董铸荣，贺 萍，韩承伟，李章宏

（1.北京交通大学 机电控制工程学院，北京 100044；2.深圳职业技术学院 汽车与交通学院，广东 深圳 518055；3.武汉理工大学 汽车工程学院，湖北 武汉 430070）

纯电动汽车中，轮毂电机驱动的电动汽车具有很大的发展前景，它省去了沉重并且体积大的组件，例如变速箱、差速器等［1］，结构简单，可轻松实现多种复杂驱动形式，例如前驱、后驱或者四轮驱动等驱动形式［2］，降低了整车质量，提高了电动汽车的续驶里程［3］；具有很好的市场潜力与研究价值［4］。

电动轮综合性能试验台是轮毂电机驱动的电动汽车研制阶段中的重要一环，它不仅可以用来检验电动轮整体以及相关零部件的可靠性，同时还能为开发电动车辆提供基础数据［5］，以此用来验证所研制的整车性能是否达到了最初的设计指标。电动轮综合性能试验台所能进行的试验越多，越能详细了解电动轮在各种工况下运转时的状态，也可以更好地帮助研发人员了解整车状态，从而为整车研发做出改进和优化。一台轮毂电机驱动的电动汽车在批量生产前离不开大量的台架试验。因此对电动轮综合性能试验台以及台架试验的开发具有重大意义。随着研究的继续深入，车用电动机性能的不断改进，以及车载电源、动力控制系统等相关技术的不断突破，轮毂电机驱动的电动汽车也将会取得更大的成功［6］。本文针对研制轮毂电机驱动电动汽车整车所需的试验项目，开发研制了电动轮综合性能试验台，为轮毂电机驱动的电动汽车的研究和开发提供试验平台，减少了整车研制周期和费用。

1 电动轮综合性能试验台功能设计

1.1 基本功能

电动轮综合性能试验台应该具备的基本功能有：

（1）道路模拟功能：模拟汽车道路行驶过程中所受到的来自地面的滚动摩擦阻力；

（2）车重模拟功能：模拟施加在电动轮上的汽车自重和车载重等垂直载荷；

（3）惯性模拟功能：模拟汽车运动有加速度时的惯性力；

（4）阻力模拟功能：模拟汽车行驶时所受的坡度阻力、空气阻力、加速阻力等。

1.2 转向模拟功能

转向系统对车辆操纵稳定性有极其重要的影响。具有四轮独立驱动、四轮独立转向的电动车辆（4WID－4WIS）成为未来车辆研究的热点之一［7－10］。，电动轮综合性能试验台具备转向模拟功能就非常有必要，但目前国内外研发的试验台架却很少具备该功能。本试验台不仅具有转向时任意设定转向角功能，还能设定转向时电动轮所受不同侧力的动态侧向加载功能。

1.3 制动模拟功能

电动轮的优势之一就是可以利用电机特性进行再生制动，而汽车制动系统关系到车辆行驶的安全性，所研制的试验台应该具备制动模拟的功能。制动模拟应该包括机械制动模拟、电制动模拟以及电制动＼机械制动耦合模拟功能，同时能开展电制动＼机械制动耦合防抱死制动模拟试验研究。

1.4 轮毂电机性能测试功能

轮毂电机是电动汽车的关键部件，它的性能直接决定了电动汽车的性能，因此轮毂电机的机械特性、效率特性等性能测试是至关重要的。不仅如此，试验台还能测试最大／额定功率、最大／额定扭矩、最大／额定转速、最大／额定电流、转动惯量、时间常数、扭矩常数等轮毂基本参数。本试验台具备测试轮毂电机的性能特性及基本参数的功能。

2 电动轮综合性能试验台结构设计

本试验台主要由以下三大部分组成：

（1）电源系统。试验台的电源模块采用所研制的电动汽车上使用的72V蓄电池。当不需要研究电池性能时，为了节省电池的充电时间，方便做其他与电池性能无关的电动汽车试验，可以由交流电源和一个整流器代替。

（2）机械台架。试验台机械部分的原理是否全面与正确、设计是否合理，将直接影响到试验的全面性与实验结果的准确性。根据试验台功能设计的要求，在分析比较各种实现功能的方式后，设计的试验台结构如图1所示。

