电动汽车行驶工况虚实结合实验教学系统设计

熊 瑞, 王 春, 何洪文

(北京理工大学 机械与车辆学院, 北京 100081)

电动汽车行驶工况虚实结合实验教学系统设计

熊 瑞, 王 春, 何洪文

(北京理工大学 机械与车辆学院, 北京 100081)

为满足电动汽车行驶工况实验教学多样化的需求,结合北京理工大学实验教学实际情况,开发了一套虚实结合的电动汽车行驶工况实验教学系统。该系统综合了虚拟实验和实物实验的优势,虚拟实验部分主要在Matlab/Simulink软件平台上完成,实物实验部分依托测试设备完成。实验教学结果表明,该系统加深了学生对于车用工况的理解,有效提高了学生的工程实践能力。

电动汽车; 行驶工况； 实验教学； Matlab应用

北京理工大学培养专业学位硕士研究生的实验教学以培养学生的工程实践能力、创新能力和解决实际问题的综合能力为目标。随着专业学位硕士研究生招生人数的增加和对实验教学环节要求的不断提高,传统的以实物实验为主的实验教学环节存在的缺点逐渐凸显。首先,实物实验普遍受到实验教学课时数、学生人数等因素的制约,实验教学效果不令人满意；其次,车辆工程专业实验教学需要的部分实验设备投资大、实验设备体积和重量大,对实验场地的面积也有着较高要求[1-2]。新兴的虚拟实验虽然具有较低的实验成本、较小的时间和空间约束和高安全性等优势,但是其缺乏实物感,学生缺少对实际仪器、设备的实际动手操作,更重要的是虚拟实验不具备实物实验中的各类不确定干扰因素,不利于培养学生发现问题、解决问题的能力和创新能力[3]。由于实物实验和虚拟实验各自具有独特的优势和不足,因此,北京理工大学以培养专业学位研究生的工程素养和实践应用能力为出发点,依托电动车辆国家工程实验室的实验设备,结合专业学位硕士研究生教学实际,统筹建立一套虚实结合的实验教学系统具有十分重要的意义。

1 实验教学系统总体方案

通常情况下,电动汽车存在两种或多种动力源。由于储能系统的存在,可依托工况信息应用全局优化方法完成瞬时功率分配,以实现最大化节能[4]。行驶工况等是电动汽车相关课程的重要教学内容。

以往针对电动汽车行驶工况的教学主要以理论教学为主,学生对于电动汽车行驶工况的概念、组成、分类和实验并没有直观的感受。为此,基于实验室现有设备,融入虚实结合思想,设计了一套电动汽车行驶工况实验教学系统。该系统的虚拟部分主要在Matlab/Simulink软件中实现,实物部分主要由ARBIN BT-5HC-5V-100A动力电池充放电测试设备、惠普系列主工作站上位机和BTT-331C三层温度箱组成(见图1)。ARBIN BT-5HC-5V-100A动力电池充放电测试设备可对电池单体进行-100～+100 A的充放电测试,可对电流、电压和温度等重要数据采样并记录到上位机中。BTT-331C三层温度箱可实现箱体内-40～+150℃的温度设定,完成电池在不同温度下的性能测试。上位机主要用于测试数据的采集、实验程序的编译和实验过程的监控。

图1 实验教学系统(实物部分)

在本实验教学系统设计中,虚拟实验和实物实验两者是相互依存、相互补充和相互协同的关系。

实验教学系统虚拟部分实验工作可依托Matlab/Simulink平台展开,不需要其他硬件的支撑,也不受时间和空间的约束,可安排学生在课下完成。实验的目的是让学生从不同的切入点理解车辆行驶工况的概念、分类和特点等信息,并为以后的工况识别、工况预测等学习内容做铺垫[5]。虚拟部分实验步骤如下：

