P2混動模塊耐久臺架試驗方法

黃寅 劉翀 李雨泓

（上汽通用五菱汽車股份有限公司）

P2混動模塊（以下簡稱P2）的耐久性考核的方法一般分為2種[1]，一是實(shí)車道路試驗方法，該方法是考核車輛及其總成可靠性的最直接且最實(shí)際的試驗方法，但是這種試驗方法周期長，成本高，并且由于受車上空間限制，一些測量點(diǎn)無法進(jìn)行；二是通過臺架試驗的方法，該方法不但能克服以上困難，也能考核P2的耐久性，但是臺架試驗?zāi)苣M的工況有限，而且不帶整車控制器，由臺架系統(tǒng)控制，跟整車控制器控制策略有一定區(qū)別。雖然有這方面的缺點(diǎn)，但臺架試驗可以采集需要的測量點(diǎn)和試驗數(shù)據(jù)，而且能通過試驗數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析P2的可靠性，還能縮短試驗周期、降低試驗成本。然而，目前還沒有統(tǒng)一的、可借鑒的混合動力總成P2耐久試驗方法及標(biāo)準(zhǔn)。文中針對混合動力總成P2耐久考核介紹臺架試驗方法、試驗臺以及有關(guān)的計算方法。

1 臺架搭建方案

1.1 P2混動模塊的工作原理

混合動力系統(tǒng)可按多種方式分類，其中用P(Position)代表電氣化部件的架構(gòu)以及電機(jī)的位置，不同的位置使用不同的數(shù)字代號，將單電機(jī)混合動力系統(tǒng)劃分為P1、P2、P3等構(gòu)型。該混合動力總成為P2式結(jié)構(gòu)，如圖1所示，P2位于發(fā)動機(jī)和變速箱之間，由發(fā)動機(jī)、P2、變速箱、各控制器組成。動力傳遞為發(fā)動機(jī)→P2→變速箱→左右半軸→測功機(jī)。P2與變速箱為花鍵連接，P2可直接經(jīng)過變速箱驅(qū)動起步或行駛；P2與發(fā)動機(jī)也為花鍵連接，P2內(nèi)部集成有離合器，離合器可控制發(fā)動機(jī)的動力傳遞；當(dāng)使用純電動模式，離合器斷開，P2單獨(dú)驅(qū)動車輪工作；當(dāng)使用混動模式，離合器接合，發(fā)動機(jī)與P2共同驅(qū)動車輪工作。

圖1 試驗臺架結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 臺架搭建

如圖2所示，該總成采用整車懸置，通過過渡工裝與支撐腿連接。發(fā)動機(jī)前懸，后懸采用龍門結(jié)構(gòu)雙腿支撐，左懸為單腿支撐，并且在排氣側(cè)也增加單腿支撐點(diǎn)，4點(diǎn)6支撐腿搭建方法提高了試驗穩(wěn)定性。

圖2 試驗臺架照片

高壓電通過電池模擬器給P2供電，低壓電通過線速給各控制單元及傳感器供電。

發(fā)動機(jī)、P2、電機(jī)控制器均為水冷。由于各個部件對冷卻系統(tǒng)的溫度、流量及壓力等指標(biāo)要求不同，因此冷卻系統(tǒng)分2套，且完全獨(dú)立。一套給發(fā)動機(jī)系統(tǒng)使用，一套給P2、電機(jī)控制器串聯(lián)使用。設(shè)備確保冷卻液溫度、流量、壓力等參數(shù)滿足各系統(tǒng)的冷卻指標(biāo)要求。

由于取消整車控制器HCU，所以各控制器均由臺架系統(tǒng)控制，臺架測試系統(tǒng)通過CAN通訊與各控制器（ECU、PEU、ACU、TCU）建立通訊。

2 P2混動模塊試驗方法

2.1 試驗工況

P2混動模塊有2種運(yùn)行模式，一種為混動模式及發(fā)動機(jī)和P2共同運(yùn)行，一種為純電動模式即只有P2運(yùn)行。所以試驗工況可分為混動工況和純電動工況2大類。試驗工況由不同的負(fù)載、操作程序、標(biāo)準(zhǔn)化循環(huán)和現(xiàn)實(shí)駕駛場景組成。試驗工況體現(xiàn)了P2在不同工況中的運(yùn)行狀態(tài)，比如城市工況、壞路工況、性能工況及高速工況。可根據(jù)試驗需求去定義這些工況。

通過采集整車路譜的參數(shù)可知有P2電機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、P2電機(jī)扭矩、發(fā)動機(jī)扭矩及離合器扭矩，將這些路譜數(shù)據(jù)編輯成試驗工況在臺架上模擬試驗。當(dāng)運(yùn)行純電動工況時，發(fā)動機(jī)不工作，離合器斷開，只有P2電機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)扭矩工作。這樣就可采用AVL臺架PUMA Open系統(tǒng)的N/T（轉(zhuǎn)速/扭矩）控制模式[2]，鎖定變速箱速比，臺架系統(tǒng)控制測功機(jī)輪端轉(zhuǎn)速從而達(dá)到控制P2轉(zhuǎn)速的目的，可通過速比公式計算出輪端轉(zhuǎn)速。臺架系統(tǒng)通過CAN通訊給PEU發(fā)送P2目標(biāo)扭矩。這樣臺架就能模擬純電動工況試驗。

