P2混动系统台架模拟测试研究

2018-06-12杨金民方立辉王君张新亮张凯

时代汽车 2018年10期

杨金民方立辉王君张新亮张凯

哈尔滨东安汽车发动机制造有限公司技术中心黑龙江省哈尔滨市 150060

1 引言

随着国家油耗和排放法规的日趋严格，为了满足国家政策要求及汽车市场需求，降低油耗和排放，越来越多的汽车企业开始开发混合动力，P2架构混合动力在技术难度、投资成本、节油效果及享受补贴方面综合优势较为明显，正逐步被各大汽车企业采纳和应用。作为动力总成研制企业，不同于整车企业，由于没有试验样车资源，在P2架构混合动力总成研发初期，必须在试验台架上完成相关性能测试、标定优化和耐久考核。

与传统动力总成的台架测试不同的是，P2架构混合动力总成由于新增的电机，台架设备方面需要新增电池模拟器（或实车电池）为电机提供电能，新增功率分析仪对电机进行分析测试；在测试方案方面，由于混合动力系统有多种运转模式，需要重新设计试验测试方案。

2 P2混动系统的结构特点

东安汽发生产的P2架构混合动力总成，与常规“发动机+变速器”动力总成相比，自动变速器取消了液力变矩器，在发动机和变速器中间增加了一个ISG电机，电机和发动机通过K0离合器连接，高压HSG电机取代了原低压发电机，通过皮带与发动机曲轴连接，ISG电机和HSG电机均具备驱动功能和发电功能。

该套混合动力总成可以实现EV模式、AUTO模式、HOLD模式等多种模式的运行。EV模式为纯电行驶模式，仅由ISG电机进行驱动；AUTO模式为自动模式，整车控制器HCU根据电量多少和驾驶员的驾驶需求自动切换运转模式，发动机、ISG电机和HSG电机协调工作；HOLD模式为电量保持模式，可在合理范围内将电池电量保持在驾驶员需求值附近。

3 电池模拟器的应用

由于P2混动系统包含两套高压电机，两电机作为驱动源均需要外部设备为其提供345V高压直流电，作为发电机进行发电需要外部设备吸收或储存该部分电能。在混合动力车上，实车高压电池的作用就是为电机提供电能并能吸收电机发出的电能。

在P2混合动力总成研发初期，由于没有整车项目，并没有合适规格的实车电池可用于试验测试，市面上已有的高压电池在电芯类型、电压、电量、充放电电流等参数上并不能与新开发的混合动力总成相匹配，高压电池需要根据混合动力总成的性能参数进行重新开发，而一套全新电池的开发需要大量的时间周期，且一旦混合动力总成的参数改变，新开发的高压电池可能面临匹配不合理的风险。

使用电池模拟器进行试验，则不存在上述问题。将电池单体的实测特性数据导入电池模拟器的电池模型中，电池单体的特性参数包括不同温度下开路电压-SOC值特性、内阻-SOC值特性，通过设置不同的电池单体串联和并联节数，可以模拟出不同电压、电量的电池模型，图1为某钛酸锂电池在常温下的电池单体特性曲线。可以根据混合动力系统的运行测试结果不断调整和优化电池的参数，这不仅能解决混合动力总成在开发初期无合适电池可用的问题，还能为以后混合动力整车项目的动力电池产品开发提供数据积累和参考。

4 功率分析仪的应用

图1 某钛酸锂电池常温下电压-SOC特性曲线

图2 高压交流电接线箱

图3 加速踏板开度和制动踏板开度关系

在混合动力总成的台架测试中，除了要对常规的各温度、压力、转速、扭矩等参数进行测量外，还需要测量电机控制器输入的直流电的电压、电流以及电机控制器输出给电机的三相交流电的电压、电流，用以计算电机控制器输入和输出的功率，进而计算电机控制器和电机的效率。横河WT300E型功率分析仪具备4个高精度电压和电流测量通道，电压测量范围±1500V，电流测量范围±1000A，频率范围为DC~1MHz，满足P2混动系统1路直流和3路交流的测量需求，同时还能通过模拟量输入读取电机的转速和扭矩，可以直接计算出电机和电机控制器的功率和效率。

在使用功率分析仪时，需要配合电流传感器进行电流的测量，高精度的电流传感器一般为封闭式霍尔传感器，在使用时必须将被测电缆从电流传感器的中间穿过才能实现对电流的测量。由于三相交流高压电缆的三条高压线两端均使用一体式接线端子，三条高压线无法分离，因此无法安装电流传感器，高压线束为全封闭式线束，也无电压测点，无法实现对三相高压交流电的电压和电流的测量。

为了解决没有电压测点和电流传感器无法安装的问题，设计了一套专用的高压交流电接线箱，接线箱内安装有三条铜排，每条铜排外侧均套有一个电流传感器，固定在接线箱内，将电机控制器交流输出端与铜排的一端连接，将电机的高压输入端与铜排的另一端连接，并将两端高压线的屏蔽层分别与接线箱的金属外壳连接，接线箱的外壳使用专用接地线进行接地处理，如图2所示。该接线箱的应用，不仅解决了交流电压和电流无法测量的问题，还具有通用型，接线方便，可适用于不同高压线接口规格的电机和电机控制器，并能保证具有良好的屏蔽功能，在电机工作时不会对低压控制器产生电磁干扰。

5 整车参数的模拟

在台架上进行P2架构混合动力总成的模拟测试，必须要由台架为混动系统控制器HCU发送必要的车辆相关信号，才能保证混合动力总成的正常运转；必须要提供与实车运行一致的工况才能保证试验测试的准确性。

5.1 加速踏板与制动踏板的模拟

P2架构混合动力总成具有能量回收功能，在刹车减速的过程中，电机可以发电回收能量，不同于传统动力总成，混动系统的制动过程不仅仅是机械制动，还有电机发电制动的参与，HCU根据自身策略分配电制动和机械制动的比例。为了实现电制动功能，台架必须新增制动踏板开度信号提供给HCU，而且在运行NEDC、WLTC等法规工况时，制动踏板开度信号必须要与加速踏板信号一起进行PID调节，才能保证实际行驶车速与法规的需求值相当。

台架通过模拟量输出通道输出新增的制动踏板开度信号给HCU，为了实现与加速踏板信号协同进行PID调节，对原加速踏板信号的行程进行重新分配，原加速踏板开度0%~10%分配为制动踏板开度100%~0%，原加速踏板开度10%~100%分配为现加速踏板开度0%~100%，如图3所示。

5.2 整车ESP信号模拟

台架模拟各车轮的轮速信号、轮速有效信号、行驶方向信号、制动主缸压力、制动主缸压力有效信号等保证P2架构混合动力总成正常运转必须的ESP信号，通过CAN通讯方式发送给HCU，整车CAN网络示意图见图4。

5.3 道路阻力模拟

台架必须要能够准确模拟实车在道路上行驶的道路阻力，才能保证运转测试工况与实车一致，达到与实车相同的测试效果。在没有样车时，可以根据匹配车辆的车重，依据经验公式计算出车辆在道路上运行时在不同车速下受到的道路阻力，将道路阻力与车速的对应关系导入到台架的道路模拟模型中，实现台架对运行过程中道路阻力的模拟。