增程式動力系統(tǒng)測試臺架開發(fā)及應(yīng)用

劉 雷, 李 超, 孟昭陽, 周利偉, 趙國朋

(1.中通客車股份有限公司, 山東 聊城 252000; 2.山東省新能源客車安全與節(jié)能重點實驗室, 山東 聊城 252000)

在增程式電動城市客車開發(fā)中,為保證整車性能的可靠性和良好的燃油性,增程式動力系統(tǒng)的試驗驗證尤為重要,試驗項目包括動力系統(tǒng)模擬整車性能驗證、控制策略驗證、最低比油耗驗證等。本文針對某增程式電動城市客車研發(fā)了增程式動力系統(tǒng)的測試臺架[1],并進行應(yīng)用驗證。

1 測試臺架開發(fā)

1.1 組成

測試臺架由測功機控制系統(tǒng)(油門、轉(zhuǎn)矩控制、冷卻溫度控制)、測功機(提供負載)、電池模擬器(提供直流電源)、功率分析儀(電壓采集及功率計算)、霍爾傳感器(電流采集)、扭矩環(huán)(轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩測量)、溫濕度計(溫濕度采集)、發(fā)動機/電機/發(fā)電機冷卻系統(tǒng)、增程式動力系統(tǒng)(電機、發(fā)動機、電機控制器MCU、發(fā)電機控制器GCU、發(fā)動機控制器ECU、增程式控制器RCU、整車控制器VCU)等組成[2]。其按照實車結(jié)構(gòu)進行布置,架構(gòu)如圖1所示。

圖1 測試臺架架構(gòu)圖

1.2 信號模擬

CAN網(wǎng)絡(luò)測試中,整車控制器與測功機控制系統(tǒng)通過油門信號、剎車信號、轉(zhuǎn)速信號、轉(zhuǎn)矩信號等進行通訊,為避免出現(xiàn)因個別控制信號報警而無法上電的情況,將整車控制器的部分信號進行屏蔽。部分信號(如鑰匙開關(guān)、油門信號等)采用硬線模擬裝置[3],為此采用翹板開關(guān)模擬開關(guān)信號。特定測試時電驅(qū)系統(tǒng)只接收臺架發(fā)送的報文,保證整車試驗的順利進行。

1.3 高低壓信號干擾處理

鑒于增程式動力系統(tǒng)較為復(fù)雜,為避免高低壓線束相互交叉帶來的信號干擾,采取如下措施:所有高壓部件均接地;電機、發(fā)電機等高壓部件相線均加磁環(huán)進行抗干擾;結(jié)構(gòu)上高低壓線束盡可能分開布局。

1.4 冷卻系統(tǒng)搭建

為真實地模擬整車的試驗環(huán)境,冷卻系統(tǒng)采用與整車配套的ATS散熱系統(tǒng),并嚴格按照整車控制邏輯設(shè)定各子冷卻系統(tǒng)的開啟溫度。該水箱分為兩部分,發(fā)動機端溫度設(shè)定為85 ℃,電機端溫度設(shè)定為45 ℃。

2 增程式動力系統(tǒng)試驗及結(jié)果分析

2.1 邏輯驗證測試

2.1.1 上下電控制邏輯驗證

1) 測試方法。通過不斷調(diào)整整車控制器及電機控制器程序,保障系統(tǒng)順利實現(xiàn)上下電,滿足不同(純電、混合動力)模式切換[4-5]。

2) 測試步驟。上電邏輯:先打開ON開關(guān),低壓上電;電池模擬器運行高壓上電,整車控制器收到電機控制器端發(fā)送的電壓使能信號后,完成高壓上電;發(fā)動機根據(jù)整車SOC值判斷是否啟動發(fā)動機。下電邏輯:先關(guān)閉ON開關(guān),低壓下電,整車控制器發(fā)送發(fā)動機停機指令,同時發(fā)電功率請求為0;整車控制器在增程式系統(tǒng)控制器反饋準備就緒狀態(tài)報文后,清除ready信號;系統(tǒng)在增程式系統(tǒng)控制器反饋未激活狀態(tài)后,控制電池模擬器進行下高壓,完成高壓下電。

2.1.2 制動能量回饋驗證試驗

利用測試臺架油門和擋位模擬行車功能。擋位設(shè)為前進擋,給定油門開度,系統(tǒng)能夠正常執(zhí)行行車命令,當電機達到最高轉(zhuǎn)速后給定制動踏板開度,系統(tǒng)能夠正常反饋設(shè)定的反拖峰值扭矩進行制動能量回收(如圖2所示),完成制動程序邏輯驗證。

