并聯式混合動力汽車動力系統試驗臺設計

蒙偉民

【摘 要】隨著新能源汽車的興起，混合動力汽車既能滿足經濟節能的目標，又具有良好的動力性能，深受消費者信賴。文章基于模塊化設計，將試驗臺分為動力輸出模塊、慣量模擬模塊、負載模擬模塊、臺架測控模塊四大模塊，設計并聯式混合動力汽車動力系統試驗臺。采用試驗對象的動力系統作為試驗臺的基礎設施;慣量模擬模塊方面采用飛輪盤組模擬汽車行駛過程中的慣性;并且通過對汽車的受力分析，用測功機模擬輸出汽車在道路上的阻力;使用整車控制器進行控制，并以CAN通信為基礎組成試驗臺測控系統。

【關鍵詞】并聯式混合動力;動力系統;模塊化設計;試驗

【中圖分類號】U469.7 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）03-0069-03

0 前言

在節能減排的共同目標與汽車保有量持續增長的沖突下，發展混合動力汽車成為一種解決該問題的方法。并聯式混合動力汽車因其動力性能、排放性能好等優點而被廣泛運用于混合動力汽車中。而試驗臺技術是研發混合動力汽車的一個高效便捷的方法。

1 并聯式混合動力汽車動力系統試驗臺架的機械設計

基于模塊化設計的思想，將試驗臺分為動力輸出模塊、慣量模擬模塊、負載模擬模塊、臺架測控模塊四大模塊。

1.1 動力輸出模塊

動力輸出模塊主要包括發動機、電動機、變速器、動力電池、變速器、逆變器、動力合成裝置等重要零部件。

1.2 慣量模擬模塊

慣量模擬模塊顧名思義就是用來模擬臺架試驗平臺上的整車慣量。將整車等效慣量簡化計算如公式（1）：J=m×r2/■。式（1）中：m為整車質量，單位為kg;r為車輪滾動半徑，單位為m;i0為主減速器速比。試驗臺的慣量模擬方法有機械慣量模擬、液壓慣量模擬、電慣量模擬。慣性飛輪模擬方法花費更少，慣性飛輪模擬中按飛輪形式分為單個飛輪盤和多個飛輪盤。單一飛輪盤無法滿足本試驗臺的實驗對象多樣性的要求，可采取二分法設計多個飛輪盤。圓柱體體轉動慣量計算如公式（2）：J=mR2/2。式（2）中：m為飛輪盤的重量，單位為kg;R為飛輪盤的半徑，單位為m。圓柱體的質量密度如公式（3）：m=πR2hρ。式（3）中：m為飛輪盤的重量，單位為kg;R為飛輪盤的半徑，單位為m;h為飛輪盤的寬度，單位為m;ρ為飛輪盤的密度，單位為kg/m3。將公式（2）和公式（3）合并得公式（4）：J=mπρR4/2。

1.3 負載模擬模塊

負載模擬模塊的作用是試驗臺部分試驗進行時提供相應的負載，是試驗臺必不可少的一個模塊。本試驗臺設計采用測功機來模擬道路負載情況，改變動力系統的負荷及轉速，從而達到在試驗臺上模擬車輛的不同工況。汽車行駛阻力的計算如下。

查閱汽車相關的理論可得汽車所受行駛阻力如公式（5）：∑F=Ff+Fw+Fi+Fj。式（5）中：Ff為滾動阻力，Fw為空氣阻力，Fi為加速阻力，Fj為坡度阻力。在上述諸阻力中，因為本試驗臺并不是整車試驗臺，無法通過滾筒進行坡度模擬，所以在本試驗試驗內容中假定汽車在平坦道路上行駛，忽略坡度阻力。接下來我們分析其他3種阻力。

（1）滾動阻力Ff。由汽車理論知識得知汽車收到的滾動阻力如公式（6）：Ff=Gf（N）。式（6）中：G為汽車總重量，單位為kg;f為滾動阻力系數。因為本試驗臺是進行臺架試驗且是動力系統試驗，所以在分析動力系統時，可利用經驗公式大致估算，如經驗公式（7）：f=0.007 6+0.000 056ua。式（7）中：ua為汽車行駛速度，單位為km/h。

（2）空氣阻力FW。本試驗臺只討論無風條件下汽車的運動，即車輛行駛速度和風速的合速度等于車輛行駛速度。根據汽車理論知識可得汽車在無風條件下所受的空氣阻力如公示（8）：FW=CD A■/21.15。式（8）中：CD為空氣阻力系數;A為迎風面積，單位為m2;ua為汽車行駛速度，單位為km/h。查表得典型轎車的迎風面積為1.7～2.1 m2，空氣阻力CD為0.30～0.41。具體數值可從整車試驗中得出。

