并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

蒙偉民

【摘 要】隨著新能源汽車的興起，混合動(dòng)力汽車既能滿足經(jīng)濟(jì)節(jié)能的目標(biāo)，又具有良好的動(dòng)力性能，深受消費(fèi)者信賴。文章基于模塊化設(shè)計(jì)，將試驗(yàn)臺(tái)分為動(dòng)力輸出模塊、慣量模擬模塊、負(fù)載模擬模塊、臺(tái)架測(cè)控模塊四大模塊，設(shè)計(jì)并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)。采用試驗(yàn)對(duì)象的動(dòng)力系統(tǒng)作為試驗(yàn)臺(tái)的基礎(chǔ)設(shè)施;慣量模擬模塊方面采用飛輪盤組模擬汽車行駛過程中的慣性;并且通過對(duì)汽車的受力分析，用測(cè)功機(jī)模擬輸出汽車在道路上的阻力;使用整車控制器進(jìn)行控制，并以CAN通信為基礎(chǔ)組成試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】并聯(lián)式混合動(dòng)力;動(dòng)力系統(tǒng);模塊化設(shè)計(jì);試驗(yàn)

【中圖分類號(hào)】U469.7 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2019）03-0069-03

0 前言

在節(jié)能減排的共同目標(biāo)與汽車保有量持續(xù)增長(zhǎng)的沖突下，發(fā)展混合動(dòng)力汽車成為一種解決該問題的方法。并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車因其動(dòng)力性能、排放性能好等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛運(yùn)用于混合動(dòng)力汽車中。而試驗(yàn)臺(tái)技術(shù)是研發(fā)混合動(dòng)力汽車的一個(gè)高效便捷的方法。

1 并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架的機(jī)械設(shè)計(jì)

基于模塊化設(shè)計(jì)的思想，將試驗(yàn)臺(tái)分為動(dòng)力輸出模塊、慣量模擬模塊、負(fù)載模擬模塊、臺(tái)架測(cè)控模塊四大模塊。

1.1 動(dòng)力輸出模塊

動(dòng)力輸出模塊主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、變速器、動(dòng)力電池、變速器、逆變器、動(dòng)力合成裝置等重要零部件。

1.2 慣量模擬模塊

慣量模擬模塊顧名思義就是用來(lái)模擬臺(tái)架試驗(yàn)平臺(tái)上的整車慣量。將整車等效慣量簡(jiǎn)化計(jì)算如公式（1）：J=m×r2/■。式（1）中：m為整車質(zhì)量，單位為kg;r為車輪滾動(dòng)半徑，單位為m;i0為主減速器速比。試驗(yàn)臺(tái)的慣量模擬方法有機(jī)械慣量模擬、液壓慣量模擬、電慣量模擬。慣性飛輪模擬方法花費(fèi)更少，慣性飛輪模擬中按飛輪形式分為單個(gè)飛輪盤和多個(gè)飛輪盤。單一飛輪盤無(wú)法滿足本試驗(yàn)臺(tái)的實(shí)驗(yàn)對(duì)象多樣性的要求，可采取二分法設(shè)計(jì)多個(gè)飛輪盤。圓柱體體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算如公式（2）：J=mR2/2。式（2）中：m為飛輪盤的重量，單位為kg;R為飛輪盤的半徑，單位為m。圓柱體的質(zhì)量密度如公式（3）：m=πR2hρ。式（3）中：m為飛輪盤的重量，單位為kg;R為飛輪盤的半徑，單位為m;h為飛輪盤的寬度，單位為m;ρ為飛輪盤的密度，單位為kg/m3。將公式（2）和公式（3）合并得公式（4）：J=mπρR4/2。

1.3 負(fù)載模擬模塊

負(fù)載模擬模塊的作用是試驗(yàn)臺(tái)部分試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)提供相應(yīng)的負(fù)載，是試驗(yàn)臺(tái)必不可少的一個(gè)模塊。本試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)采用測(cè)功機(jī)來(lái)模擬道路負(fù)載情況，改變動(dòng)力系統(tǒng)的負(fù)荷及轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到在試驗(yàn)臺(tái)上模擬車輛的不同工況。汽車行駛阻力的計(jì)算如下。

