基于動力總成試驗臺的P2 混動電機性能測試方法研究

楊金民，方立輝，王君，張新亮，李日成

（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 哈爾濱 150060）

1 引言

國家油耗和排放法規(guī)日益嚴(yán)苛，為了應(yīng)對政策要求和汽車市場的需求，各大汽車企業(yè)開始開發(fā)新能源產(chǎn)品。P2 架構(gòu)混合動力是通過在傳統(tǒng)動力總成的發(fā)動機和變速器中間增加電機實現(xiàn)的，在技術(shù)難度、節(jié)油效果等方面優(yōu)勢明顯，是新能源汽車發(fā)展初期各汽車企業(yè)首選的開發(fā)方向。

P2 架構(gòu)混合動力中的電機具有起步、助力、能量回收等多種功能，在開發(fā)初期，必須首先完成電機單體的各項性能測試。進行電機性能測試，需要專門的電機單體試驗臺，常規(guī)動力總成試驗所涉及的臺架無法實現(xiàn)。

2 電機性能試驗的重要性

傳統(tǒng)動力總成生產(chǎn)企業(yè)進軍混合動力總成領(lǐng)域之初，由于其成熟產(chǎn)品為發(fā)動機和變速器，為了快速搶占新能源市場，往往采用外購電機然后進行混合動力總成集成的方式。

電機是P2 架構(gòu)混合動力總成的重要組成部分，其性能的優(yōu)劣往往決定著整套混動系統(tǒng)性能的好壞。電機的外特性影響混合動力總成的最大驅(qū)動能力，電機的效率影響混動系統(tǒng)的節(jié)油效果，電機冷卻能力的大小影響控制系統(tǒng)能量管理策略的設(shè)計。

雖然外購的電機在電機生產(chǎn)企業(yè)的設(shè)計、生產(chǎn)等階段會進行性能測試，但是混合動力總成集成企業(yè)必須要具備電機性能測試能力，才能更好地掌握所選用電機的各項性能指標(biāo)，為其混合動力產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制策略設(shè)計、匹配數(shù)據(jù)優(yōu)化提供支持。

3 電機單體性能試驗實施的難點

3.1 需要專用的電機試驗臺

進行電機性能試驗，必須要使用專用的電機單體試驗臺，電機的最高運行轉(zhuǎn)速一般情況下要高于傳統(tǒng)發(fā)動機，且電機在低速段可以恒定輸出最大扭矩，電機運行過程中對同軸度要求較高，電機在進行臺架試驗時需要使用大功率油冷或水冷設(shè)備進行冷卻，以保證電機的運行工況滿足試驗測試的需求。

傳統(tǒng)動力總成生產(chǎn)企業(yè)由于沒有電機產(chǎn)品，因此沒有專用的電機單體試驗臺，其發(fā)動機試驗臺并不適用于進行電機性能測試。

3.2 電機試驗專用工裝設(shè)計復(fù)雜

P2 混動電機與變速器裝配在一起，電機殼體的一部分一般借用變速器殼體，在電機試驗臺上進行電機性能測試時，因無變速器部分，必須重新設(shè)計殼體工裝，保證電機的完整性。

電機殼體工裝在設(shè)計時必須考慮電機的冷卻水套，保證其具備足夠強的散熱能力，使電機溫度能夠達到試驗所需的溫度。另外，殼體工裝的設(shè)計還必須考慮旋變器、NTC 等低壓線束出線位置和高壓接線盒的位置。

由于電機轉(zhuǎn)速較高，進行性能試驗時還會測試電機的超速工況，因此工裝設(shè)計時對轉(zhuǎn)子的同軸度要求很高，轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)過程中與定子的間隙不得超過0.3mm，且轉(zhuǎn)子兩端的固定軸承必須有足夠的強度，允許的最高轉(zhuǎn)速一般不低于10000rpm。

圖1 為某P2 混動電機的工裝殼體示意圖，圖2 為電機試驗臺適配固定工裝示意圖。

圖1 某P2 混動電機工裝殼體

綜上所述，為了進行P2 混動電機的單體性能試驗，需要設(shè)計的工裝相當(dāng)于重新設(shè)計一套完整的電機殼體，難度大、周期長。

3.3 動力總成試驗臺無法直接測量電機扭矩

測試電機的性能，必須要準(zhǔn)確測量電機的轉(zhuǎn)速、扭矩、電壓、電流、功率因數(shù)等參數(shù)，電機轉(zhuǎn)速可以由電機自身的旋變器直接測量，電壓、電流、功率因數(shù)等可以通過外接功率分析儀進行測量，但是由于P2 混動系統(tǒng)中的電機集成在發(fā)動機和變速器中間，無法使用動力總成試驗臺的扭矩法蘭測量電機直接輸出的扭矩，也無法連接其他形式的扭矩傳感器進行測量。

圖2 電機試驗臺適配固定工裝

雖然電機控制器的控制模型中會計算電機的輸出扭矩，但這種計算扭矩是基于電機在初始標(biāo)定時的模型數(shù)據(jù)進行計算的，其精度本身就不高，而且不同的電機存在單體差異，因此其計算扭矩和實際扭矩存在一定的偏差。

