P2混動(dòng)系統(tǒng)臺(tái)架模擬測(cè)試研究

楊金民 方立輝 王君 張新亮 張凱

哈爾濱東安汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限公司技術(shù)中心 黑龍江省哈爾濱市 150060

1 引言

隨著國(guó)家油耗和排放法規(guī)的日趨嚴(yán)格，為了滿足國(guó)家政策要求及汽車市場(chǎng)需求，降低油耗和排放，越來(lái)越多的汽車企業(yè)開始開發(fā)混合動(dòng)力，P2架構(gòu)混合動(dòng)力在技術(shù)難度、投資成本、節(jié)油效果及享受補(bǔ)貼方面綜合優(yōu)勢(shì)較為明顯，正逐步被各大汽車企業(yè)采納和應(yīng)用。作為動(dòng)力總成研制企業(yè)，不同于整車企業(yè)，由于沒(méi)有試驗(yàn)樣車資源，在P2架構(gòu)混合動(dòng)力總成研發(fā)初期，必須在試驗(yàn)臺(tái)架上完成相關(guān)性能測(cè)試、標(biāo)定優(yōu)化和耐久考核。

與傳統(tǒng)動(dòng)力總成的臺(tái)架測(cè)試不同的是，P2架構(gòu)混合動(dòng)力總成由于新增的電機(jī)，臺(tái)架設(shè)備方面需要新增電池模擬器（或?qū)嵻囯姵兀殡姍C(jī)提供電能，新增功率分析儀對(duì)電機(jī)進(jìn)行分析測(cè)試；在測(cè)試方案方面，由于混合動(dòng)力系統(tǒng)有多種運(yùn)轉(zhuǎn)模式，需要重新設(shè)計(jì)試驗(yàn)測(cè)試方案。

2 P2混動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

東安汽發(fā)生產(chǎn)的P2架構(gòu)混合動(dòng)力總成，與常規(guī)“發(fā)動(dòng)機(jī)+變速器”動(dòng)力總成相比，自動(dòng)變速器取消了液力變矩器，在發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器中間增加了一個(gè)ISG電機(jī)，電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)K0離合器連接，高壓HSG電機(jī)取代了原低壓發(fā)電機(jī)，通過(guò)皮帶與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸連接，ISG電機(jī)和HSG電機(jī)均具備驅(qū)動(dòng)功能和發(fā)電功能。

該套混合動(dòng)力總成可以實(shí)現(xiàn)EV模式、AUTO模式、HOLD模式等多種模式的運(yùn)行。EV模式為純電行駛模式，僅由ISG電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；AUTO模式為自動(dòng)模式，整車控制器HCU根據(jù)電量多少和駕駛員的駕駛需求自動(dòng)切換運(yùn)轉(zhuǎn)模式，發(fā)動(dòng)機(jī)、ISG電機(jī)和HSG電機(jī)協(xié)調(diào)工作；HOLD模式為電量保持模式，可在合理范圍內(nèi)將電池電量保持在駕駛員需求值附近。

3 電池模擬器的應(yīng)用

由于P2混動(dòng)系統(tǒng)包含兩套高壓電機(jī)，兩電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源均需要外部設(shè)備為其提供345V高壓直流電，作為發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電需要外部設(shè)備吸收或儲(chǔ)存該部分電能。在混合動(dòng)力車上，實(shí)車高壓電池的作用就是為電機(jī)提供電能并能吸收電機(jī)發(fā)出的電能。

在P2混合動(dòng)力總成研發(fā)初期，由于沒(méi)有整車項(xiàng)目，并沒(méi)有合適規(guī)格的實(shí)車電池可用于試驗(yàn)測(cè)試，市面上已有的高壓電池在電芯類型、電壓、電量、充放電電流等參數(shù)上并不能與新開發(fā)的混合動(dòng)力總成相匹配，高壓電池需要根據(jù)混合動(dòng)力總成的性能參數(shù)進(jìn)行重新開發(fā)，而一套全新電池的開發(fā)需要大量的時(shí)間周期，且一旦混合動(dòng)力總成的參數(shù)改變，新開發(fā)的高壓電池可能面臨匹配不合理的風(fēng)險(xiǎn)。

