新能源汽车动力总成台架设计与集成

新能源汽车动力总成台架设计与集成邢进进邵华上海汽车集团股份有限公司捷能公司，上海201804【摘要】简要叙述了新能源汽车动力总成台架的系统结构及新能源常用设备的集成方法，并结合试验说明了该台架能进行道路负载的模拟并在NEDC工况下动态运行。【ABSTRACT】THESYSTEMSTRUCTUREOFNEWENERGYVEHICLEPOWERTRAINBENCHANDINTEGRATIONMETHODOFTHEEQUIPMENTSISINTRODUCEDCOMBINEDWITHTESTTHEBENCHCANPERFORMROADLOADSIMULATIONWELLANDRUNNEDCCYCLEDYNAMICALLY【关键词】动力总成台架设计新能源汽车DOI103969JISSN10074554201311020引言在新能源汽车动力总成试验的过程中，会涉及到各种控制系统和各类试验设备，因此试验数据的集中管理，试验设备的高度集成也就成为了新能源汽车动力总成台架必须具备的条件。而目前各开发单位的单项试验台架如发动机台架、电机台架等和新能源汽车动力总成台架，还只是以稳态试验为主，各个设备还是单独控制，数据也是分别存储，不利于试验数据的集中管理。在此情况下把目前市场上的各种试验设备进行整合，制定各种通讯协议，建成一种高度集成的模块化新能源汽车动力总成台架系统，运用一台中控系统去存储所有的试验记录，同时各个集成模块可以在系统中任意插拔而不影响系统的运行。如果台架或者被试件发生故障，集成化台架可以记录故障发生时所有状态信息，方便试验工程师或者台架工程师进行故障分析，集中高效的进行解决。收稿日期20130826上海汽车2013111新能源汽车台架系统常用测试设备热像仪系统用来采集被测件或被试件表面温度数据，进行相关分析来确定被试或被测件的发热状况，同时为了进行相关状态下的数据分析，热象仪需要把采集数据转送给台架主控系统进行报告生成且也能够接收台架主控系统传回的信息自动生成报告。高压探头检测系统高压电是新能源汽车的关键能源，而在实验室中由于空间和使用条件的限制，电池模拟系统到被试件之间的长度，都会长于整车实际长度，所以需要一套高压探头监测系统来实时监测电池模拟系统的输出电压，来实时补偿高压线束上的压降，同时由于高压电如果泄漏会对人体造成极大的伤害，因此高压探头检测系统又可用来进行高压报警。电池模拟系统由于真实电池的各种限制，而在进行耐久试验时，真实电池不能持续提供电流，因此电池模拟系统在新能源汽车动力系统的试验7室也是关键部件之一，主要用来进行高压电池的模拟。早期失效模式分析系统该系统主要是用来监测被试件如发动机、变速器或者动力总成等的早期故障分析系统，用来给台架报警和失效分析使用，防止被试件和台架系统产生灾难性故障。INCA自动化采集与标定系统INCA自动化采集系统主要用来采集高精度传感器，用来进行数据分析和信号报警使用。INCA标定系统主要用来进行新能源汽车动力总成台架系统的预标定和过程信号量的监测。尾气排放分析系统主要用来进行新能源汽车动力总成的尾气排放检测和排放法规试验的预分析。油耗仪主要用来进行发动机油耗的测量。硬件在环仿真系统主要用来进行高仿真车辆动力学模型的运行和实现对台架主控系统的控制。数据采集系统用来进行试验现场台架相关信号的采集与测量如轴承温度，发动机转速等的测量和被试件相关信号的测量与采集。功率分析仪主要用来进行新能源汽车动力总成中电机效率转换测量与分析或者新开发的电驱变速箱的转换效率的测量与分析。台架主控系统主要用来运行试验自动化控制程序，控制测功机的控制模式，与测功机的变频器进行通讯，台架系统安全监控，数据采集与存储中心之一。2台架系统原理图比较21开放式台架系统原理图开放式系统的各个设备之间都是独立运行，没有进行交互，各个试验数据也是存储在各自的试验设备中，试验数据也是由各个试验工程师单独管理，不利于试验数据的集中管理如图1所示。因此当出现试验故障时，试验工程师不能进行数据的集中分析，没有办法使各个试验设备在同一个时间点进行同步；台架工程师也由于得不到被试件的相关信息，也就没有办法对台架的故障状态进行集中分析。8图1开放式系统原理图22集成式台架系统原理图集成式台架系统数据设备都是集中在一台主控电脑上如图2所示，任何一位试验工程师如标定工程师、NVH工程师、热管理工程师等都可以在集成式试验台架上做试验，而不需要在附加任何设备，可以方便对台架系统进行操作。同时所有的试验数据信息都保存在台架主控电脑上，实现了数据的统一管理。由于采用了统一制定的通讯协议，当系统出现故障时，每一位试验工程师或者台架工程师都可以查看系统故障时的各种状态，为故障的分析和解决提供了很大的便利。油耗仪I电脑测功机控制器瓜砸测功机数拂采集CAN模捌热像仪被试件力率分析瘊动分析。非放采集图2集成式台架系统原理图3系统采用的各种协议测功机由于在这套新能源汽车动力总成台架系统中选用了很多不同厂家的产品，其型号与目的也各不相同，所以需要与各大产商交流制定统一的通讯协议，以确保各个设备能够正常通讯，且各个数据能够正常交互。基于这种目的主要制定如下几种通讯协议TCPIP、PROFIBUS、CAN和上海汽车201311USB。