图1 试验台结构

（3）测控系统。汽车在行驶过程中，汽车的每一个车轮实时的转动速度、驱动转矩以及其所受到的垂向和侧向的载荷、阻力都在变化［11］。因此，试验台要在以上参数的动态变化下，具有测试转速、加载转矩、电机驱动扭矩、电流、电压等参数功能，并具有轮毂电机性能测试、驱动防滑控制、制动控制、转速谱／扭矩谱模拟控制、垂向／侧向加载控制等功能、机械／电结合的惯量模拟控制，并开发相应的控制程序。

开发的电动轮综合性能试验台的实物图见图2。

图2 电动轮综合性能试验台实物图

2.1 道路模拟

本试验台采用直径为800mm的单滚筒（图1中4）进行道路模拟，与垂向力加载装置（图1中17）协同模拟汽车行驶所受的滚动摩擦阻力。滚筒轴上安装有转矩转速传感器，当电动轮在滚筒上不打滑时，所检测的转矩与转速即为汽车行驶的速度与扭矩。

2.2 车重模拟

本试验台采用机械动态加载方式进行车重模拟，通过马达与蜗轮蜗杆箱、滚珠丝杆、拉压力传感器以及主销实现垂直载荷加载模拟。

2.3 惯性模拟

本试验台采用机械模拟与电模拟结合方式进行惯性模拟。机械模拟为飞轮。为了减轻惯性模拟的质量，设置增速机构。增速机构采用皮带轮，接入与拆卸都十分方便。电惯量模拟采用电力测功机（图1中14）的发电模式作为吸能装置，可实现惯量的无极调节。

2.4 阻力模拟

本试验台采用电力测功机进行阻力模拟。通过电加载的动态加载形式，模拟汽车行驶时电动轮所受的除滚动阻力之外的其他各种阻力之和。

2.5 转向模拟

本试验台采用机械转向机构及侧向力加载机构进行转向模拟。通过电机、滚珠丝杆以及侧向力及转角传感器构成的侧向力加载装置（图1中18）模拟转向阻力。主销设计在电动轮正上方，使主销偏移距为零，因此在电动轮转向试验时，轮胎能始终保持在滚筒的最高点处接触并转动，避免因主销偏移距不为零时，转向角过大轮胎脱离滚筒的最高点而造成较大的试验误差。

2.6 制动模拟

本试验台采用机械制动系统和电制动系统相结合进行制动模拟。通过盘式制动器模拟机械制动，通过测控系统电制动控制程序使轮毂电机处于发电模式模拟电制动，通过电力测功机驱动电动轮，模拟长坡制动、急制动等各种制动工况。

3 电动轮综合性能试验台试验项目设计

3.1 道路模拟试验

（1）动力性测试。根据所设计电动汽车的基本参数：整车满载总质量／kg、迎风面积／m2、空气阻力系数、车轮滚动半径／m、旋转质量换算系数、蓄电池总能量／（kW·h），将上述参数输入测控系统中，进行汽车动力性测试，可以测得驱动力－行驶阻力平衡图，最高车速、最大爬坡度的加速时间，匀速（如50km／h）续驶里程。

（2）行驶循环模拟试验。通过控制改变电动轮的转速，测定电动轮的原地起步加速性能和超车加速性能，通过测控系统转速谱或者扭矩谱控制程序进行转速谱或扭矩谱模拟，进行汽车行驶循环模拟试验。

（3）道路谱模拟试验。由于道路凹凸不平，形成不同的道路谱，汽车在路面行驶时，道路谱造成汽车的颠簸使得垂直载荷动态变化，通过垂直载荷动态加载机构及测控系统模拟控制程序，进行道路谱模拟试验。

3.2 电动轮驱动防滑试验

（1）驱动滑转现象模拟试验。通过改变滚筒的表面材料可以模拟路面的附着系数，当附着系数较小时，电动轮的附着率大于路面附着系数时，使得电动轮打滑，从而模拟了驱动滑转现象。

