能更適合電池管理系統(tǒng)BMS的開發(fā)。軟件兼容周立功公司USB CANⅠ/Ⅱ兩種型號(hào)CAN接口卡。

圖4 動(dòng)力電池監(jiān)控見面

電控單元：采用PXI-8464雙端口CAN卡，監(jiān)控動(dòng)力合成箱控制器HCU、電機(jī)控制器MCU、發(fā)動(dòng)機(jī)控制器ECU，通訊協(xié)議為CAN 2.0B協(xié)議。軟件兼容周立功公司PCI-5121、PCI-9810、PCI-9820、USB CANⅠ/Ⅱ 五種型號(hào)CAN接口卡。

圖5 混合動(dòng)力總成CAN網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控界面

5.結(jié)論

(1)將多方通訊協(xié)議集成于統(tǒng)一平臺(tái)，不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)混合動(dòng)力總成系統(tǒng)各控制器信號(hào)的實(shí)時(shí)同步采集，而且實(shí)現(xiàn)了對(duì)臺(tái)架電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的同步監(jiān)控;利用LabVIEW開發(fā)的測(cè)控系統(tǒng)界面友好，操作、修改方便，易于擴(kuò)展和移植;利用LabVIEW提供的工具包大大縮短了本系統(tǒng)的開發(fā)周期與成本。

(2)測(cè)試系統(tǒng)現(xiàn)已應(yīng)用于電磁耦合動(dòng)力合成箱的關(guān)鍵部件基本性能測(cè)試以及動(dòng)態(tài)工況模擬試驗(yàn)，為其控制策略制定、參數(shù)優(yōu)化提供有價(jià)值的參考。并且，該系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于多種類型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車動(dòng)力總成系統(tǒng)的試驗(yàn)測(cè)試中。