一种新能源汽车电动轮道路模拟仿真系统

卢剑剑， 李 胜， 费耀斌， 郎向荣， 朱 庆， 王江峰， 路国卫

（1.杭州威衡科技有限公司， 浙江 杭州 311113；2.浙江集衡信息科技有限公司， 浙江 杭州 311113）

直驱电动轮是指将轮辋、轮胎与电动轮毂电机集成为一体的驱动轮，通过电子控制器使轮毂电机直接驱动车轮，实现各轮毂从0到最大速度之间的无级变速和差数要求，省却了车轮之间的机械传动环节，使得传动系统大大简化，提高了传动效率，减少了机械损耗，整车质量也得到了减轻。为了可以获得直驱电动轮全方位的性能参数，需开发一套专用的仿真系统，模拟电动汽车在实际工况下进行动力性、制动性、可靠性、耐久性测试。电动轮如图1所示。

图1 电动轮

1 系统整体设计

该系统主要分为电气测控部分和机械台架部分以及软件控制部分。系统的硬件部分主要由电力测功机系统、垂直加载系统、惯量飞轮组、液压制动系统、信号传感器 （温度、拉压力、震动、转速、电流、电压）、NI cRIO实时系统、工控机及分析系统、PLC急停装置、不间断电源UPS等组成。通过NI cRIO实时系统对转速转矩信号、温度信号、震动信号、压力信号的实时采集，传输到上位机进行数据处理分析，再对各系统进行指令下发控制。

2 系统测控部分设计

该系统的主控制部分采用研华工控机+研华板卡+PLC急停系统实现整套系统的控制操作。测功机系统由研华模拟量输出板卡控制系统的转速、转矩，用以模拟道路阻力、坡度阻力，扭矩仪的转速、转矩信号经脉冲输入板卡采集实时反馈给系统；垂直加载系统主要由电缸与拉压力传感器组成，经过研华模拟量输出板卡控制伺服电机实时动态垂直加载，用以模拟电动轮在路面行驶时的上下跳动，拉压力传感器经研华模拟量输入板卡实时监测反馈给系统，经上位机分析以达到系统的垂直加载动态控制。系统的测控结构框图如图2所示，其控制信号说明如表1所示。

图2 系统测控结构框图

表1 系统控制信号表

3 系统台架结构设计

根据电动轮道路模拟仿真系统试验原理和功能要求，设计实验台架的机械机构。可以发现电动轮的垂直加载装置与惯性模拟装置是其中的关键。电动轮道路模拟仿真系统台架总体设计如图3所示。

图3 电动轮道路模拟仿真系统台架结构图

3.1 垂直加载装置的设计

电动轮在车辆行驶过程当中，承受着汽车带来的载荷，利用电动轮模块模拟实车工况，需要对电动轮模块在垂直方向施加可控可变的载荷。系统采用电缸实现电动轮的垂直加载，配以高精度的拉压力传感器以实时精准测量施加在电动轮上的垂直载荷。垂直加载装置结构如图4所示。

电缸通过转接板固定在龙门支架上，并横跨于滚筒上方，龙门支架上安装线性滑轨，电动轮模块及其固定工装、拉压力传感器与电缸在龙门支架中心处连接，并可随线性滑轨上下移动。

3.2 惯性模拟装置的设计

汽车在运动过程中具有较大的动能，在制动过程中因自身惯性的大小会有不同的制动距离。为进行汽车实况下的制动性、可靠性、动力性、耐久性等试验，该系统使用飞轮组装置用以模拟试验汽车的惯性。同时考虑到飞轮组的加工工艺及安装工艺、测试场地大小等因素，飞轮组的质量体积要控制在一定的范围内，为此引入增速箱，用以减少系统中的飞轮组质量与体积。使系统结构紧凑，稳定性和可靠性提高。飞轮组装置结构设计如图5所示。

如图5所示，共计16.875kgm2惯量飞轮组，采用拨叉式分合机构灵活地调节飞轮组与传动轴系的连接或断开，4块飞轮的惯量分别为1.125kgm2、2.25kgm2、4.5kgm2、9kgm2。每块飞轮的动平衡等级皆为2.5级。惯量盘和轴之间增加轴承，需要用到惯量盘时螺栓拧到轴上使惯量盘和轴一起转动，不需要用惯量盘时拧下螺栓，用支架把惯量盘固定在方管焊接架的底板上。

图4 垂直加载装置

图5 惯量飞轮组

3.3 滚筒的设计

模拟行驶道路的滚筒通过轴承和支座安装在大型铸铁底板上，轴承选型除了需考虑轴向承载要求，还需重点考虑径向的承载要求，同时需配置监测轴承温度的温度传感器。滚筒采用宽体大直径结构，动平衡等级为2.5级。

为满足系统测试时模拟各种路面的需要，在滚筒圆周表面的两侧边沿处打上一系列螺纹孔（每6°打一个M6孔），以便于用螺钉将不同材质的薄件/包裹物安装至滚筒表面，以此改变系统模拟路面的附着系数。路面模拟装置结构如图6所示。

4 系统软件设计

该电动轮特性测试系统的软件采用NI公司的LabVIEW语言编写，整套软件开发由参数设置、试验模块、数据查看3个单元组成，其中试验模块中1/2整车试验模块，同时对两个电动轮模块的动力性、经济性、制动性、耐久性进行试验；1/4整车试验模块，对单个电动轮模块的动力性、经济性、制动性、耐久性进行试验。图7为系统的软件功能框图。

参数设置界面进行电动轮试验的特性设置及输出结果设置。

系统软件通过LabVIEW语言进行指令下发可对电动轮模块进行1/2、1/4整车动力性试验、经济性试验、制动性试验、耐久性试验。通过监控模块实时查看系统的各项性能参数。系统1/4整车耐久性测试界面及曲线如图8所示，1/4整车经济性测试界面及曲线如图9所示。

通过系统设计及平台搭建，对应电动轮模块测试的性能要求进行试验，各参数指标均已达到预计效果，系统搭建实物图如图10所示。

图6 路面模拟装置

图7 系统软件功能框图

图8 1/4整车耐久性试验界面

图9 1/4整车经济性试验界面

图10 系统搭建实物图

5 结语

通过对新能源汽车电动轮模块的原理解析，设计开发的电动轮道路模拟仿真系统可以对电动轮模块的动力性、制动性、经济性、耐久性试验，获得的电动轮模块产品各项性能数据，可作为研究人员开发设计电动轮模块的试验参考，加快产品的开发及优化。该系统的成功研发填补了目前针对新能源汽车电动轮模块仿真模拟测试设备的市场需求，具有极大的工业实用价值和科研应用价值。