(1) 选取3个工况，分别代表车辆在高速、郊区和市区道路行驶的典型工况；

(2) 选取合适的车型，将速度信息转换为功率信息；

(3) 将功率信息转换为电流信息,并根据选取的电池参数等比例缩小。

实物实验部分需要在图1所示的系统中进行,该部分实验教学工作需要安排在课堂上完成。由于ARBIN测试系统有16个通道,若3名学生一组,可同时满足48名学生的实验工作。实验的目的是将上一步得到的工况信息在电池充放电系统中进行验证,并为后续的状态估计、算法验证等提供实验数据支撑。实物部分实验步骤如下：

(1) 将虚拟部分得到的工况信息转换为txt格式的文件存入主机相应文件夹；

(2) 在主机的Console软件上编译程序并调用步骤(1)的txt格式文件作为测试电流以模拟对应工况；

(3) 在主机的Data Watcher软件上实时监控,保存实验数据。

2 实验教学系统设计

2.1 虚拟部分

由于标准工况反映的是一个区域内大量车辆运行状况的平均水平,是一个具有普遍意义的统计样本,具有代表性。在此选用US06_HWY、CSHVR和UDDS工况,分别代表车辆行驶工况中的高速、郊区和市区3种主要道路条件的工况类型[6-7]。选用的车型是由北京理工大学电动车辆国家工程实验室研制的可充电式Midi电动汽车[8-9],其主要基本参数如下：

长×宽×高：4 388 mm×1 725 mm×1 768 mm

整备质量：1 320 kg

满载质量：1 845 kg

迎风面积A：2.53 m2

空气阻力系数CD：0.36

滚动阻力系数f：0.025

根据3种工况信息和经验公式得到电机功率Pm。

(1)

式中,ηT为传动效率,g为重力加速度，v为车速，a为加速度,δ为汽车旋转质量换算系数，m为汽车质量。速度和功率工况曲线如图2所示。选择的电池为某三元锂离子电池,标称容量为25 Ah,标称电压Un为3.7 V,电压范围为2.5～4.15 V。充放电电流I为

(2)

式中：Ns为测试电池组的串联数,Np并联数,测试电池系统采用先并后串成组方式。

2.2 实物部分

首先,将虚拟部分得到的工况信息txt文件存入主机的Arbinsoftware/MITS_PRO/Data文件夹以备调用。

其次,在上位机Console软件编写并加载以下内容的程序(在实验运行过程中,可使用Data Watcher软件进行实时数据监控)：

步骤1：静置2 h；

步骤2：调用并依据相应的工况信息txt文件对电池进行充放电以模拟相对应的行驶工况；

步骤3：静置5 min；

步骤4：循环次数增加1,如果总循环次数小于10,则返回Step2重新调用工况信息txt文件；

步骤5：静置5 min；

步骤6：以7.5 A的电流将剩余电量放光,直至电压等于2.5 V。

最后,待实验结束后将测试数据保存在电脑上,便于后续数据分析。

可以在不同温度下进行工况模拟实验,以研究温度因素对电池工况测试的影响[10]。温度设置有两种模式：一种是定值温度模式,也就是将温度始终保持在固定的温度值,如10 ℃、25 ℃、40 ℃,以测试电池在不同温度下的性能；另一种是交变温度模式,可将温度设定在10 ℃～40 ℃的范围内,不断周期性或非周期性地改变温度,模拟真实行驶过程中的动态环境。其中25 ℃下的UDDS工况虚拟实验结果如图3所示。

图2 速度和功率工况曲线图

图3 25 ℃下的UDDS工况虚拟实验曲线图

采用虚实结合的实验教学方式，可让学生综合运用所学知识，独立设计实验,并熟练操作测试设备完成预定实验,提高工程实践能力、创新能力和解决实际问题的综合能力。要求学生在进行实验之前掌握电动汽车行驶工况的基本概念和分类,然后寻找国内外典型工况并建立工况数据库,按照车速特征进行分类,进而在Matlab/Simulink平台上进行理论分析,灵活地完成虚拟部分的实验内容。在实物实验部分,学生通过实际动手连接电池、编写程序和操作测试设备等环节提高动手能力,并且对整个电动汽车行驶工况实验系统有了更为深刻的认识[11]。

3 结语

北京理工大学在电动汽车行驶工况实验教学中采取“课外虚仿、课内实做”“先仿后做、虚实结合”的方法,既通过虚拟实验降低了实物实验的消耗,深化了学生对工况的理解,又通过实物实验锻炼了学生的动手能力,巩固了学生的理论知识,取得了良好的实验教学效果[12],为车辆工程专业学位硕士研究生毕业后能够快速胜任岗位工作打下了坚实的工程实践基础。

References)

[1] 顾昊,孙智杰,李勤.生物学虚实结合实验教学模式探索与研究[J].实验室研究与探索,2016,35(4):108-110,120.