（2）驱动防滑控制试验。通过控制轮毂电机驱动扭矩来防止电动轮滑转，进行电动汽车驱动与防滑的试验，研究电动汽车的驱动防滑性能。此时加垂直载荷模拟车重，飞轮模拟汽车惯量或者用电力测功机来模拟汽车惯量。进行驱动防滑控制试验时，轮毂电机带动电动轮启动，通过测试轮毂电机转速与滚筒转速，并换算成二者接触点各自的线速度，来检验是否打滑，当电动轮线速度高于滚筒线速度时，发生打滑现象，通过减少轮毂电机的扭矩输出来进行驱动防滑控制。

3.3 汽车转向模拟试验

提供转向模拟试验的试验台侧向力加载应能输出恒定的转向力［12］，同时还能根据时间和目标转向角度动态输出转向力，为采用电动机驱动电动轮转向的研发提供试验依据。通过输出转向角度与转向力矩的关系，还可以进行汽车转向轻便性的研究［13］。

3.4 电动轮制动模拟试验

（1）机械制动模拟试验。通过盘式制动器及制动操纵机构进行机械制动模拟。

（2）电回馈制动模拟试验。电动汽车存在多种制动工况，试验台可以进行多种回收控制策略的研究，可以把不同的储能系统进行优化组合，使车辆的制动性能更合理，也可以发挥储能装置的最佳性能，使汽车在各种制动工况下能较好地回收制动损失能量。试验台的电源系统能够将蓄电池与超级电容混合使用，即蓄电池－超级电容双能量源，发挥蓄电池比能量大和超级电容比功率大的优势，来研究纯电动汽车的能量回收率，最大限度地延长续驶里程［14］。

（3）电制动／机械制动耦合模拟试验。当制动力要求增大时，需要电制动与机械制动耦合作用。对电动汽车进行制动能量回收系统的研究，从而得出制动能量回收系统的最佳控制方案，进而对其控制系统做出较为优化的设计，在满足制动安全要求的前提下最大化的回收制动能量。

（4）电动汽车制动防抱死试验。在所设计的试验台上能够通过研究控制机械制动力与电制动力的分配，并利用电机的快速响应特性对电动轮进行精确的防抱死控制，还可以进行在确保制动性能的同时兼顾制动回收能量和减少制动片的磨损的试验［15］。此时，电力测功机作为电动机，试验台带惯性飞轮，并加上垂直载荷。当车轮转速达到某一转速后，进行机械制动或者机电耦合制动，来研究ABS系统与电制动的配合情况。试验台为实现电动车制动过程中能量的回收，提高能量使用效率，同时为改善制动情况下的ABS防抱死制动系统安全性能［16］的研究提供了平台。

3.5 其他试验

（1）轮胎的耐久性试验。该试验台还可以进行电动轮胎的试验，通过改变轮胎或者改变滚筒表面的材料来模拟各种轮胎和路面的驾驶条件，从而进行不同工况下各种轮胎的耐久性试验。

（2）电池性能的试验。电动汽车电池的充放电特性、内阻和容量等性能对电动汽车的续驶里程，能量回收效率都有至关重要的影响［17］，此试验台还可以进行电池性能的试验。

（3）轮毂电机性能测试试验。轮毂电机是电动汽车的关键部件，试验台可以进行轮毂电机的性能测试和耐久性试验。通过试验台的垂直加载模块、电动轮模块以及测功模块即可完成该试验。此时的电力测功机仅作为耗能装置使用，即测功机为发电机模式，来测量轮毂电机的功率、扭矩及转速等基本参数。

4 结束语

根据轮毂电机驱动的电动汽车所应具备的试验与测试项目，设计开发了一款多功能的电动轮综合性试验台。该试验台采用功能化设计方式，在台架机械部分的基础上还可以添加许多其他的试验功能，针对一些主要的电动汽车试验，所设计的台架都能很好地实现模拟与试验，这对轮毂电机驱动电动汽车的研究开发具有十分重要的意义。在试验台设计开发的基础上，将进一步细化试验项目，为轮毂电机驱动电动汽车的研究提供更加详实的数据支撑。

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