基于AVL臺架的BSG電機(jī)性能測試方法研究

余劍　馮春暉　朱時敏　洪先建　陸思灝

摘 要：針對BSG電機(jī)系統(tǒng)具有高轉(zhuǎn)速、低扭矩的性能特點(diǎn)以及在整車上通過皮帶傳遞扭矩而無同軸度對中要求的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了使用多楔帶傳動的性能測試試驗(yàn)工裝，能夠?qū)崿F(xiàn)較高轉(zhuǎn)速BSG電機(jī)系統(tǒng)在較低轉(zhuǎn)速的AVL測功機(jī)上進(jìn)行性能測試。試驗(yàn)結(jié)果表明：該試驗(yàn)方法能夠滿足BSG電機(jī)性能測試要求，同時具有工裝簡易、安裝方便、試驗(yàn)過程中能有效降低測功機(jī)及被測電機(jī)振動值的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：BSG電機(jī) 多楔帶 性能測試

Research on Performance Test Method of BSG Motor Based on AVL Test Bench

YuJian，F(xiàn)eng Chunhui，Zhu Shimin，Hong Xianjian，Lu Sihao

Abstract：In view of the BSG motor system's performance characteristics of high speed and low torque， and the structural characteristics of transmitting torque through the belt on the whole vehicle without coaxiality centering requirements， a performance test tool using multi-ribbed belt transmission is designed， which can achieve the high-speed BSG motor system on a lower-speed AVL dynamometer. The test results show that the test method can meet the BSG motor performance test requirements， and has the characteristics of simple tooling， convenient installation， and effective reduction of the vibration value of the dynamometer and the tested motor during the test.

Key words：BSG motor， multi-ribbed belt， performance testing

1 引言

近年來，隨著汽車保有量的逐年增加，汽車在城市運(yùn)行中交通擁堵現(xiàn)象不斷加劇，車輛怠速停車的工況占比隨之變高，車輛的油耗及排放更加惡化。迫于環(huán)保和能源的壓力，政府出臺了一系列節(jié)能減排的政策，推進(jìn)車企完成降低油耗的任務(wù)，為達(dá)到法規(guī)要求，各車企及科研單位加大了新能源汽車與降低能耗的技術(shù)研發(fā)。在此背景下，BSG電機(jī)作為一種有效的節(jié)能技術(shù)，日益受到業(yè)界的關(guān)注[1-2]。

BSG（Belt-Driven Starter Generator）電機(jī)系統(tǒng)，位于發(fā)動機(jī)前端，通過皮帶傳動的方式與發(fā)動機(jī)相連，兼顧啟動和發(fā)電的一體機(jī)，主要應(yīng)用于輕混技術(shù)路線的車型當(dāng)中，其主要優(yōu)勢在于技術(shù)門檻相對較低、可以快速應(yīng)用即取得一定的節(jié)能效果[3]。

BSG電機(jī)系統(tǒng)作為混合動力汽車動力總成的關(guān)鍵零部件之一，其性能參數(shù)直接影響整車的動力性、經(jīng)濟(jì)性和舒適性。而臺架試驗(yàn)是精確測量電機(jī)系統(tǒng)性能參數(shù)，縮短開發(fā)測試周期、降低開發(fā)風(fēng)險與成本的有效手段。本文根據(jù)《GB/T 18488.1-2015電動汽車用驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng) 第1部分：技術(shù)條件》、《GB/T 18488.2-2015電動汽車用驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng) 第2部分：試驗(yàn)方法》中電機(jī)性能測試的要求，基于現(xiàn)有的AVL電機(jī)測試臺架，設(shè)計(jì)了使用多攜帶傳動的測試試驗(yàn)工裝，完成了一套BSG電機(jī)系統(tǒng)的相關(guān)的性能試驗(yàn)[4-5]。

2 電機(jī)系統(tǒng)性能試驗(yàn)臺架總體架構(gòu)

本文中電機(jī)系統(tǒng)性能試驗(yàn)臺架結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主要包括：配電系統(tǒng)、AVL電力測功機(jī)系統(tǒng)、電池模擬器、測量系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、環(huán)境艙等幾個部分。

