基于動(dòng)力總成試驗(yàn)臺(tái)的P2 混動(dòng)電機(jī)性能測(cè)試方法研究

楊金民，方立輝，王君，張新亮，李日成

（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 哈爾濱 150060）

1 引言

國(guó)家油耗和排放法規(guī)日益嚴(yán)苛，為了應(yīng)對(duì)政策要求和汽車市場(chǎng)的需求，各大汽車企業(yè)開(kāi)始開(kāi)發(fā)新能源產(chǎn)品。P2 架構(gòu)混合動(dòng)力是通過(guò)在傳統(tǒng)動(dòng)力總成的發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器中間增加電機(jī)實(shí)現(xiàn)的，在技術(shù)難度、節(jié)油效果等方面優(yōu)勢(shì)明顯，是新能源汽車發(fā)展初期各汽車企業(yè)首選的開(kāi)發(fā)方向。

P2 架構(gòu)混合動(dòng)力中的電機(jī)具有起步、助力、能量回收等多種功能，在開(kāi)發(fā)初期，必須首先完成電機(jī)單體的各項(xiàng)性能測(cè)試。進(jìn)行電機(jī)性能測(cè)試，需要專門的電機(jī)單體試驗(yàn)臺(tái)，常規(guī)動(dòng)力總成試驗(yàn)所涉及的臺(tái)架無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

2 電機(jī)性能試驗(yàn)的重要性

傳統(tǒng)動(dòng)力總成生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)軍混合動(dòng)力總成領(lǐng)域之初，由于其成熟產(chǎn)品為發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器，為了快速搶占新能源市場(chǎng)，往往采用外購(gòu)電機(jī)然后進(jìn)行混合動(dòng)力總成集成的方式。

電機(jī)是P2 架構(gòu)混合動(dòng)力總成的重要組成部分，其性能的優(yōu)劣往往決定著整套混動(dòng)系統(tǒng)性能的好壞。電機(jī)的外特性影響混合動(dòng)力總成的最大驅(qū)動(dòng)能力，電機(jī)的效率影響混動(dòng)系統(tǒng)的節(jié)油效果，電機(jī)冷卻能力的大小影響控制系統(tǒng)能量管理策略的設(shè)計(jì)。

雖然外購(gòu)的電機(jī)在電機(jī)生產(chǎn)企業(yè)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)等階段會(huì)進(jìn)行性能測(cè)試，但是混合動(dòng)力總成集成企業(yè)必須要具備電機(jī)性能測(cè)試能力，才能更好地掌握所選用電機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，為其混合動(dòng)力產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制策略設(shè)計(jì)、匹配數(shù)據(jù)優(yōu)化提供支持。

3 電機(jī)單體性能試驗(yàn)實(shí)施的難點(diǎn)

3.1 需要專用的電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)

進(jìn)行電機(jī)性能試驗(yàn)，必須要使用專用的電機(jī)單體試驗(yàn)臺(tái)，電機(jī)的最高運(yùn)行轉(zhuǎn)速一般情況下要高于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)，且電機(jī)在低速段可以恒定輸出最大扭矩，電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中對(duì)同軸度要求較高，電機(jī)在進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)需要使用大功率油冷或水冷設(shè)備進(jìn)行冷卻，以保證電機(jī)的運(yùn)行工況滿足試驗(yàn)測(cè)試的需求。

傳統(tǒng)動(dòng)力總成生產(chǎn)企業(yè)由于沒(méi)有電機(jī)產(chǎn)品，因此沒(méi)有專用的電機(jī)單體試驗(yàn)臺(tái)，其發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)并不適用于進(jìn)行電機(jī)性能測(cè)試。

3.2 電機(jī)試驗(yàn)專用工裝設(shè)計(jì)復(fù)雜

P2 混動(dòng)電機(jī)與變速器裝配在一起，電機(jī)殼體的一部分一般借用變速器殼體，在電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行電機(jī)性能測(cè)試時(shí)，因無(wú)變速器部分，必須重新設(shè)計(jì)殼體工裝，保證電機(jī)的完整性。

電機(jī)殼體工裝在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮電機(jī)的冷卻水套，保證其具備足夠強(qiáng)的散熱能力，使電機(jī)溫度能夠達(dá)到試驗(yàn)所需的溫度。另外，殼體工裝的設(shè)計(jì)還必須考慮旋變器、NTC 等低壓線束出線位置和高壓接線盒的位置。

由于電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，進(jìn)行性能試驗(yàn)時(shí)還會(huì)測(cè)試電機(jī)的超速工況，因此工裝設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)子的同軸度要求很高，轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中與定子的間隙不得超過(guò)0.3mm，且轉(zhuǎn)子兩端的固定軸承必須有足夠的強(qiáng)度，允許的最高轉(zhuǎn)速一般不低于10000rpm。

