基于虚拟仪器的ISG混合动力总成测试系统*

徐艳明

(广东机电职业技术学院，广东 广州 510515)



基于虚拟仪器的ISG混合动力总成测试系统*

徐艳明

(广东机电职业技术学院，广东 广州 510515)

摘要：集成起动/发电机(ISG)在混合动力系统中的应用日益广泛，为满足ISG混合动力汽车动力总成功能验证及性能测试，开发了基于虚拟仪器的ISG混合动力总成测试平台，可作为ISG系统开发和教学的辅助设备。

关键词：集成起动/发电机；混合动力汽车；动力总成；测试系统

1ISG混合动力系统测试技术发展现状

混合动力汽车自动起/停(Start/Stop)控制技术能够避免发动机工作在怠速和低效率区[1]，将集成起动/发电机(简称ISG)应用于混合动力汽车，可优化发动机工作点[2]，通过智能起/停、能量回收、驱动助力等功能，可增加发动机经济功率区间运行时间、回收部分制动能量、减少发动机油耗和降低排放污染[3，4]。

汽车性能试验是汽车开发和性能检测过程中的重要环节[5]。与传统汽车相比，混合动力汽车上动力系统对ISG动力总成关键部件的要求很高，在进行产品功能验证和测试时所需要测量的信号较多，如果完全采用传统的耐久性测试方法，产品开发周期和成本非常高，因此整车和零部件开发生产中，急需高效的测试系统来提高开发速度，降低开发成本。为此国内外汽车测试设备开发商和许多整车生产企业均针对混合动力汽车开发了相关的测试平台。例如奥地利AVL公司为适应混合动力汽车发展趋势，为其发动机与动力传动系统测试平台增加了混合动力发动机和变速器的实机测试功能，如图1所示。

图1　AVL混合动力发动机和变速器综合测试平台

重庆长安汽车有限责任公司开发了混合动力汽车传动系统性能试验台架，其结构组成及原理如图2所示。

图2　重庆长安开发的混合动力汽车传动系统性能试验台架

另外奇瑞、D&V electronics等企业也相继研发了混合动力汽车动力总成试验系统，然而目前由于各公司对ISG混合动力系统的研发步骤、技术储备、商业策略以及售后服务等多方面的因素有不同的考量，导致各个公司开发的ISG混合动力系统在类型、尺寸、安装方法、安装位置、控制逻辑、与发动机之间的相互关系各不相同，形成了目前ISG混合动力系统的多样性和复杂性。

一个优良的ISG混合动力系统可以使车辆短暂停车工况时停止发动机运转，车辆重新起步时通过ISG电机将发动机快速拖动到怠速转速以上，再让发动机喷油点火，减少了怠速运行时间，避免启动工况加浓过程造成的高油耗和高排放。这种技术能够有效地提高燃油的经济性、改善排放特性[1]。同时，ISG系统还可通过功率补偿、减速或制动时的动能回收和非接触式制动等功能提升车辆动力性和经济性。而要实现上述功能，就需要根据系统的本身的特点来开发一系列的软硬件系统，然后将其组合起来在某一个专用的平台上进行各项指标验证。根据系统在不同模拟工况下表现出来的指标进行大量的复杂的反复的软硬件改进。

伴随着ISG混合动力技术的快速发展，针对于ISG混合动力系统的教学系统的需求也日益增长。目前各高等院校、高职院校及中职院校都在尝试开设电动汽车相关的课程，但是苦于没有相关的试验实训设备，加上电动汽车相关技术相对传统汽车技术有很大不同，且更为抽象，纯理论教学难以满足电动汽车相关课程教学目标，因此能够应用于各类院校新能源汽车教学的试验设备开发成为目前高等教育和中等职业教育都必须面对和解决的实际问题。

为此笔者所在的研发团队根据行业发展和教科研需要，基于虚拟仪器开发了ISG混合动力总成试验验证测试系统，可直接对ISG混合动力汽车动力总成在各种工况下的性能进行试验验证，也可针对ISG混合动力总成关键部件进行功能验证和耐久性测试，特别是能对ISG电机和发动机的匹配性能进行验证试验，有利于建立统一、科学的ISG混合动力汽车整车和零部件总成的评价体系，帮助研发工程师进行策略算法的验证。同时以虚拟仪器为计算分析核心，可以使测试系统的操作简单、通用性好、适应性强[5]，而且不需要对硬件系统做太大改动即可根据不同的需求调整或扩展测试软件功能，不仅降低了系统开发难度，而且也节约了时间和成本。该系统具有工况模拟试验功能，能够直观地展示系统工作过程，可用于各类学校新能源汽车专业的实验教学。

2测试系统硬件整体架构及试验验证测试过程分析

ISG混合动力系统主要由发动机及其ECU、ISG电机及其控制器、动力蓄电池及其管理系统、动力传动系统、制动系统以及整车控制系统等组成。通过测功机实现各种工况模拟，利用发动机、ISG电机、动力传动系统和整车控制系统等的控制单元的通讯功能，和转速、转矩、电压、电流、温度等传感器获取ISG混合动力系统的工作参数，发送至数据采集和处理中心进行处理，计算出所需的二次参数，进而评价系统的控制策略、匹配性能、动力性、经济性和可靠性等。所开发的试验测试系统整体框架结构如图3所示。