查閱汽車相關(guān)的理論可得汽車所受行駛阻力如公式（5）：∑F=Ff+Fw+Fi+Fj。式（5）中：Ff為滾動(dòng)阻力，F(xiàn)w為空氣阻力，F(xiàn)i為加速阻力，F(xiàn)j為坡度阻力。在上述諸阻力中，因?yàn)楸驹囼?yàn)臺(tái)并不是整車試驗(yàn)臺(tái)，無(wú)法通過滾筒進(jìn)行坡度模擬，所以在本試驗(yàn)試驗(yàn)內(nèi)容中假定汽車在平坦道路上行駛，忽略坡度阻力。接下來(lái)我們分析其他3種阻力。

（1）滾動(dòng)阻力Ff。由汽車?yán)碚撝R(shí)得知汽車收到的滾動(dòng)阻力如公式（6）：Ff=Gf（N）。式（6）中：G為汽車總重量，單位為kg;f為滾動(dòng)阻力系數(shù)。因?yàn)楸驹囼?yàn)臺(tái)是進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)且是動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)，所以在分析動(dòng)力系統(tǒng)時(shí)，可利用經(jīng)驗(yàn)公式大致估算，如經(jīng)驗(yàn)公式（7）：f=0.007 6+0.000 056ua。式（7）中：ua為汽車行駛速度，單位為km/h。

（2）空氣阻力FW。本試驗(yàn)臺(tái)只討論無(wú)風(fēng)條件下汽車的運(yùn)動(dòng)，即車輛行駛速度和風(fēng)速的合速度等于車輛行駛速度。根據(jù)汽車?yán)碚撝R(shí)可得汽車在無(wú)風(fēng)條件下所受的空氣阻力如公示（8）：FW=CD A■/21.15。式（8）中：CD為空氣阻力系數(shù);A為迎風(fēng)面積，單位為m2;ua為汽車行駛速度，單位為km/h。查表得典型轎車的迎風(fēng)面積為1.7～2.1 m2，空氣阻力CD為0.30～0.41。具體數(shù)值可從整車試驗(yàn)中得出。

1.4 臺(tái)架測(cè)控模塊

1.4.1 測(cè)控系統(tǒng)的原理

由混合動(dòng)力汽車控制系統(tǒng)可知，本試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)控系統(tǒng)可分為整車控制系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、動(dòng)力電池控制系統(tǒng)、變速器控制系統(tǒng)及測(cè)功機(jī)控制系統(tǒng)。

整車控制系統(tǒng)是本試驗(yàn)臺(tái)的主控制系統(tǒng)，通過評(píng)估駕駛員意圖（加速踏板和制動(dòng)踏板開度），計(jì)算動(dòng)力系統(tǒng)的需求并分配給發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)和電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)接受整車控制系統(tǒng)的能量?jī)?yōu)化分配，分別輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩儀得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳到工控機(jī)顯示。電池管理系統(tǒng)通過對(duì)動(dòng)力電池的電壓電流監(jiān)測(cè)計(jì)算出動(dòng)力電池SOC值，從而控制動(dòng)力電池的能量流動(dòng)，確保發(fā)動(dòng)機(jī)處于高效率區(qū)域。變速器控制系統(tǒng)根據(jù)整車控制系統(tǒng)的變速要求，控制變速器進(jìn)行擋位轉(zhuǎn)換到目標(biāo)擋位。測(cè)功機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)整車控制系統(tǒng)發(fā)來(lái)的目標(biāo)車速要求，根據(jù)轉(zhuǎn)換公式輸出相應(yīng)轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)負(fù)載模擬。各控制單位的相關(guān)關(guān)系如圖1所示。

1.4.2 測(cè)控系統(tǒng)的組成

測(cè)控系統(tǒng)包括硬件部分和通信部分。測(cè)控系統(tǒng)的硬件包含工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩儀、油耗儀、廢氣分析儀、氣體采樣泵、行程踏板和制動(dòng)踏板、換擋手柄、電流傳感器、電壓傳感器、溫度傳感器、位移傳感器等。主要作用是檢測(cè)得到試驗(yàn)結(jié)果的所需數(shù)據(jù)。在本試驗(yàn)臺(tái)架中主要采用控制器局域網(wǎng)（CAN）現(xiàn)場(chǎng)總線通信方式，即CAN通信除了工控機(jī)與測(cè)功機(jī)之間的通信為串口通信，其他控制器模塊間都是通過CAN總線進(jìn)行通信。試驗(yàn)臺(tái)架的CAN總線通信信息主要是整車控制器模塊對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)等控制器和變速器控制器模塊和CAN信號(hào)與RS232串口信號(hào)轉(zhuǎn)換控制器。