[2] 蔺智挺.基于虚拟仿真实验的模拟集成电路实验教学[J].实验技术与管理,2016,33(1):122-126.

[3] 郭楚飞,王利军,韩东太.本科实践教学虚实结合实验平台的构建[J]教育与职业,2016(11):99-101.

[4] 杨超,焦晓红,李亮,等.面向公交客车应用的插电式混合动力实时优化策略研究[J].机械工程学报,2015,51(22):111-119.

[5] 蔡锷,谭晓伟,李春明，等.基于虚拟仪器的汽车行驶工况记录分析系统[J].实验室研究与探索,2015,34(6):112-115,119.

[6] 邓涛,卢任之,李亚南,等.基于LVQ工况识别的混合动力汽车自适应能量管理控制策略[J].中国机械工程,2016(3):420-425.

[7] He Hongwen,Sun Chao,Zhang Xiaowei. A Method for Identification of Driving Patterns in HybridElectric Vehicles Based on a LVQ Neural Network[J].Energies,2012(5):3363-3380.

[8] 熊瑞.插电式混合动力车用复合电源系统仿真研究[D].北京:北京理工大学,2010.

[9] 何洪文.电动汽车原理与构造[M].北京：机械工业出版社,2015.

[10] 彭赟,彭飞,刘志祥,等.基于PLC和LabVIEW的燃料电池测试系统设计[J].电源技术,2016,40(3):575-579.

[11] 胡燕,黄霞,张冰洋.“自控原理”虚实结合实验平台设计与应用[J].实验技术与管理,2015,32(12):84-88.

[12] 王革思,周天,高明生,等.构建“三位一体”实验教学体系培养本科生创新型人才[J].实验技术与管理,2016,33(9):18-21.

·字义辨析·

粘与黏

国家语言文字工作委员会和中华人民共和国新闻出版署于1988年3月25日《关于发布<现代汉语通用字表>的联合通知》中恢复使用“黏(nin)”字，在表达“黏”的概念时，恢复使用“黏”字，如：黏膜、黏液、黏度系数、黏性等；在表达“粘(zhn)”的概念时，使用“粘”字，如：粘贴等。

《实验技术与管理》编辑部 编录

Design of virtuality-reality experimental teaching system for driving cycles of electric vehicles

Xiong Rui, Wang Chun, He Hongwen

(School of Mechanical Engineering,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China)

With the increase of enrollment number for graduates of professional degree and the constant improvement of requirement for engineering practical ability,there are a lot of existing limitations in electric vehicle experimental teaching system. To satisfy the requirements of experimental teaching,a novel virtuality-reality experimental teaching system for driving cycles of electric vehicles is developed. This system combines the advantages of virtuality and reality test bench. In addition,the virtual experiment is implemented by the Matlab/Simulink software platform,and the realistic experiment is carried out by the test equipment. The results of the experimental teaching show that the proposed system can not only strengthen the understanding of the vehicular driving cycles ,but also improve students’engineering practical ability effectively.

electric vehicles; driving cycles; experimental teaching; Matlab application

10.16791/j.cnki.sjg.2017.04.031

2016-11-30 修改日期：2017-01-13

北京理工大学研究生学术精品课程项目(YJPKC-2015-A02)；北京理工大学“双一流”专业学位精品课程(ZYXW2016007)

熊瑞(1985—),男,湖北仙桃,博士,副研究员,硕士生导师,主要从事电传动车辆电池系统管理与控制等方面的教学与研究工作.

E-mail：rxiong@bit.edu.cn

U462

A

1002-4956(2017)4-0122-04