使用電池模擬器進(jìn)行試驗(yàn)，則不存在上述問(wèn)題。將電池單體的實(shí)測(cè)特性數(shù)據(jù)導(dǎo)入電池模擬器的電池模型中，電池單體的特性參數(shù)包括不同溫度下開路電壓-SOC值特性、內(nèi)阻-SOC值特性，通過(guò)設(shè)置不同的電池單體串聯(lián)和并聯(lián)節(jié)數(shù)，可以模擬出不同電壓、電量的電池模型，圖1為某鈦酸鋰電池在常溫下的電池單體特性曲線?？梢愿鶕?jù)混合動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)行測(cè)試結(jié)果不斷調(diào)整和優(yōu)化電池的參數(shù)，這不僅能解決混合動(dòng)力總成在開發(fā)初期無(wú)合適電池可用的問(wèn)題，還能為以后混合動(dòng)力整車項(xiàng)目的動(dòng)力電池產(chǎn)品開發(fā)提供數(shù)據(jù)積累和參考。

4 功率分析儀的應(yīng)用

圖1 某鈦酸鋰電池常溫下電壓-SOC特性曲線

圖2 高壓交流電接線箱

圖3 加速踏板開度和制動(dòng)踏板開度關(guān)系

在混合動(dòng)力總成的臺(tái)架測(cè)試中，除了要對(duì)常規(guī)的各溫度、壓力、轉(zhuǎn)速、扭矩等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量外，還需要測(cè)量電機(jī)控制器輸入的直流電的電壓、電流以及電機(jī)控制器輸出給電機(jī)的三相交流電的電壓、電流，用以計(jì)算電機(jī)控制器輸入和輸出的功率，進(jìn)而計(jì)算電機(jī)控制器和電機(jī)的效率。橫河WT300E型功率分析儀具備4個(gè)高精度電壓和電流測(cè)量通道，電壓測(cè)量范圍±1500V，電流測(cè)量范圍±1000A，頻率范圍為DC~1MHz，滿足P2混動(dòng)系統(tǒng)1路直流和3路交流的測(cè)量需求，同時(shí)還能通過(guò)模擬量輸入讀取電機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩，可以直接計(jì)算出電機(jī)和電機(jī)控制器的功率和效率。

在使用功率分析儀時(shí)，需要配合電流傳感器進(jìn)行電流的測(cè)量，高精度的電流傳感器一般為封閉式霍爾傳感器，在使用時(shí)必須將被測(cè)電纜從電流傳感器的中間穿過(guò)才能實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的測(cè)量。由于三相交流高壓電纜的三條高壓線兩端均使用一體式接線端子，三條高壓線無(wú)法分離，因此無(wú)法安裝電流傳感器，高壓線束為全封閉式線束，也無(wú)電壓測(cè)點(diǎn)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)三相高壓交流電的電壓和電流的測(cè)量。

為了解決沒(méi)有電壓測(cè)點(diǎn)和電流傳感器無(wú)法安裝的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套專用的高壓交流電接線箱，接線箱內(nèi)安裝有三條銅排，每條銅排外側(cè)均套有一個(gè)電流傳感器，固定在接線箱內(nèi)，將電機(jī)控制器交流輸出端與銅排的一端連接，將電機(jī)的高壓輸入端與銅排的另一端連接，并將兩端高壓線的屏蔽層分別與接線箱的金屬外殼連接，接線箱的外殼使用專用接地線進(jìn)行接地處理，如圖2所示。該接線箱的應(yīng)用，不僅解決了交流電壓和電流無(wú)法測(cè)量的問(wèn)題，還具有通用型，接線方便，可適用于不同高壓線接口規(guī)格的電機(jī)和電機(jī)控制器，并能保證具有良好的屏蔽功能，在電機(jī)工作時(shí)不會(huì)對(duì)低壓控制器產(chǎn)生電磁干擾。

5 整車參數(shù)的模擬

在臺(tái)架上進(jìn)行P2架構(gòu)混合動(dòng)力總成的模擬測(cè)試，必須要由臺(tái)架為混動(dòng)系統(tǒng)控制器HCU發(fā)送必要的車輛相關(guān)信號(hào)，才能保證混合動(dòng)力總成的正常運(yùn)轉(zhuǎn)；必須要提供與實(shí)車運(yùn)行一致的工況才能保證試驗(yàn)測(cè)試的準(zhǔn)確性。