式中：No——輪端轉(zhuǎn)速，r/min；

Np2——P2電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；

i——傳動比。

當(dāng)運(yùn)行混動工況時，離合器閉合，發(fā)動機(jī)與P2電機(jī)共同工作。同樣采用N/T（轉(zhuǎn)速/扭矩）控制模式，輸出端控制測功機(jī)輪端轉(zhuǎn)速，臺架系統(tǒng)通過CAN通訊發(fā)送發(fā)動機(jī)目標(biāo)扭矩、P2目標(biāo)扭矩和離合器目標(biāo)扭矩。當(dāng)離合器閉合，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速跟隨電機(jī)轉(zhuǎn)速保持一致，所以不需要控制發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速。這樣臺架就能模擬混動工況試驗。離合器扭矩表示離合器狀態(tài)，如表1所示。

表1 離合器狀態(tài)

2.2 換擋策略

臺架運(yùn)行工況中采用鎖定變速箱速比的方法，所以變速箱不參與動態(tài)換擋，只需要離合器模擬換擋動作。在混動工況中，當(dāng)換擋時，離合器斷開，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速不受控，僅依靠工況里固定的發(fā)動機(jī)目標(biāo)扭矩?zé)o法有效調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速去跟隨P2電機(jī)轉(zhuǎn)速。為了在換擋后期離合器接合時，減小離合器的滑磨產(chǎn)生的能量，就要對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)，減小發(fā)動機(jī)和P2電機(jī)轉(zhuǎn)速差。采用PID控制能有效調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，PID參數(shù)可根據(jù)經(jīng)驗值設(shè)置[3]。如圖3所示。

圖3 離合器扭矩控制示意圖（換擋過程）

階段1：工況運(yùn)行讀到換擋請求，為了防止離合器在斷開過程中發(fā)動機(jī)扭矩克服離合器扭矩做功飛車，發(fā)動機(jī)提前降低扭矩。離合器準(zhǔn)備斷開，此時離合器扭矩為250 N·m，完全貼合狀態(tài)。

階段2：離合器扭矩為-2 N·m，完全脫開狀態(tài)。開始激活PID功能，發(fā)動機(jī)以P2轉(zhuǎn)速為目標(biāo)轉(zhuǎn)速開始調(diào)速。

階段3：離合器扭矩為20 N·m，脫開狀態(tài)。停止PID調(diào)速。

階段4：離合器扭矩為250 N·m，完全貼合狀態(tài)。換擋結(jié)束。

在P2耐久試驗中，雖無實(shí)際的換擋動作，但為模擬實(shí)際P2的使用，混動工況下有很多離合器的開閉（純電動工況離合器常開即可）。發(fā)動機(jī)調(diào)速可通過AVL臺架PUMAOpen系統(tǒng)中的PID功能去編輯。

2.3 發(fā)動機(jī)啟動策略

2種工況切換及混動工況運(yùn)行過程涉及到發(fā)動機(jī)的啟停，單一固定模式的試驗工況很難滿足帶有邏輯的發(fā)動機(jī)啟動，而且沒整車控制器，這就需要在臺架系統(tǒng)編輯發(fā)動機(jī)啟動策略[4]，在試驗工況中調(diào)用發(fā)動機(jī)啟動策略。如圖4所示。

圖4 離合器扭矩控制示意圖（啟動過程）

階段1：當(dāng)P2電機(jī)運(yùn)行到一定轉(zhuǎn)速，工況讀到啟動請求時，開始調(diào)用啟動策略，離合器準(zhǔn)備接合，此時離合器扭矩為-2 N·m。

階段2：離合器扭矩半接合到65 N·m，發(fā)動機(jī)被倒拖，同時給發(fā)動機(jī)發(fā)動噴油信號。在該階段設(shè)置離開條件發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速大于600 r/min或結(jié)合時間大于300 ms，這樣能滑磨得到所需的發(fā)動機(jī)啟動轉(zhuǎn)速，還能防止滑磨時間過長損壞離合器。

階段3：ECU接收到指令并判斷轉(zhuǎn)速條件滿足后就自行啟動發(fā)動機(jī)，可設(shè)置報警監(jiān)控發(fā)動機(jī)是否啟動成功，防止啟動未成功繼續(xù)滑磨離合器。這時離合器斷開為-2 N·m，激活PID讓發(fā)動機(jī)以P2轉(zhuǎn)速為目標(biāo)值去調(diào)轉(zhuǎn)速。