（1）整車控制模塊。整車控制模塊是本試驗(yàn)臺(tái)最核心的一個(gè)控制模塊。整車控制系統(tǒng)需要與所有的控制系統(tǒng)進(jìn)行信息互換，具有對(duì)所有控制系統(tǒng)接收和發(fā)送信息的作用。如接收和發(fā)送發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開度命令、電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩命令、蓄電池控制命令、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速、測(cè)功機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、動(dòng)力電池狀態(tài)等信息。

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)模塊。發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)模塊與整車控制模塊有一條單獨(dú)的通道，本模塊主要接收整車控制系統(tǒng)的信號(hào)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、節(jié)氣門開度等進(jìn)行控制，輸出發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等數(shù)據(jù)。

（3）動(dòng)力電池管理系統(tǒng)模塊。動(dòng)力電池管理系統(tǒng)模塊接受整車控制器的指令做出改變。動(dòng)力電池管理系統(tǒng)模塊會(huì)根據(jù)指令改變動(dòng)力電池的充放電狀態(tài)，動(dòng)力電池管理系統(tǒng)模塊會(huì)反饋動(dòng)力電池的電壓電流變化。當(dāng)監(jiān)測(cè)到動(dòng)力電池SOC值低于可直接啟動(dòng)汽車時(shí)，動(dòng)力電池管理系統(tǒng)會(huì)向整車控制系統(tǒng)釋放充電信號(hào)。

（4）電機(jī)控制器模塊。電機(jī)控制器模接受整車控制器對(duì)電機(jī)是否運(yùn)轉(zhuǎn)的指令，對(duì)外輸出電機(jī)的狀態(tài)如電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩等。

（5）變速器控制器模塊。接受整車控制器的換擋信號(hào)，控制變速器進(jìn)行換擋，反饋?zhàn)兯倨鲹跷粻顟B(tài)到整車控制器。

（6）CAN信號(hào)與RS232串口信號(hào)轉(zhuǎn)換控制器模塊。因?yàn)楸驹囼?yàn)臺(tái)有串口通信，所以本控制器模塊主要作用是通過RS232接口將CAN信號(hào)和串口信號(hào)進(jìn)行互換。

2 動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架總體設(shè)計(jì)

按照并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)“并聯(lián)”放置，在發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出軸端連接轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩儀，測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況輸出的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。動(dòng)力合成裝置在某些工況時(shí)合成發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩，在其他工況時(shí)傳遞單個(gè)動(dòng)力源輸出的轉(zhuǎn)矩。測(cè)功機(jī)可以對(duì)動(dòng)力合成后的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩進(jìn)行測(cè)量。

結(jié)合測(cè)控系統(tǒng)原理圖和試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械部分，得出試驗(yàn)臺(tái)總體設(shè)計(jì)圖（如圖2所示）。

測(cè)功機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制后，通過PID算法根據(jù)公式（13）計(jì)算得出試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行的理論車速，通過測(cè)量的轉(zhuǎn)矩計(jì)算出實(shí)際車速。比對(duì)兩個(gè)車速的大小，若理論車速大于實(shí)際車速，需要控制加速踏板增加實(shí)際車速達(dá)到理論車速;若理論車速小于實(shí)際車速，需要控制制動(dòng)踏板減小實(shí)際車速達(dá)到理論車速。

3 并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)

臺(tái)架試驗(yàn)由零部件試驗(yàn)、動(dòng)力總成臺(tái)架試驗(yàn)組成。動(dòng)力系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)的關(guān)鍵零部件試驗(yàn)包含發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)和動(dòng)力電池的各項(xiàng)試驗(yàn)和標(biāo)定（如圖3所示），動(dòng)力系統(tǒng)總成試驗(yàn)主要包括動(dòng)力性能試驗(yàn)、經(jīng)濟(jì)性能試驗(yàn)和排放性能試驗(yàn)。關(guān)鍵零部件試驗(yàn)僅僅是本試驗(yàn)臺(tái)架的基本試驗(yàn)內(nèi)容，最重要的是模擬動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行狀況，進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)總成試驗(yàn)。

參 考 文 獻(xiàn)

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[責(zé)任編輯：鐘聲賢]