5.1 加速踏板與制動(dòng)踏板的模擬

P2架構(gòu)混合動(dòng)力總成具有能量回收功能，在剎車減速的過(guò)程中，電機(jī)可以發(fā)電回收能量，不同于傳統(tǒng)動(dòng)力總成，混動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)過(guò)程不僅僅是機(jī)械制動(dòng)，還有電機(jī)發(fā)電制動(dòng)的參與，HCU根據(jù)自身策略分配電制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)的比例。為了實(shí)現(xiàn)電制動(dòng)功能，臺(tái)架必須新增制動(dòng)踏板開度信號(hào)提供給HCU，而且在運(yùn)行NEDC、WLTC等法規(guī)工況時(shí)，制動(dòng)踏板開度信號(hào)必須要與加速踏板信號(hào)一起進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，才能保證實(shí)際行駛車速與法規(guī)的需求值相當(dāng)。

臺(tái)架通過(guò)模擬量輸出通道輸出新增的制動(dòng)踏板開度信號(hào)給HCU，為了實(shí)現(xiàn)與加速踏板信號(hào)協(xié)同進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，對(duì)原加速踏板信號(hào)的行程進(jìn)行重新分配，原加速踏板開度0%~10%分配為制動(dòng)踏板開度100%~0%，原加速踏板開度10%~100%分配為現(xiàn)加速踏板開度0%~100%，如圖3所示。

5.2 整車ESP信號(hào)模擬

臺(tái)架模擬各車輪的輪速信號(hào)、輪速有效信號(hào)、行駛方向信號(hào)、制動(dòng)主缸壓力、制動(dòng)主缸壓力有效信號(hào)等保證P2架構(gòu)混合動(dòng)力總成正常運(yùn)轉(zhuǎn)必須的ESP信號(hào)，通過(guò)CAN通訊方式發(fā)送給HCU，整車CAN網(wǎng)絡(luò)示意圖見(jiàn)圖4。

5.3 道路阻力模擬

臺(tái)架必須要能夠準(zhǔn)確模擬實(shí)車在道路上行駛的道路阻力，才能保證運(yùn)轉(zhuǎn)測(cè)試工況與實(shí)車一致，達(dá)到與實(shí)車相同的測(cè)試效果。在沒(méi)有樣車時(shí)，可以根據(jù)匹配車輛的車重，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出車輛在道路上運(yùn)行時(shí)在不同車速下受到的道路阻力，將道路阻力與車速的對(duì)應(yīng)關(guān)系導(dǎo)入到臺(tái)架的道路模擬模型中，實(shí)現(xiàn)臺(tái)架對(duì)運(yùn)行過(guò)程中道路阻力的模擬。

圖4 整車CAN網(wǎng)絡(luò)示意圖

6 試驗(yàn)測(cè)試

使用東安汽發(fā)生產(chǎn)的P2架構(gòu)混合動(dòng)力總成在臺(tái)架上進(jìn)行NEDC、WLTC、驅(qū)動(dòng)系耐久等實(shí)際試驗(yàn)工況的測(cè)試，混合動(dòng)力總成各組成部件運(yùn)轉(zhuǎn)正常，各控制模塊與臺(tái)架通訊正常，混動(dòng)控制器HCU可以實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力總成的協(xié)調(diào)控制，可以完成模擬實(shí)車運(yùn)行的各項(xiàng)試驗(yàn)，試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖5和圖6。

7 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)東安汽發(fā)生產(chǎn)的P2架構(gòu)混合動(dòng)力總成的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了在臺(tái)架上進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試的方案，應(yīng)用了電池模擬器、功率分析儀等新設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了臺(tái)架對(duì)整車參數(shù)和道路阻力的模擬。在沒(méi)有試驗(yàn)樣車的情況下，成功在臺(tái)架上實(shí)現(xiàn)了P2混動(dòng)系統(tǒng)的模擬運(yùn)轉(zhuǎn)測(cè)試，保證了P2混動(dòng)系統(tǒng)的開發(fā)進(jìn)展，節(jié)約了試驗(yàn)成本，縮短了試驗(yàn)周期。

圖5 NEDC循環(huán)工況運(yùn)行結(jié)果

圖6 驅(qū)動(dòng)系耐久試驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果