基于能量等效和加速度等效的电动汽车电惯量的模拟

查鸿山;刘亢

【摘 要】为在电动汽车前期设计开发阶段，就能够测试和评估车辆的能耗，提出基于能量等效和加速度等效的两种电动汽车电惯量模拟方法。运用加速度等效的电惯量模拟原理，采用时间修正和转矩修正两种方式，对电惯量模拟台架进行转速补偿，以弥补台架模拟与车辆消耗的能量差。通过理论论证及仿真，并进行混合惯量台架试验，对比这两种方法的加速度和能量模拟效果。加速度等效电惯量模拟方法适用于电动汽车传动系统动力性测试，而本文提出的能量等效电惯量模拟方法更适用于以能量转换为重点的测试。因而，可综合采用两种方法模拟电动汽车在加速工况下的动力性和能耗特性。%Two electrical-inertia-simulation methods were proposed based on acceleration equivalent and based on energy

equivalent respectively to test and evaluate the energy consumption in the early stages of development of the electric vehicles. According to the principle of acceleration equivalent simulation, either time correction or torque correction was adapted to compensate the energy difference between bench simulation and vehicle consumption. Two methods for electrical inertia simulation, the energy equivalent and the equivalent acceleration, were compared to their advantages and applied ifelds by theoretical analysis and simulation testing. The results show that the acceleration equivalent method is suitable for the dynamic performance test, and the proposed energy equivalent method is more suitable for the test of energy consumption. Therefore, the combination of the two inertia

simulation methods can be used to simulate the dynamic performance and energy consumption characteristics of the electric vehicles. 【期刊名称】《汽车安全与节能学报》 【年(卷),期】2016(007)002 【总页数】6页(P230-235)

【关键词】电动汽车;能耗测试;电惯量模拟;转速补偿 【作 者】查鸿山;刘亢

【作者单位】广汽集团 汽车工程研究院，广州511400，中国;广汽集团 汽车工程研究院，广州511400，中国 【正文语种】中 文 【中图分类】U469.72

汽车是一个大惯量系统。汽车惯量对车辆的制动、加速性能有直接的影响，并进一步影响车辆的操纵性稳定性。目前国内外的汽车惯性试验台大部分仍然采用机械惯量模拟方式，即用大惯量的飞轮组合来模拟车辆运动惯量，这种方法技术成熟、控制简单，但由于飞轮质量固定、设计加工困难、安装调节不便，此方法难以模拟汽车惯量的连续变化，且容易出现“过试验”和“欠试验”的情况，导致试验准确性变差。

测试台架电惯量模拟(electrical inertia simulation, EIS)是近年来发展起来的一门新技术，在汽车制动器惯性台架[1]、汽车同步器试验台[2-3]、汽车底盘测功机[4]、电动汽车动力试验台[5-6]等领域得到了广泛应用。国外一些大的公司尤其是制动器试验设备常见如美国林科(LINK)[7]、德国申克(Schenck)和Krauss等公司早在

20世纪90年代就已经开始了电惯量模拟的研究。其中美国林克公司推出的LINK3900型NVH汽车制动器惯量试验台以及德国Krauss公司生产的克劳斯试验机是目前国际上制动器性能检测的权威设备，已在市场上得到广泛认可，但少有研究文献公开发表。

国内许多高校、科研单位对电惯量模拟技术进行了研究。东南大学张为公等发表了《汽车台架试验系统机械惯量电模拟方法》、《汽车同步器试验系统机械惯量电模拟研究与实现》[8-9]，在国内较早提出惯量电模拟技术在汽车台架试验中应用，其通过分析试验台调速系统的动力系统方程和数学模型，在理论上论证了可以通过控制调速器转速环和电流环实现电惯量模拟;重庆大学的盛朝强等通过对试验台架机械惯量数学模型的分析[10-11]，提出了用控制算法控制电动机，用电惯量模拟机械式惯量盘的惯量，使得电惯量试验台架加速度同机械惯量试验台架一致;中国科学院合肥智能机械研究所研发的汽车制动器惯性试验台，集成了多级机械飞轮组、可编程逻辑控制器(programmable logic controller, PLC)、惯量模拟电机、制动管路压力控制及数据采集等多个子系统，形成了功能相对完善的制动器电惯量模拟解决方案。

以上理论或方案聚焦于通过电惯量模拟使台架试验系统与模拟测试汽车的加速度一致，可以称之为基于加速度等效的转速补偿电惯量模拟(acceleration equivalent electrical inertia simulation, AEEIS)，主要考察汽车的动力特性，是制动器台架测试中常用的惯量模拟方法。对于电动汽车，台架测试中除了考虑动力性能外，车辆经济性也是台架测试需要测试的重要项目。

但基于加速度等效的电惯量模拟法无法准确考察电动汽车能耗这一关键指标，因此本文在对AEEIS进行理论分析的基础上，提出了一种基于能量等效的电惯量模拟(energy equivalent electrical inertia simulation, EEEIS)，通过对试验台架转速进行修正，补偿台架模拟与车辆的消耗的能量差，以在前期设计开发阶段评估车辆

的能耗特性。

不考虑台架增加的惯性飞轮组，电惯量模拟试验台的结构可简化为图1所示;被测驱动电机及负载电机受力分析如图2所示;理想惯量台架、纯机械惯量台架、混合惯量台架等3种惯性台架主轴受力图，见图3。