1.4 臺架測控模塊

1.4.1 測控系統的原理

由混合動力汽車控制系統可知，本試驗臺的測控系統可分為整車控制系統、發動機控制系統、電動機控制系統、動力電池控制系統、變速器控制系統及測功機控制系統。

整車控制系統是本試驗臺的主控制系統，通過評估駕駛員意圖（加速踏板和制動踏板開度），計算動力系統的需求并分配給發動機和電動機。發動機控制系統和電動機控制系統接受整車控制系統的能量優化分配，分別輸出相應的轉速轉矩，轉速轉矩儀得到相應的數據傳到工控機顯示。電池管理系統通過對動力電池的電壓電流監測計算出動力電池SOC值，從而控制動力電池的能量流動，確保發動機處于高效率區域。變速器控制系統根據整車控制系統的變速要求，控制變速器進行擋位轉換到目標擋位。測功機控制系統根據整車控制系統發來的目標車速要求，根據轉換公式輸出相應轉矩實現負載模擬。各控制單位的相關關系如圖1所示。

1.4.2 測控系統的組成

測控系統包括硬件部分和通信部分。測控系統的硬件包含工控機、數據采集卡、轉速轉矩儀、油耗儀、廢氣分析儀、氣體采樣泵、行程踏板和制動踏板、換擋手柄、電流傳感器、電壓傳感器、溫度傳感器、位移傳感器等。主要作用是檢測得到試驗結果的所需數據。在本試驗臺架中主要采用控制器局域網（CAN）現場總線通信方式，即CAN通信除了工控機與測功機之間的通信為串口通信，其他控制器模塊間都是通過CAN總線進行通信。試驗臺架的CAN總線通信信息主要是整車控制器模塊對發動機等控制器和變速器控制器模塊和CAN信號與RS232串口信號轉換控制器。

（1）整車控制模塊。整車控制模塊是本試驗臺最核心的一個控制模塊。整車控制系統需要與所有的控制系統進行信息互換，具有對所有控制系統接收和發送信息的作用。如接收和發送發動機節氣門開度命令、電機轉速轉矩命令、蓄電池控制命令、發動機轉矩轉速、測功機輸出轉矩、動力電池狀態等信息。

（2）發動機系統模塊。發動機系統模塊與整車控制模塊有一條單獨的通道，本模塊主要接收整車控制系統的信號對發動機的啟動、節氣門開度等進行控制，輸出發動機轉速、轉矩等數據。

（3）動力電池管理系統模塊。動力電池管理系統模塊接受整車控制器的指令做出改變。動力電池管理系統模塊會根據指令改變動力電池的充放電狀態，動力電池管理系統模塊會反饋動力電池的電壓電流變化。當監測到動力電池SOC值低于可直接啟動汽車時，動力電池管理系統會向整車控制系統釋放充電信號。

（4）電機控制器模塊。電機控制器模接受整車控制器對電機是否運轉的指令，對外輸出電機的狀態如電機的轉速轉矩等。

（5）變速器控制器模塊。接受整車控制器的換擋信號，控制變速器進行換擋，反饋變速器擋位狀態到整車控制器。

（6）CAN信號與RS232串口信號轉換控制器模塊。因為本試驗臺有串口通信，所以本控制器模塊主要作用是通過RS232接口將CAN信號和串口信號進行互換。

2 動力系統試驗臺架總體設計

按照并聯式混合動力汽車動力系統結構將發動機和電動機“并聯”放置，在發動機的輸出軸端連接轉速轉矩儀，測量發動機在不同工況輸出的轉速和轉矩。動力合成裝置在某些工況時合成發動機和電動機輸出的轉矩，在其他工況時傳遞單個動力源輸出的轉矩。測功機可以對動力合成后的轉速、轉矩進行測量。

結合測控系統原理圖和試驗臺機械部分，得出試驗臺總體設計圖（如圖2所示）。

測功機對轉矩進行控制后，通過PID算法根據公式（13）計算得出試驗臺運行的理論車速，通過測量的轉矩計算出實際車速。比對兩個車速的大小，若理論車速大于實際車速，需要控制加速踏板增加實際車速達到理論車速;若理論車速小于實際車速，需要控制制動踏板減小實際車速達到理論車速。

3 并聯式混合動力汽車動力系統臺架試驗

臺架試驗由零部件試驗、動力總成臺架試驗組成。動力系統臺架試驗臺的關鍵零部件試驗包含發動機、電動機和動力電池的各項試驗和標定（如圖3所示），動力系統總成試驗主要包括動力性能試驗、經濟性能試驗和排放性能試驗。關鍵零部件試驗僅僅是本試驗臺架的基本試驗內容，最重要的是模擬動力系統運行狀況，進行動力系統總成試驗。

參 考 文 獻

[1]何耀華.汽車試驗學[M].北京：人民交通出版社，

2005.

[2]蔣荻南，黃開勝，王帥宇，等.并聯混合動力車用動力傳動系統試驗臺架系統設計[C].中國汽車工程學會汽車電子技術分會，2006.

[3]周永范.經濟有效的汽車可靠性試驗方法[J].企業科技與發展，2010（8）：51-53.

[4]陳玉成.混合動力汽車動力總成試驗臺設計與開發[J].山東大學學報（工學版），2016（12）：1-6.

[5]朱志富.混合動力汽車傳動系統設計及其臺架實驗[D].重慶：重慶大學，2012.

[6]周健豪.混合動力汽車動力總成試驗臺測控系統[J].農業機械學報，2011（7）：36-40.

[責任編輯：鐘聲賢]