電磁耦合式混合動力電動車輛動力合成箱測控平臺

　　應(yīng)用領(lǐng)域：

　　混合動力電動汽車試驗(yàn)室應(yīng)用

　　挑戰(zhàn)：

　　基于PXI設(shè)備和LabVIEW高效整合混合動力電動汽車試驗(yàn)室動力合成箱、電機(jī)試驗(yàn)臺架，動力電池測試設(shè)備等資源，優(yōu)化各平臺功能，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，FPGA 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)械離合器和手動變速箱，增加了雙電機(jī)、單行星排、動力伺服裝置、泵升單元和動力電池。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)速對應(yīng)的功率仍然以機(jī)械功率的形式輸出，即實(shí)現(xiàn)“動能透過”。通過對動能透過式發(fā)電機(jī)的控制，使整個動力系統(tǒng)的傳動比實(shí)現(xiàn)無級變化，即EMCVT功能。

　　1.2.2 電動機(jī)

　　電動機(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。電動機(jī)使發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩獨(dú)立于輸出軸轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩差為電動機(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。整個系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)和電動機(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變速的作用。

　　圖1 動力總成臺架原理圖

　　2．試驗(yàn)平臺

　　2.1動力總成臺架

　　2.1.1 驅(qū)動電機(jī)

　　驅(qū)動電機(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 電氣傳動系統(tǒng)

　　2.2.1 電機(jī)控制模塊

　　驅(qū)動電機(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。三臺變頻器共用直流母線，負(fù)載電機(jī)制動產(chǎn)生的再生能量通過直流母線可以為驅(qū)動電機(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)自動被識別，從而簡化了調(diào)試和診斷過程。

　　2.2.3 控制單元

　　CU320為整個電氣傳動系統(tǒng)的控制中心，擁有4個DRIVE-CLiQ端口，分別連接電機(jī)模塊、電源模塊、端子模塊、直接測量系統(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)每臺電機(jī)均采用SMC30 TTL/HTL增量式編碼器進(jìn)行轉(zhuǎn)速測量。它可以評估編碼器信號并發(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)

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

　　3．測控方案原理

　　3.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　測控系統(tǒng)采用PXI系統(tǒng)作為統(tǒng)一平臺，通過PXI-8430與CU320控制器進(jìn)行通信，控制兩臺負(fù)載電機(jī)和一臺驅(qū)動電機(jī)；采用PXI -8464與Digatron電池測試系統(tǒng)及動力合成箱控制器進(jìn)行通信，對其進(jìn)行監(jiān)控、控制與數(shù)據(jù)記錄。

　　圖2 測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　3.2 行駛阻力模擬控制

　　臺架試驗(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)測功機(jī)的勵磁電流，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)行自動試驗(yàn)過程。如通過駕駛功能系統(tǒng)和HCU控制混合動力整車動力系統(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)和用戶定義的對整車駕駛模擬系統(tǒng)進(jìn)行控制模擬的開環(huán)試驗(yàn)。