图3　测试系统硬件整体架构

数据采集及处理中心主要由上位机、数据采集板卡、传感器、显示器等组成。上位机采用IPC610L/AIMB-769/E7500工控计算机。数据采集卡主要包括模拟量输入和输出卡、数字量输入输出卡和CAN通讯卡。传感器包括转速转矩传感器、电流传感器、电压传感器、温度传感器等。部分数据通过CAN通讯卡连接到控制器的CAN通讯接口获取，以降低系统复杂性。

具体的试验验证测试过程可划分为三个阶段：

第一阶段：利用发动机台架试验，获取发动机转矩转速关系曲线，同时计算发动机输出的实时功率，导入设定好的模拟工况，验证发动机功率是否满足最高车速、加速性能和最大爬坡度动力性指标。

第二阶段：进行电机性能试验，建立ISG电机的转矩转速关系曲线，同时计算电机的功率，在指定的循环工况下验证其功率是否满足峰值功率要求。

第三阶段：发动机与电机之间的匹配验证。主要包括转矩转速匹配验证、智能起停控制功能验证、电机助力功能验证、制动能量回收功能验证和综合性能指标验证等。其中转矩转速匹配验证主要验证ISG电机和发动机的转矩转速峰值是否满足最高车速、最大爬坡度和百公里加速时间的要求。智能起停控制功能验证主要包括ISG混合动力系统起动和停机的条件是否合理、ISG电机起动转矩设计是否合理、ISG电机发电功能和发电效率是否正常等。ISG电机的助力功能验证主要包括电机提供助力的条件是否合理、电机的助力驱动能力大小及实际助力效果评价。制动能量回收功能验证主要包括不同工况下再生制动与摩擦制动之间比例配置是否合理、制动效能和能量回收效率是否正常等。综合性能指标验证主要包括ISG混合动力总成动力性、经济性、续驶里程等性能的验证等。

3系统软件设计

在ISG混合动力总成试验测试系统中，有大量的现场参数需要采集和监控，数据处理过程繁杂，用户操作和使用困难。为了使测试系统简单易用，必须满足操作界面直观、互动性良好的要求，因此我们应用虚拟仪器技术，基于LabVIEW开发环境建立了ISG混合动力总成试验验证测试系统软件，达到简化操作、美化界面、实时互动和直观易懂等设计要求。图4是项目开发前期设计的虚拟仪器测试系统平台人机交互界面布局方案。

图4　基于LabVIEW开发环境建立的测控系统平台人机交互界面

该图形化操作界面布局方案不仅具有丰富的曲线显示功能，而且有实时在线监测和控制功能，充分满足了对人机交互界面的显示直观、操作方便、控制实时等要求。

4总结

开发的ISG混合动力系统动力总成试验测试验证系统利用高速工业计算机作为整个系统的主控系统，从而提高系统运算处理能力，为实现精确快速的运算提供硬件保障。基于LabVIEW开发的高效、快速的人机交互测试系统软件，通过操控方便、显示直观、功能丰富的图形化人机交互界面，实现人性化设计，满足测试系统功能要求的同时，降低开发成本，提高可操作性、直观性，且方便后续的产品升级和维护。所开发的ISG混合动力系统可满足ISG混合动力总成的全工况硬件在环测试功能要求。通过对ISG混合动力汽车全工况模拟，利用发动机-ISG电机在环测试方法，进行系统综合性能的试验测试和验证，将各模拟工况下的系统工作参数通过液晶显示系统进行直观显示，利于试验观察、功能展示和在线分析。

参考文献

[1]王立平，李守成，吴海啸，等.某ISG型混合动力汽车Start/Stop控制研究[J].农业装备与车辆工程,2011,(9):38-41.

[2]陈汉玉，左承基，袁银男，等.轻度混合动力车发动机Start/Stop系统控制策略[J].农业工程学报,2012,28(7):97-102.

[3]王俊华，肖恺，黎润东，等.ISG型混合动力汽车发动机起动过程控制仿真分析[J].北京汽车,2014,(4):18-23.

[4]肖磊，韩雪峰，陈锐，等.基于起动发电一体机的车用混合动力总成控制策略研究[J].兵工学报,2015,36(9):1799-1804.

[5]钱向明，徐澍敏.基于虚拟仪器的混合动力汽车试验台架研究[J].拖拉机与农用运输车,2009,36(4):18-20.

ISG Hybrid Electric Vehicle Powertrain Test System Based on Virtual Instrument

Xu Yanming

(GuangdongMechanical&ElectricalPolytechnic,GuangzhouGuangdong510515,China)

Abstract:As the integrated starter/generator (ISG) is widely used in hybrid power system, ISG hybrid powertrain test platform based on virtual instrument is designed. It can be used as an auxiliary device for ISG system development and teaching.

Key words:integrated starter/generator; hybrid electric vehicle; powertrain; test system

收稿日期：2015-12-27

基金项目：广州南沙区科技计划项目(No.20132010)

作者简介：徐艳民(1979- )，男，讲师，博士，主要研究方向为新能源汽车及其测试系统关键技术。

文章编号：1674- 4578(2016)03- 0003- 02

中图分类号：U464.131，TP 273.2

文献标识码：A