電機的外特性直接使用扭矩進行評價，電機的效率必須要使用扭矩進行計算，因此，如果無法測量電機的扭矩，將無法實現(xiàn)對電機性能的測試評價。

4 電機扭矩計算方法

對于不直接生產(chǎn)電機的企業(yè)來說，有必要對其外購的用于P2 混動系統(tǒng)的電機進行必要性能測試，但是測試電機單體性能的實施難度較大，需要投入較大的人力物力成本。因此，如果能在動力總成試驗臺上實現(xiàn)對P2 混動電機的性能測試，無疑會為不直接生產(chǎn)電機的混合動力總成生產(chǎn)企業(yè)節(jié)省大量的試驗成本、節(jié)約研發(fā)試驗時間。

通過分析P2 混動系統(tǒng)的動力傳遞路線，在EV 模式下，K0 離合器斷開，電機轉(zhuǎn)子與發(fā)動機曲軸脫開，電機進行驅(qū)動時，動力由電機轉(zhuǎn)子輸出給變速器輸入軸，經(jīng)變速器內(nèi)部行星機構(gòu)傳遞后由兩個半軸輸出。在動力總成試驗臺上，電機轉(zhuǎn)速可以直接讀取，變速器的半軸轉(zhuǎn)速和扭矩可以由臺架測功機的編碼器和扭矩法蘭直接測量，如果能夠知道當(dāng)前時刻的變速器傳動效率，便可以計算出當(dāng)前時刻的電機扭矩。

電機扭矩計算公式：

式中：TE為電機扭矩；NL為變速器左半軸輸出轉(zhuǎn)速；TL為變速器左半軸輸出扭矩；NR為變速器右半軸輸出轉(zhuǎn)速；TR為變速器右半軸輸出扭矩；NE為電機轉(zhuǎn)速；η 為變速器效率。

5 P2 混動電機性能測試步驟

5.1 測量變速器傳動效率

P2 混動系統(tǒng)所用的變速器與傳統(tǒng)動力總成的變速器差異不大，其傳動效率可以在變速器性能試驗臺上測出，動力總成生產(chǎn)企業(yè)一般都配備這樣的試驗臺架。

因變速器傳動效率受變速器油溫影響較大，且每個檔位的傳動效率均不相同，因此在測量變速器傳動效率時必須嚴(yán)格控制變速器油溫在一定的范圍內(nèi)，如80±3℃，并且每個檔位的傳動效率均需要測量。

在各個檔位下，變速器傳動效率需要測量的工況為：

（1）輸入軸轉(zhuǎn)速：從500rpm 開始，每500rpm 一個梯度至最高轉(zhuǎn)速。

（2）輸出扭矩和：從100Nm 開始，每100Nm 一個梯度至最大扭矩。

5.2 設(shè)置變速器傳動效率MAP

根據(jù)變速器傳動效率的測量結(jié)果，在動力總成試驗臺上編輯設(shè)置變速器在特定溫度時（80±3℃）各檔位傳動效率隨變速器輸入軸轉(zhuǎn)速、輸出扭矩和變化的MAP，圖3 為某P2混動變速器3 檔時的傳動效率MAP。

圖3 某P2 混動變速器3 檔傳動效率MAP

5.3 在動力總成試驗臺上計算電機扭矩

P2 混動總成在動力總成試驗臺上進行試驗時，選擇EV模式，控制K0 離合器斷開，由電機單獨驅(qū)動，控制變速器油溫與之前進行變速器傳動效率測量時的油溫一致（80±3℃），根據(jù)變速器當(dāng)前檔位、輸出軸轉(zhuǎn)速（即電機轉(zhuǎn)速）、輸出扭矩和（即臺架左右半軸扭矩之和），通過臺架系統(tǒng)自動查找之前設(shè)定好的變速器傳動效率MAP，可以計算出變速器的實時效率，再根據(jù)電機扭矩計算公式便可以計算出電機的實時扭矩。

電機扭矩通過計算獲得，電機轉(zhuǎn)速、輸入電壓、輸入電流、功率因數(shù)等參數(shù)均可以直接測量，至此可以在動力總成試驗臺上實現(xiàn)P2 混動電機性能測試。

6 試驗測試結(jié)果

使用東安汽發(fā)生產(chǎn)的P2 架構(gòu)混合動力總成分別在電機單體試驗臺和動力總成試驗臺上進行電機性能測試，圖4 為電機單體試驗臺的電機效率測量結(jié)果，圖5 為動力總成試驗臺的電機效率測量結(jié)果。

圖4 電機單體試驗臺電機效率測量結(jié)果

圖5 動力總成試驗臺電機效率測量結(jié)果

對比以上兩個測量結(jié)果可以看出，在動力總成試驗臺上測量電機扭矩，與在專用的電機試驗臺上電機扭矩的測量結(jié)果差異不到，各工況下差值均小于1Nm，滿足電機性能的測試需求。

7 結(jié)語

通過分析P2 架構(gòu)混合動力總成的結(jié)構(gòu)特點和動力傳遞路線，設(shè)計了在動力總成試驗臺上測量P2 混動電機扭矩的試驗方案，解決了不直接生產(chǎn)電機的混合動力生產(chǎn)企業(yè)無法測量電機性能的難題，使其能夠更好地掌握外購電機的性能，便于對其混合動力總成產(chǎn)品進行更好地優(yōu)化設(shè)計，節(jié)約了投資成本，縮短了開發(fā)周期。