配電系統(tǒng)用于給電池模擬器、測功機(jī)變頻器、環(huán)境艙、冷卻系統(tǒng)提供380V交流電源。

AVL電力測功機(jī)系統(tǒng)主要包括測功機(jī)及測試臺架、測功機(jī)操控系統(tǒng)。測試臺架用作被測電機(jī)與電力測功機(jī)的機(jī)械連接裝置，電力測功機(jī)用于模擬被測電機(jī)系統(tǒng)的負(fù)載或吸收被測電機(jī)產(chǎn)生的電能從而分別用來測試被測電機(jī)的電驅(qū)動性能和發(fā)電性能，測功機(jī)操控系統(tǒng)主要包括控制柜和PUMA open測控軟件，用于對整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)測量與控制。

電池模擬器用來給被測試電機(jī)系統(tǒng)提供高壓直流電源或吸收被測電機(jī)產(chǎn)生的電能回饋給電網(wǎng)。

測量系統(tǒng)主要包括扭矩、轉(zhuǎn)速傳感器和功率分析儀，傳感器安裝于測試臺架被測電機(jī)與電力測功機(jī)之間，用來測量機(jī)械系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速，而功率分析儀主要用于測量被測試電機(jī)系統(tǒng)直流側(cè)與交流側(cè)的電氣參數(shù)，并通過TCP/IP通訊方式與測功機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)交換。

冷卻系統(tǒng)主要包括油冷機(jī)、水冷機(jī)、風(fēng)冷機(jī)，用于對測功機(jī)或被測試件進(jìn)行冷卻，通過CAN總線實(shí)現(xiàn)與測功機(jī)測控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時交互。環(huán)境艙用于實(shí)現(xiàn)被測試件測試過程中溫濕度的控制。

3 BSG電機(jī)性能試驗(yàn)工裝設(shè)計(jì)

3.1 試驗(yàn)工裝整體方案設(shè)計(jì)

新能源車用驅(qū)動電機(jī)普遍具有轉(zhuǎn)速較高的特點(diǎn)，在進(jìn)行性能試驗(yàn)時還會測試電機(jī)的超速工況，因此測試電機(jī)輸出軸與測功機(jī)輸出軸連接處同軸度要求較高，在實(shí)際測試過程中，一般通過臺架性能測試工裝與電機(jī)輸出端止口或銷孔配合來控制裝配系統(tǒng)的同軸度裝配精度。而BSG電機(jī)系統(tǒng)在整車上通過多楔帶與發(fā)動機(jī)相連，被測電機(jī)產(chǎn)品自身并無止口或銷孔等能保證同軸度的定位結(jié)構(gòu)，同時，BSG電機(jī)允許的最高轉(zhuǎn)速一般較高（大于15000r/min），測試過程中如果采用被測件與測功機(jī)直連方式，對于測功機(jī)臺架的轉(zhuǎn)速要求太高。因此，需要根據(jù)BSG電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)適用的工裝。

某被測試BSG電機(jī)參數(shù)及輸出端帶輪參數(shù)（表1）如下：

根據(jù)被測試BSG電機(jī)參數(shù)，設(shè)計(jì)了如圖（圖2）所示的測試工裝，該測試工裝通過PK型皮帶及皮帶輪裝置將被測樣件輸出軸與測功機(jī)輸出軸相連，并且被測樣件通過試驗(yàn)支架安裝于測功機(jī)固定底座上，為保證兩輸出軸端皮帶輪平行和方便給多楔帶施加預(yù)緊力，試驗(yàn)支架在輸出軸水平方向上設(shè)計(jì)為可移動裝置，通過擰緊螺栓調(diào)節(jié)多攜帶上預(yù)緊力的大小。

3.2 測試工裝多楔帶設(shè)計(jì)

被測試BSG電機(jī)安裝有PK型帶輪，帶輪有效直徑為dp=60mm，楔槽數(shù)為6，根據(jù)現(xiàn)有測功機(jī)尺寸，初步設(shè)計(jì)測功機(jī)端大帶輪直徑尺寸D=150mm，選用PK1000型多楔帶，其有效長度L=1000mm，根據(jù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件可繪制如圖3所示傳動示意圖[6]：

經(jīng)測量，中心距a≈340.5mm，小帶輪包角α1≈166.5°，大帶輪包角α2≈193.5°。

多楔帶線速度：Vmax=π×dp×n/（60×1000）=56.5m/s;

試驗(yàn)過程中，多楔帶的預(yù)緊力是保證傳動系統(tǒng)可靠運(yùn)行的必要條件，預(yù)緊力過大會使皮帶壽命降低，預(yù)緊力不足則會產(chǎn)生打滑，影響測試結(jié)果的準(zhǔn)確性的同時還會造成多楔帶發(fā)熱燒毀。因此，試驗(yàn)前需要計(jì)算多楔帶張緊力，方法如下：

