P2混動系統(tǒng)臺架模擬測試研究

楊金民 方立輝 王君 張新亮 張凱

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

1 引言

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

與傳統(tǒng)動力總成的臺架測試不同的是，P2架構(gòu)混合動力總成由于新增的電機，臺架設(shè)備方面需要新增電池模擬器（或?qū)嵻囯姵兀殡姍C提供電能，新增功率分析儀對電機進行分析測試；在測試方案方面，由于混合動力系統(tǒng)有多種運轉(zhuǎn)模式，需要重新設(shè)計試驗測試方案。

2 P2混動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點

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

該套混合動力總成可以實現(xiàn)EV模式、AUTO模式、HOLD模式等多種模式的運行。EV模式為純電行駛模式，僅由ISG電機進行驅(qū)動；AUTO模式為自動模式，整車控制器HCU根據(jù)電量多少和駕駛員的駕駛需求自動切換運轉(zhuǎn)模式，發(fā)動機、ISG電機和HSG電機協(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混動系統(tǒng)包含兩套高壓電機，兩電機作為驅(qū)動源均需要外部設(shè)備為其提供345V高壓直流電，作為發(fā)電機進行發(fā)電需要外部設(shè)備吸收或儲存該部分電能。在混合動力車上，實車高壓電池的作用就是為電機提供電能并能吸收電機發(fā)出的電能。

在P2混合動力總成研發(fā)初期，由于沒有整車項目，并沒有合適規(guī)格的實車電池可用于試驗測試，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)的混合動力總成相匹配，高壓電池需要根據(jù)混合動力總成的性能參數(shù)進行重新開發(fā)，而一套全新電池的開發(fā)需要大量的時間周期，且一旦混合動力總成的參數(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。

使用電池模擬器進行試驗，則不存在上述問題。將電池單體的實測特性數(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)混合動力系統(tǒng)的運行測試結(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力總成在開發(fā)初期無合適電池可用的問題，還能為以后混合動力整車項目的動力電池產(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踏板開度關(guān)系

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

在使用功率分析儀時，需要配合電流傳感器進行電流的測量，高精度的電流傳感器一般為封閉式霍爾傳感器，在使用時必須將被測電纜從電流傳感器的中間穿過才能實現(xiàn)對電流的測量。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，三條高壓線無法分離，因此無法安裝電流傳感器，高壓線束為全封閉式線束，也無電壓測點，無法實現(xiàn)對三相高壓交流電的電壓和電流的測量。

為了解決沒有電壓測點和電流傳感器無法安裝的問題，設(shè)計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)均套有一個電流傳感器，固定在接線箱內(nèi)，將電機控制器交流輸出端與銅排的一端連接，將電機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法測量的問題，還具有通用型，接線方便，可適用于不同高壓線接口規(guī)格的電機和電機控制器，并能保證具有良好的屏蔽功能，在電機工作時不會對低壓控制器產(chǎn)生電磁干擾。

5 整車參數(shù)的模擬

在臺架上進行P2架構(gòu)混合動力總成的模擬測試，必須要由臺架為混動系統(tǒng)控制器HCU發(fā)送必要的車輛相關(guān)信號，才能保證混合動力總成的正常運轉(zhuǎn)；必須要提供與實車運行一致的工況才能保證試驗測試的準(zhǔn)確性。

5.1 加速踏板與制動踏板的模擬

P2架構(gòu)混合動力總成具有能量回收功能，在剎車減速的過程中，電機可以發(fā)電回收能量，不同于傳統(tǒng)動力總成，混動系統(tǒng)的制動過程不僅僅是機械制動，還有電機發(fā)電制動的參與，HCU根據(jù)自身策略分配電制動和機械制動的比例。為了實現(xiàn)電制動功能，臺架必須新增制動踏板開度信號提供給HCU，而且在運行NEDC、WLTC等法規(guī)工況時，制動踏板開度信號必須要與加速踏板信號一起進行PID調(diào)節(jié)，才能保證實際行駛車速與法規(guī)的需求值相當(dāng)。

臺架通過模擬量輸出通道輸出新增的制動踏板開度信號給HCU，為了實現(xiàn)與加速踏板信號協(xié)同進行PID調(diào)節(jié)，對原加速踏板信號的行程進行重新分配，原加速踏板開度0%~10%分配為制動踏板開度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信號模擬

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

5.3 道路阻力模擬

臺架必須要能夠準(zhǔn)確模擬實車在道路上行駛的道路阻力，才能保證運轉(zhuǎn)測試工況與實車一致，達到與實車相同的測試效果。在沒有樣車時，可以根據(jù)匹配車輛的車重，依據(jù)經(jīng)驗公式計算出車輛在道路上運行時在不同車速下受到的道路阻力，將道路阻力與車速的對應(yīng)關(guān)系導(dǎo)入到臺架的道路模擬模型中，實現(xiàn)臺架對運行過程中道路阻力的模擬。

圖4 整車CAN網(wǎng)絡(luò)示意圖

6 試驗測試

使用東安汽發(fā)生產(chǎn)的P2架構(gòu)混合動力總成在臺架上進行NEDC、WLTC、驅(qū)動系耐久等實際試驗工況的測試，混合動力總成各組成部件運轉(zhuǎn)正常，各控制模塊與臺架通訊正常，混動控制器HCU可以實現(xiàn)對動力總成的協(xié)調(diào)控制，可以完成模擬實車運行的各項試驗，試驗測試結(jié)果見圖5和圖6。

7 結(jié)語

針對東安汽發(fā)生產(chǎn)的P2架構(gòu)混合動力總成的結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計了在臺架上進行試驗測試的方案，應(yīng)用了電池模擬器、功率分析儀等新設(shè)備，實現(xiàn)了臺架對整車參數(shù)和道路阻力的模擬。在沒有試驗樣車的情況下，成功在臺架上實現(xiàn)了P2混動系統(tǒng)的模擬運轉(zhuǎn)測試，保證了P2混動系統(tǒng)的開發(fā)進展，節(jié)約了試驗成本，縮短了試驗周期。

圖5 NEDC循環(huán)工況運行結(jié)果

圖6 驅(qū)動系耐久試驗運行結(jié)果