一種新能源混合動力汽車臺架尾排系統啟停控制設計

徐蘭欣，蘇長樹，張 偉

（長城汽車股份有限公司技術中心 河北省汽車工程技術研究中心，河北 保定 071000）

新能源混合動力汽車 （Hybrid Electrical Vehicle，簡稱HEV）是指同時裝備兩種動力來源——熱動力源 （由傳統的汽油機或者柴油機產生）與電動力源 （電池與電動機）的汽車。通過在混合動力汽車上使用電機，使得動力系統可以按照整車的實際運行工況要求靈活調控，而發動機保持在綜合性能最佳區域內工作，從而降低油耗與排放。

新能源混合動力臺架主要用于新能源混合動力汽車兩驅或四驅道路工況模擬，對由發動機+電機+變速器組成的混合動力系統進行測試或對新能源混合動力汽車整車性能進行測試，可進行新能源汽車駕駛動態、變速器箱體和旋轉部件應變極限評估、燃油消耗優化、控制單元基礎標定、混合動力總成性能評估和優化等。

因此，新能源混合動力臺架涉及純電或與發動機混合驅動行駛工況，過程中發動機不定時啟停。CO和碳氫等有害氣體在發動機運行時大量產生，而在發動機停機即純電行駛，則不會產生。因此本著高效和能源節約原則，探索在封閉的臺架試驗環境中實現尾排適時啟停很有意義。

1 AVL臺架簡介

新能源混合動力測試臺架既要滿足兩驅測試，又要滿足四驅測試，并兼顧動力總成和整車測試，支持各種測試程序，以確保達成駕駛性能評估和特定壽命考核等開發目標。經過綜合評價，我公司引進奧地利AVL李斯特公司 （以下簡稱“AVL”）生產的混合動力測試臺架，其所提供動力測試系統解決方案包括兩個主要配置。第一個是內燃機+電機+變速器的組合測試；第二個是真實的整車測試。兩種配置可在穩定的環境條件下復現真實測試結果，在動力總成臺架上實現理想的加載可以接近整車在真實道路上測試。圖1為AVL動力總成臺架。

圖1 AVL動力總成臺架

AVL臺架PUMA OPEN自控系統，包括自控系統軟件和硬件，其被測單元控制接口包括CAN接口板及CAN Real-Time驅動，是總成測試的自控集成式平臺，可為用戶提升測試任務及測試系統的復雜性。系統提供自動運行控制、模擬軟件以及I／O接口和控制子系統、測量設備和操作界面；通過Visual Basic腳本編輯，還提供一個靈活用于擴展圖形化庫組件，以實現用戶特定功能。

AVL實時環境ARTETM確保所有I／O系統和關聯的計算過程準確交互。

在主要由PUMA OPEN和EMCON系列400及新能源車輛混合動力部件 （前橋：發動機及其變速器、BSG電機及其控制器；后橋：MCU電機及其控制器及其二擋減速機）所組成的動力總成測試臺架中，4個測功機用來模擬汽車道路負載，通常有幾個控制器 （如HCU、EMS、TCU、BSG、MCU、ACU）同時工作于此系統中，每個控制器間通過CAN總線（PT_CAN、HC_CAN、HP_CAN）交換數據，同時總線數據又可以和PUMA OPEN進行實時數據交換及實時總線殘余信號模擬，就如同一輛真實車輛在實際道路中行駛。臺架測試結構框圖如圖2所示。

圖2 臺架測試結構框圖

2 項目要求

為保證臺架測試不間斷運行，避免其運行過程中產生的尾氣危害人員身體健康和造成能源浪費，經論證，利用PUMA OPEN自控系統對用戶開放的優勢來實現尾排自動啟停具有可實施性和便利性。

車輛有AUTO ／POWER／SAVE ／PURE和AWD幾種駕駛模式，在不同模式間切換或同一模式下運行，發動機會根據車輛運行狀況隨時啟停。如從PURE切至POWER／AWD／SAVE MODE任一模式時，發動機800ms內啟動；AUTO模式，當SOC低于25%或加速需求大于2.6m／s2時，發動機亦在800ms內啟動；在PURE模式，車速低于120km／h或AUTO模式的某些工況又要求發動機必須停運。總之，發動機啟停狀態具有隨機性，所以關聯發動機轉速信號，是實現本設計的關鍵所在。