由于TCPIP协议具有传输速度快，抗干扰能力强，传输距离远等优点，主要用来具有大数据量和长距离系统问的数据交互。因此采用TCPIP协议的设备有功率分析仪、ETAS标定系统、排放分析系统等。PROFIBUS协议具有远距离高速传输，配置灵活等特点，主要用来进行远距离且数据量不是特别多的设备之间，采用PROFIBUS协议的设备主要有热象仪系统。CAN总线作为目前汽车上采用最广泛的总线之一，支持设备进行热插拔，因此主要用来进行可移动和快速插拔设备之间通讯，采用CAN通讯的设备主要有电池模拟系统、早期失效分析系统和硬件在环模拟系统。USB通讯主要也是用来进行热插拔设备之间的通讯，采用此通讯协议的设备主要有燃油温控系统和燃油计量系统。4新能源动力总成台架各系统功能台架主控系统主要用来控制台架的两个负载测功机在相应的模式下运行和自动化工况的模拟，以及与测功机的变频器进行通讯等。NI模拟系统主要有如下功能其一是用来模拟虚拟的整车CAN节点，用来使相关控制器能够在整车相似的环境下运行；其二用来模拟相关控制器需要的整车模拟信号；其三用来采集台架现场的传感器信号用来进行安全监控等；其四用来与台架主控系统和电池模拟的通讯，实现整个实验工况的自动化运行。数据采集系统主要用来采集台架运行相关传感器安全信号以及被试件安全的相关传感器信号，以确保试验设备和被试件始终在安全的运行状态中，同时把相关采集数据传送到台架主控系统和NI系统来进行数据存储与试验结果的分析。电池模拟系统用来给新能源汽车动力系统被试件正常运行时所需要的高压能源以及在做新能源汽车动力系统试验时进行的能量回收等功能。41新能源汽车动力总成台架系统工作原理在一般稳态试验中，测功机主要是动力系统的能量吸收或动力输出单元，而在本案测功机既是车辆运行时惯量与阻力模拟单元，也是制动过上海汽车201311程中制动力的模拟单元，因此需要选用低惯量、高动态响应的交流电力测功机。为了模拟车辆行驶时的惯量和阻力，按照汽车理论，汽车行驶时的驱动力主要受加速阻力、滚动阻力、风阻和坡道阻力等的影响，具体关系式为MGSIN硒1而在本试验台架上使用了经过简化道路负载公式及忽略了坡道阻力的影响，采用了一个拟合的二次方程式，具体公式为FABVCMR上2式中，为不随速度变化的恒定阻力如轴承、密封圈、轮胎等；B为所有随速度线性变化的阻力如驱动系、差速器等；C为随速度平方变化的阻力如风阻、轮胎变形阻力等。在试验过程中先通过设定的整车质量、轮胎半径和A、B、C的值等实时计算出整车道路负载，并与测功机实测的扭矩值进行比较，利用整车道路负载计算扭矩和测功机扭矩传感器实测输出轴扭矩之间的差异值来进行PID调节J，进行闭环控制，以实现实时调节电子节气门开度的功能，使输出轴实际扭矩与整车道路负载计算扭矩相平衡。同时使两个负载测功机的输出轴转速始终控制在一定范围内实现车辆的动态模拟。因此采用此控制方法可以实现包括NEDC、FRP75等在内的整车循环工况。42新能源汽车动力总成台架系统功能采用此全自动化控制方法的新能源汽车动力总成台架可以在一个试验循环过程中根据不同的车型和道路状态，设定不同的道路负载系数如A、B、C等的值；还可以设定整车质量、轮胎半径等整车试验参数，也可以设定环境参数如试验温度、压力、流量等试验所需的监控参数；也可以任意设定需要采集的被试件测量参数或台架系统测量参数；也可以设定台架系统安全监控参数等。使用该自动化控制方法的试验台，还可以在无需整车试验平台、无需进行整车道路行驶和整9车转鼓试验的情况下提前完成新能源汽车动力总成的如下试验1完成新能源汽车动力总成的功能性联合调试包括整车控制器HCU、发动机及其控制器ECU、电驱变速器及其控制器EDU、电池及其电池控制器BMS和综合性能匹配试验；2整车控制策略扭矩分配策略、上下电管理、制动能量回收、故障诊断等的研究及其开发试验3整车动力总成模拟试验；4特定循环工况下如NEDC、FFP75等的整车能量消耗和排放试验；5电驱变速器的总成的耐久试验和子系统的优化试验；6电机性能试验。5试验验证根据项目要求目前该试验台架主要用来进行电驱变速器的全模式耐久试验，目前采用了MODIFLED的NEDC循环曲线如图3所示。，|、I一_几，U时间S图3需求MODIFYNEDC循环在该试验循环内，HCU的整车控制器需要实现整个整车运行模式的切换和换档的切换等。因此采用该自动化控制方法的新能源动力总成台架可以用来进行电驱变速器在特定工况下如NEDC的耐久试验和新能源动力总成的整车能量消耗试验。如图4所示为台架控制的NEDC循环工况曲线在台架上的实现。最后该新能源汽车动力总成台架目前正在进10图4台架控制NEDC循环图行电驱变速器的16万KM的性能验证阶段，为新能源汽车动力总成子系统的开发提供了有力的帮助。6结语该新能源汽车动力总成台架的自动化控制方法，无需整车作为平台而替代相应的道路和转鼓试验进行新能源汽车动力总成功能性的研究试验，在研发阶段去除整车其他因素的干扰，可以更精确、更快速地定位新能源汽车动力总成的缺陷，从而缩短开发周期、降低研发成本。在整车装车之前进行耐久试验和预标定与功能验证，极大地减少了整车改进的工作量。同时，由于采用了电子刹车踏板和电子加速踏板，可以消除路试人员实车驾驶的差异。试验条件的严格控制水温、油温和室温，确保了工况控制准确、