圖1 為某P2 混動(dòng)電機(jī)的工裝殼體示意圖，圖2 為電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)適配固定工裝示意圖。

圖1 某P2 混動(dòng)電機(jī)工裝殼體

綜上所述，為了進(jìn)行P2 混動(dòng)電機(jī)的單體性能試驗(yàn)，需要設(shè)計(jì)的工裝相當(dāng)于重新設(shè)計(jì)一套完整的電機(jī)殼體，難度大、周期長(zhǎng)。

3.3 動(dòng)力總成試驗(yàn)臺(tái)無(wú)法直接測(cè)量電機(jī)扭矩

測(cè)試電機(jī)的性能，必須要準(zhǔn)確測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩、電壓、電流、功率因數(shù)等參數(shù)，電機(jī)轉(zhuǎn)速可以由電機(jī)自身的旋變器直接測(cè)量，電壓、電流、功率因數(shù)等可以通過(guò)外接功率分析儀進(jìn)行測(cè)量，但是由于P2 混動(dòng)系統(tǒng)中的電機(jī)集成在發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器中間，無(wú)法使用動(dòng)力總成試驗(yàn)臺(tái)的扭矩法蘭測(cè)量電機(jī)直接輸出的扭矩，也無(wú)法連接其他形式的扭矩傳感器進(jìn)行測(cè)量。

圖2 電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)適配固定工裝

雖然電機(jī)控制器的控制模型中會(huì)計(jì)算電機(jī)的輸出扭矩，但這種計(jì)算扭矩是基于電機(jī)在初始標(biāo)定時(shí)的模型數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算的，其精度本身就不高，而且不同的電機(jī)存在單體差異，因此其計(jì)算扭矩和實(shí)際扭矩存在一定的偏差。

電機(jī)的外特性直接使用扭矩進(jìn)行評(píng)價(jià)，電機(jī)的效率必須要使用扭矩進(jìn)行計(jì)算，因此，如果無(wú)法測(cè)量電機(jī)的扭矩，將無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)性能的測(cè)試評(píng)價(jià)。

4 電機(jī)扭矩計(jì)算方法

對(duì)于不直接生產(chǎn)電機(jī)的企業(yè)來(lái)說(shuō)，有必要對(duì)其外購(gòu)的用于P2 混動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)進(jìn)行必要性能測(cè)試，但是測(cè)試電機(jī)單體性能的實(shí)施難度較大，需要投入較大的人力物力成本。因此，如果能在動(dòng)力總成試驗(yàn)臺(tái)上實(shí)現(xiàn)對(duì)P2 混動(dòng)電機(jī)的性能測(cè)試，無(wú)疑會(huì)為不直接生產(chǎn)電機(jī)的混合動(dòng)力總成生產(chǎn)企業(yè)節(jié)省大量的試驗(yàn)成本、節(jié)約研發(fā)試驗(yàn)時(shí)間。

通過(guò)分析P2 混動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力傳遞路線，在EV 模式下，K0 離合器斷開(kāi)，電機(jī)轉(zhuǎn)子與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸脫開(kāi)，電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)，動(dòng)力由電機(jī)轉(zhuǎn)子輸出給變速器輸入軸，經(jīng)變速器內(nèi)部行星機(jī)構(gòu)傳遞后由兩個(gè)半軸輸出。在動(dòng)力總成試驗(yàn)臺(tái)上，電機(jī)轉(zhuǎn)速可以直接讀取，變速器的半軸轉(zhuǎn)速和扭矩可以由臺(tái)架測(cè)功機(jī)的編碼器和扭矩法蘭直接測(cè)量，如果能夠知道當(dāng)前時(shí)刻的變速器傳動(dòng)效率，便可以計(jì)算出當(dāng)前時(shí)刻的電機(jī)扭矩。

電機(jī)扭矩計(jì)算公式：

式中：TE為電機(jī)扭矩；NL為變速器左半軸輸出轉(zhuǎn)速；TL為變速器左半軸輸出扭矩；NR為變速器右半軸輸出轉(zhuǎn)速；TR為變速器右半軸輸出扭矩；NE為電機(jī)轉(zhuǎn)速；η 為變速器效率。

5 P2 混動(dòng)電機(jī)性能測(cè)試步驟

5.1 測(cè)量變速器傳動(dòng)效率

P2 混動(dòng)系統(tǒng)所用的變速器與傳統(tǒng)動(dòng)力總成的變速器差異不大，其傳動(dòng)效率可以在變速器性能試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)出，動(dòng)力總成生產(chǎn)企業(yè)一般都配備這樣的試驗(yàn)臺(tái)架。