3 開發過程

3.1 臺架PUMA OPEN自控系統硬件介紹

AVL動力總成臺架PUMA OPEN系統與前端模塊F-FEM通過高性能IEEE 1394總線聯接，采用400 Mbit／s傳輸率與模塊精確同步。AVL F-FEM前端模塊通道配置情況見表1。

表1 AVL F-FEM前端模塊通道類型情況

3.2 利用PUMA OPEN自控系統硬件

PUMA OPEN系統其前端模塊F_FEM通道結構：AVLF_FEM_CON模塊電氣參數：3個IEEE1394接口；4個獨立的計數器通道；18個數字量輸入通道；26個數字量輸出通道；4個模擬量輸入通道；4個模擬量輸出通道；2個頻率輸出通道；供電電源：24VDC。其內部原理圖如圖3所示。

圖3 F_FEM_CON模塊內部原理圖

通道選擇：通過以上模塊通道特性和本設計比較以及模塊使用備用情況，得出F_FEM_CON模塊Digital Output通道X14和X19適用，可完成對尾排系統啟停輸入控制。

3.3 軟件設計

基于PUMA OPEN自控系統提供的自動化控制和軟件處理能力，包括接口硬件到AVL I／O控制系統和強大的Formula Device Example公式編輯器 （簡稱FDV）功能。ARTE與其基于F-FEM的通用主時鐘可確保在線同步數據采集、數據計算和處理以及無延遲的 UUT、測功機和模擬控制。通過來自與動力總成進行實時數據交換的PUMA OPEN自控系統，俘獲HP_CAN總線上Engine Speed信號來確認發動機運行狀態信息。

3.3.1 變量定義

配置硬件F_FEM_CON通道后定義FDV公式編輯器變量，如表2所示。

表2 變量表

3.3.2 軟件程序設計

本著安全和能源節約原則，無論臺架處于何種工況，發動機啟動尾排系統亦應隨即啟動運行，發動機停止尾排系統亦應延時后停止運行。據此，利用PUMA OPEN自控系統自帶的FDV編輯器功能，軟件程序設計如下：

dim n，m，i，p，q，r

public draft_fan_start，draft_fan_stop

if enginespeed>200 then

draft_fan_start=1

draft_fan_stop=0

endif

if draft_fan_start=1 then ／*啟動信號置1后，初始化計數器n，而非在程序開始初始化計數器，避免因每執行一次程序計數器都要初始化，導致n一直等于1*／

n=0

if m<3 then

m=m+1

endif

endif

if m=3 then

m=0

p=1

endif

if p=1 then ／*完成標志位p，避免啟動信號在0和1之間跳動*／

draft_fan_start=0

endif

if DEM_K15=0 and p=1 then ／*發動機停止條件設為DEM_K15=0（DEM_K15為KL15上下電按鈕），而不是enginespeed<200rpm，因為發動機斷電后信號立即變為無效，采集不到轉速小于200rpm*／

m=0

if n<10 then／*完成標識位p的判斷條件，避免在發動機停機后，停止信號在0和1之間跳動）*／

n=n+1

endif

endif

if n=10 then

n=0

p=0

q=1

endif

if q=1 then ／*完成標志位q，避免停止信號在0和1之間跳動*／

draft_fan_stop=1

endif

if draft_fan_stop=1 then

if i<3 then

i=i+1

endif

endif

if i=3 then

i=0

r=1

q=0

endif

if r=1 or draft_fan_start=1 then ／*完成標志位r，避免停止信號在0和1之間跳動；增加“draft_fan_start=1”條件，避免停止信號置1時，發動機突然再次啟動，造成開啟和停止信號同時置1*／

draft_fan_stop=0

endif

r=0 ／*“r=0”，避免上一個if語句無限循環*／

4 結束語

新能源動力總成試驗室承擔著新能源混合動力汽車研發的重要任務，其安全、高效及節約化運行始終是我們堅持不懈的追求目標。此種控制思路實施簡單，只需簡單編制FDV公式編輯器程序，無需增加任何硬件和軟件成本費用，利用其設備固有的軟硬件資源即可實現，不失為一種值得提倡和應用的好方法。