設(shè)計(jì)傳動功率Pd，多楔帶有效拉力F：

F=Pd/V;V=π×dp×n/（60×1000）;

式中：F為克服傳動阻力，使帶輪傳動的有效拉力，單位：N;

Pd為設(shè)計(jì)傳動功率，單位：W;dp為主動輪節(jié)圓直徑，單位：mm;

N為主動輪轉(zhuǎn)速，單位：r/min;

多楔帶預(yù)緊力：

a、緊邊拉力F1=FKr/（Kr-1）+mV2，Kr=eμα;

式中：Kr為表楔合系數(shù);μ為摩擦系數(shù)，取0.5;α為包角（°）;m 為多楔帶單位皮帶質(zhì)量，一般取0.017 kg/m

b、被測試BSG電機(jī)小帶輪驅(qū)動（電動）工況下：線速度Vmax=π×dp×n/（60×1000）=56.5m/s;有效拉力F=Pd/V=584N，楔合系數(shù)Kr=e0.5x166.5/180xπ =4.3，緊邊張力F1=584×4.3/（4.3-1）+0.017×56.52=815.2N。

c、被測試BSG電機(jī)小帶輪從動（饋電）工況下：線速度Vmax=π×dp×n/（60×1000）=56.5m/s;有效拉力F=Pd/V=584N，楔合系數(shù)Kr=e0.5x193.5/180xπ =5.6，緊邊張力F1=584×5.6/（5.6-1）+0.017×56.52=765.2N。

4 BSG電機(jī)性能試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)臺架搭建

基于現(xiàn)有的AVL測功機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)，根據(jù)第三章中設(shè)計(jì)的試驗(yàn)工裝，搭建了如圖4（a）所示的試驗(yàn)環(huán)境，多楔帶輪的緊邊張緊力通過音波式皮帶輪張力計(jì)進(jìn)行測量，旋動張緊力擰緊螺栓，將帶輪張緊力調(diào)節(jié)到設(shè)計(jì)值圖4（b）。

新搭建的BSG電機(jī)試驗(yàn)環(huán)境，能夠完成該款電機(jī)的性能參數(shù)測試，測試主要內(nèi)容包括：轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性，功率-轉(zhuǎn)速特性、效率特性、溫升特性等。

為實(shí)現(xiàn)對被測試BSG電機(jī)系統(tǒng)性能參數(shù)的全面有效分析，必須保證不同設(shè)備所測數(shù)據(jù)的實(shí)時性和同步性。本文采用功率分析儀統(tǒng)一測量轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速傳感器、電池模擬器、電流傳感器的參數(shù)值，通過TCP/IP協(xié)議集成傳輸?shù)絇UMA OPEN系統(tǒng)、從而實(shí)現(xiàn)了所有測量數(shù)據(jù)的實(shí)時同步測量與記錄，保證了數(shù)據(jù)的一致性和準(zhǔn)確性。

PUMA Open控制系統(tǒng)測量到的被測BSG電機(jī)系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)顯示界面如圖5所示。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

基于本文搭建的BSG電機(jī)性能試驗(yàn)臺架，按照《GB/T 18488.1-2015電動汽車用驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng) 第1部分：技術(shù)條件》中5.4章節(jié)測試要求，測量得到該款BSG電機(jī)輸入-輸出特性如圖6所示。

通過測試數(shù)據(jù)可看出，被測試BSG電機(jī)峰值扭矩實(shí)測值為53.1Nm，峰值功率實(shí)測為33.2KW，系統(tǒng)最高效率為93.7%。測量結(jié)果表明，基于本文搭建的BSG電機(jī)性能測試系統(tǒng)能有效測量被測試電機(jī)的性能。

5 總結(jié)

本文基于現(xiàn)有的AVL測功機(jī)臺架測試系統(tǒng)，設(shè)計(jì)多楔帶傳動試驗(yàn)工裝，采用功率分析儀同步測量試驗(yàn)數(shù)據(jù)并傳輸?shù)絇UMA Open控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)較高轉(zhuǎn)速BSG電機(jī)系統(tǒng)在較低轉(zhuǎn)速的AVL測功機(jī)上進(jìn)行性能測試，并測量到有效數(shù)據(jù)，為BSG電機(jī)性能測試和整車開發(fā)試驗(yàn)提供了測試數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

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