因變速器傳動(dòng)效率受變速器油溫影響較大，且每個(gè)檔位的傳動(dòng)效率均不相同，因此在測(cè)量變速器傳動(dòng)效率時(shí)必須嚴(yán)格控制變速器油溫在一定的范圍內(nèi)，如80±3℃，并且每個(gè)檔位的傳動(dòng)效率均需要測(cè)量。

在各個(gè)檔位下，變速器傳動(dòng)效率需要測(cè)量的工況為：

（1）輸入軸轉(zhuǎn)速：從500rpm 開(kāi)始，每500rpm 一個(gè)梯度至最高轉(zhuǎn)速。

（2）輸出扭矩和：從100Nm 開(kāi)始，每100Nm 一個(gè)梯度至最大扭矩。

5.2 設(shè)置變速器傳動(dòng)效率MAP

根據(jù)變速器傳動(dòng)效率的測(cè)量結(jié)果，在動(dòng)力總成試驗(yàn)臺(tái)上編輯設(shè)置變速器在特定溫度時(shí)（80±3℃）各檔位傳動(dòng)效率隨變速器輸入軸轉(zhuǎn)速、輸出扭矩和變化的MAP，圖3 為某P2混動(dòng)變速器3 檔時(shí)的傳動(dòng)效率MAP。

圖3 某P2 混動(dòng)變速器3 檔傳動(dòng)效率MAP

5.3 在動(dòng)力總成試驗(yàn)臺(tái)上計(jì)算電機(jī)扭矩

P2 混動(dòng)總成在動(dòng)力總成試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，選擇EV模式，控制K0 離合器斷開(kāi)，由電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，控制變速器油溫與之前進(jìn)行變速器傳動(dòng)效率測(cè)量時(shí)的油溫一致（80±3℃），根據(jù)變速器當(dāng)前檔位、輸出軸轉(zhuǎn)速（即電機(jī)轉(zhuǎn)速）、輸出扭矩和（即臺(tái)架左右半軸扭矩之和），通過(guò)臺(tái)架系統(tǒng)自動(dòng)查找之前設(shè)定好的變速器傳動(dòng)效率MAP，可以計(jì)算出變速器的實(shí)時(shí)效率，再根據(jù)電機(jī)扭矩計(jì)算公式便可以計(jì)算出電機(jī)的實(shí)時(shí)扭矩。

電機(jī)扭矩通過(guò)計(jì)算獲得，電機(jī)轉(zhuǎn)速、輸入電壓、輸入電流、功率因數(shù)等參數(shù)均可以直接測(cè)量，至此可以在動(dòng)力總成試驗(yàn)臺(tái)上實(shí)現(xiàn)P2 混動(dòng)電機(jī)性能測(cè)試。

6 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

使用東安汽發(fā)生產(chǎn)的P2 架構(gòu)混合動(dòng)力總成分別在電機(jī)單體試驗(yàn)臺(tái)和動(dòng)力總成試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行電機(jī)性能測(cè)試，圖4 為電機(jī)單體試驗(yàn)臺(tái)的電機(jī)效率測(cè)量結(jié)果，圖5 為動(dòng)力總成試驗(yàn)臺(tái)的電機(jī)效率測(cè)量結(jié)果。

圖4 電機(jī)單體試驗(yàn)臺(tái)電機(jī)效率測(cè)量結(jié)果

圖5 動(dòng)力總成試驗(yàn)臺(tái)電機(jī)效率測(cè)量結(jié)果

對(duì)比以上兩個(gè)測(cè)量結(jié)果可以看出，在動(dòng)力總成試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)量電機(jī)扭矩，與在專用的電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上電機(jī)扭矩的測(cè)量結(jié)果差異不到，各工況下差值均小于1Nm，滿足電機(jī)性能的測(cè)試需求。

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析P2 架構(gòu)混合動(dòng)力總成的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和動(dòng)力傳遞路線，設(shè)計(jì)了在動(dòng)力總成試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)量P2 混動(dòng)電機(jī)扭矩的試驗(yàn)方案，解決了不直接生產(chǎn)電機(jī)的混合動(dòng)力生產(chǎn)企業(yè)無(wú)法測(cè)量電機(jī)性能的難題，使其能夠更好地掌握外購(gòu)電機(jī)的性能，便于對(duì)其混合動(dòng)力總成產(chǎn)品進(jìn)行更好地優(yōu)化設(shè)計(jì)，節(jié)約了投資成本，縮短了開(kāi)發(fā)周期。