圖2 制動能量回收驗證

2.1.3 發(fā)動機啟動邏輯驗證試驗

利用測試臺架油門和擋位模擬行車功能。臺架擋位設(shè)定為前進擋,油門根據(jù)需要自適應(yīng)模擬行車功能,電池模擬器給定相當于SOC值為51%的模擬電壓值,觀察發(fā)動機是否正常啟動。由圖3可知,在SOC值達到50%時啟動正常,并按照設(shè)定程序的發(fā)電功率進行,且SOC穩(wěn)定在特定的區(qū)間內(nèi)[6],未出現(xiàn)其他報警及限功率等異常情況,完成發(fā)動機啟動邏輯驗證。

圖3 發(fā)動機啟動驗證

2.2 比油耗測試及結(jié)果分析

為了真實地模擬整車狀況,測試臺架利用電池模擬器提供和實車一樣的520 V電壓平臺,使其工作在高效低排放的工況內(nèi)[7-8]。試驗發(fā)現(xiàn)增程式控制器在執(zhí)行-80 kW(控制邏輯驅(qū)動為正,發(fā)電為負)發(fā)電功率時比油耗最低,故發(fā)電功率設(shè)為-80 kW能達到最佳狀態(tài)且滿足整車功率設(shè)計需求。從能量轉(zhuǎn)化角度來看,該混合車型與匹配較好的常規(guī)車差別不大[9],測試結(jié)果見表1。

表1 系統(tǒng)發(fā)電測試結(jié)果

3 增程式動力系統(tǒng)整車性能試驗及結(jié)果分析

增程式動力系統(tǒng)模擬整車進行測試,采用AVL開發(fā)的PUMA測功機控制系統(tǒng),在控制系統(tǒng)里輸入整車整備質(zhì)量、最大設(shè)計質(zhì)量、速比、迎風(fēng)面積及標準要求試驗質(zhì)量的國標推薦阻力系數(shù)a、b、c值等信息,控制系統(tǒng)根據(jù)輸入整車信息控制測功機模擬整車阻力,達到整車性能測試目的。整車部分參數(shù)見表2。

表2 整車信息參數(shù)

3.1 經(jīng)濟性測試

測試方法:參考GB/T 18386—2017測試標準[10],采用控制系統(tǒng)錄入的實地采集的路況路譜,在純電模式下模擬工況能量消耗率測試,其車速跟隨曲線如圖4所示。由圖4可知,目標車速與實際車速的偏差在允許的誤差范圍內(nèi),跟隨性符合要求[11],未發(fā)現(xiàn)報警信息。結(jié)果顯示工況能量消耗率為0.788 kW·h/km,實車道路工況能量消耗率為0.765 kW·h/km,考慮到駕駛員操作等誤差,測試臺架與實車的測試值偏差在3%之內(nèi),數(shù)據(jù)有效。

圖4 工況目標車速與實際車速跟隨曲線

3.2 動力性測試

1) 爬坡性能。爬坡性能主要取決于動力系統(tǒng)的峰值扭矩、傳動速比,測試結(jié)果見表3。

表3 增程式動力系統(tǒng)動力性測試結(jié)果

通過試驗發(fā)現(xiàn)該套動力系統(tǒng)9 m車型的坡道起步能力為24%,11 m車型的坡道起步能力為19%,11 m車型未能滿足客戶要求(不小于22%),故需要對驅(qū)動系統(tǒng)進行優(yōu)化或建議更換該車型的驅(qū)動系統(tǒng)規(guī)格。

2) 加速性能。加速性能主要取決于驅(qū)動系統(tǒng)的峰值扭矩、峰值功率,試驗得出0～30 km/h加速時間為5.9 s,30～50 km/h加速時間為8.1 s,均滿足整車設(shè)計要求,完成系統(tǒng)模擬整車性能匹配驗證。

4 結(jié) 論

基于增程式動力系統(tǒng)測試臺架開發(fā),完成電機、發(fā)電機及發(fā)動機的耦合試驗,發(fā)現(xiàn)安裝問題二十余項,設(shè)計問題十余項,并在裝車前進行了問題封閉,大大減少了裝車后的質(zhì)量問題,降低了開發(fā)周期,可以得出如下結(jié)論:

1) 測試臺架實現(xiàn)增程式動力系統(tǒng)高壓上下電、制動能量回饋邏輯驗證試驗,充分驗證了既定的控制策略。

2) 測試臺架驗證了增程式動力系統(tǒng)發(fā)動機啟動邏輯,確定系統(tǒng)最低比油耗的發(fā)電功率值,相比傳統(tǒng)燃油車在同等工況下能大幅度降低整車油耗。

3) 通過臺架測試發(fā)現(xiàn)該增程式動力系統(tǒng)能滿足9 m車型的整車動力需求,但應(yīng)用到11 m車型上動力性不足,為整車動力系統(tǒng)匹配提供了數(shù)據(jù)支撐。