階段4：這時離合器扭矩以緩坡速率結(jié)合到20 N·m，目的給發(fā)動機(jī)調(diào)速時間；當(dāng)離合器扭矩達(dá)到20 N·m，PID停止調(diào)速。

階段5：最后離合器再快速結(jié)合至250 N·m，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和P2轉(zhuǎn)速同步，啟動完成。繼續(xù)跟隨工況運(yùn)行。

3 P2混動模塊耐久試驗數(shù)據(jù)

3.1 純電動工況試驗數(shù)據(jù)

圖5為純電動工況臺架試驗數(shù)據(jù)，表示了臺架系統(tǒng)運(yùn)行純電動工況的有關(guān)參數(shù)變化歷程。P2反饋扭矩曲線和P2目標(biāo)扭矩曲線趨于一致，說明P2反饋扭矩很好的跟隨P2目標(biāo)扭矩。從純電動工況曲線變化的歷程可以看出臺架試驗的數(shù)據(jù)與實(shí)車路譜的數(shù)據(jù)變化趨勢一致。

圖5 純電動工況數(shù)據(jù)曲線

3.2 混動工況試驗數(shù)據(jù)

圖6為混動工況臺架試驗數(shù)據(jù)。曲線表示的是臺架系統(tǒng)運(yùn)行混動工況的有關(guān)參數(shù)變化歷程。離合器反饋扭矩曲線和離合器目標(biāo)扭矩曲線趨一致，說明離合器反饋扭矩很好的跟隨離合器目標(biāo)扭矩。當(dāng)離合器完全閉合及為250 N·m，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速曲線和P2轉(zhuǎn)速曲線貼合，說明發(fā)動機(jī)和P2電機(jī)一起工作；當(dāng)離合器斷開為-2 N·m，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為0，電機(jī)有轉(zhuǎn)速，說明發(fā)動機(jī)不工作，P2電機(jī)運(yùn)行。該圖表示混動工況發(fā)動機(jī)不斷啟停的過程。可以看出，臺架試驗的數(shù)據(jù)與實(shí)車路譜的數(shù)據(jù)變化趨勢一致。

圖6 混動工況數(shù)據(jù)曲線

圖7為混動工況臺架試驗數(shù)據(jù)，曲線表示的是臺架系統(tǒng)運(yùn)行混動工況的有關(guān)參數(shù)變化歷程。P2反饋扭矩和發(fā)動機(jī)反饋扭矩都很好跟隨各自的目標(biāo)扭矩。可以看出，臺架試驗的數(shù)據(jù)與實(shí)車路譜的數(shù)據(jù)變化趨勢一致。

圖7 混動工況數(shù)據(jù)曲線

3.3 發(fā)動機(jī)啟動策略試驗數(shù)據(jù)

圖8為發(fā)動機(jī)啟動策略臺架試驗數(shù)據(jù)。曲線表示的是發(fā)動機(jī)啟動過程的有關(guān)參數(shù)變化歷程。離合器先接合到65 N·m，當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速到953 r/min時，離合器開始斷開；當(dāng)離合器完全斷開為-2 N·m時，PID開始調(diào)速，同時發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速升高去跟隨P2轉(zhuǎn)速；最后離合器完全接合。啟動過程用離合器滑磨能量評價，滑磨能量過大會影響離合器的工作效率和使用壽命，由ACU反饋離合器滑磨能量值為5200 J，滑磨能量值滿足試驗要求。離合器滑磨能量根據(jù)經(jīng)驗公式計算[4]。可以看出，臺架試驗的數(shù)據(jù)與實(shí)車路譜的數(shù)據(jù)變化趨勢一致。

圖8 發(fā)動機(jī)啟動策略數(shù)據(jù)曲線

3.4 離合器模擬換擋策略試驗數(shù)據(jù)

圖9為離合器模擬換擋策略臺架試驗數(shù)據(jù)。曲線表示的是P2模塊內(nèi)置的離合器模擬換擋過程的有關(guān)參數(shù)變化歷程。當(dāng)離合器斷開時，激活PID功能去調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，讓發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速跟隨P2電機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)離合器開始接合時，兩者轉(zhuǎn)速差值為176 r/min，并且ACU反饋離合器滑磨能量值為0，滿足試驗要求。可以看出，臺架試驗的數(shù)據(jù)與實(shí)車路譜的數(shù)據(jù)變化趨勢一致。

圖9 離合器模擬換擋策略數(shù)據(jù)曲線

4 結(jié)論

從試驗數(shù)據(jù)的分析可以看出，文中提出的臺架試驗方法以及臺架搭建可以測試P2混動模塊的耐久試驗。由于不帶整車控制器HCU，文中將發(fā)動機(jī)啟動策略和模擬換擋策略運(yùn)用到臺架試驗。該策略簡單，容易實(shí)現(xiàn)。目前，在混動臺架試驗沒有明確標(biāo)準(zhǔn)下，所提出的臺架試驗方法和策略為混動臺架試驗起到了重要作用。