若令Tm为驱动转矩，TL为负载转矩，TB为系统转动摩擦转矩，I为系统惯量，t为惯量模拟运行时间，则惯性台架系统的机械运动方程为

减速时，理想惯性台架(不考虑摩擦)的主轴受力如图3a。若令ω为主轴角速度，TL的方向与转速方向相反，则惯性台架系统的机械运动方程为

纯机械惯量惯性台架主轴受力如图3b所示，TB方向与主轴转速方向相反。主轴受力机械运动方程为

对于采用机械惯量和电惯量混合模拟的制动器惯性台架，与机械惯量台架相比，增加了电机补偿转矩Te，当安装的机械惯量小于试验等效惯量时(I＞Im+I0)，电机补偿力矩Te方向如图3c所示。若令I0为台架自身转动惯量，IM为台架安装飞轮机械惯量，则主轴受力机械运动方程为

对于基于加速度等效的电惯量模拟(AEEIS)，混合惯量模拟时应保证加速度相等，即 亦即

以上即为AEEIS的基本原理，其通过增加电机补偿转矩Te，补偿了台架模拟与车辆的惯量差，使两系统的运动加速度保持一致。

电惯量模拟(EEIS)保证了系统动力性的相似性，即在模拟试验中被模拟整车和台架试验系统加速度的一致性，但是无法保证消耗或吸收能量的一致性。对于能量等效的电惯量模拟法(AEEIS)试验系统，不计台架模拟转矩损失，采用恒转矩模拟产生的能量差为

当模拟电惯量较大时，即混合惯量模拟时电惯量所占比重较大时，依据加速度一致

性的力矩补偿进行惯量模拟会造成较大的模拟能量误差，对于电惯量模拟(EEEIS)方法，要求补偿由于恒扭矩惯量模拟产生的能量差。因台架机械惯量相对固定，只有对转速进行修正，方可补偿上述能量差。

根据转速补偿方向，将转速补偿分为上端补偿、下端补偿和双端补偿。不计摩擦损失，以车辆加速过程为例，对不同转速补偿解释如下:

1) 上端补偿：台架与被模拟车辆初速度一致，但末速度不一致。不计摩擦损失，令为台架补偿结束速度，则要求满足: 由上式可求得补偿结束速度为

2) 下端补偿：台架与被模拟车辆初速度不同，但末速度相等。 3) 双端补偿：

基于能量等效的转速补偿在实现方式上，可以采用时间修正法或转矩修正法。以转速上端补偿法为例，对这2种修正方法解释如下:

1) 时间修正法：保持台架加速度和被模拟对象加速度一致，转矩依公式(6)求得，但台架模拟时间改变。恒转矩为:

2) 转矩修正法：加速度改变，模拟运行时间不变，即通过修正转矩实现惯量模拟加速度的改变。

以某纯电动汽车为分析对象，此车型具备制动能量回收功能，以图4所示新欧洲行驶工况(new european driving cycle，NEDC)工况即GB-T 18386-2005(电动汽车能量消耗率和续驶里程测试方法)[12]中规定的测试工况进行仿真分析。已知公司某型号电动汽车转换到驱动电机上的等效转动惯量为3.57 kg·m2，台架辨识惯量为0.26 kg·m2(不包括惯性飞轮)，在进行EEEIS惯量模拟时还需在台架上安装2 kg·m2的惯性飞轮(若不安装惯性飞轮，补偿转速将超过测试台架极限转速)。 3.1 AEEIS电惯量模拟仿真

NEDC工况下采用AEEIS模拟策略。图5为其中一个市区工况下的AEEIS模拟转

矩，图中三条曲线分别为电动汽车电机驱动转矩、台架电惯量模拟补偿转矩、采用AEEIS模拟最后施加在台架上的转矩。图6中3条曲线为NEDC工况下电动汽车电机驱动转矩、台架电惯量模拟补偿转矩、采用AEEIS模拟最后施加在台架上的转矩。图7中3条曲线为NEDC工况下电动汽车消耗能量、台架电惯量模拟消耗能量、两系统消耗能量差。 3.2 EEEIS电惯量模拟仿真

NEDC工况下采用EEEIS模拟策略，分别用转矩修正和时间修正来进行模拟测试。采用转矩修正的台架惯量模拟测试中，其修正前后转速曲线相同。

转矩曲线如图8所示;采用时间修正的台架惯量模拟测试中，其修正前后转速曲线如图9所示;转矩曲线如图10所示。 4.3 AEEIS与EEEIS电惯量模拟仿真结果分析

对比AEEIS和EEEIS两种电惯量模拟法在NEDC工况下的仿真结果，AEEIS电惯量模拟通过力矩补偿实现台架模拟与被模拟车辆动力性能的一致性，即加速或制动过程加速度的一致性。而EEEIS台架电惯量模拟法通过转速补偿，可实现台架模拟与车辆在不同工况下能量的一致性，为电动汽车工况模拟台架测试能效等效测试提供了一种解决思路。

但无论是AEEIS还是EEEIS电惯量模拟法都不能同时保证台架惯量模拟和被模拟对象加速或减速过程加速度和能量的完全一致。

1) 台架电惯量模拟采用AEEIS或者EEEIS，决定于测试目的。对于传动系统动力性测试，应采用AEEIS;对于能量转换为重点的测试，则应该采用EEEIS法。也可依次采用AEEIS和EEEIS电惯量模拟法，分别模拟电动汽车在加速工况下的动力性和能耗特性。

2) 为保证台架补偿转速不超过台架极限转速，EEEIS需采用复合惯量模拟的办法，即采用机械飞轮模拟大部分的机械惯量，采用电惯量模拟法补偿飞轮惯量级差。

3) 电惯量模拟可用于小惯量补偿模拟，可以用于弥补机械飞轮组惯量组合间的级差。如用电惯量模拟较大的机械惯量，会造成系统“失真”增大，影响惯量模拟测试效果。

【相关文献】

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