基于AVL臺架的BSG電機性能測試方法研究

余劍　馮春暉　朱時敏　洪先建　陸思灝

摘 要：針對BSG電機系統具有高轉速、低扭矩的性能特點以及在整車上通過皮帶傳遞扭矩而無同軸度對中要求的結構特點，設計了使用多楔帶傳動的性能測試試驗工裝，能夠實現較高轉速BSG電機系統在較低轉速的AVL測功機上進行性能測試。試驗結果表明：該試驗方法能夠滿足BSG電機性能測試要求，同時具有工裝簡易、安裝方便、試驗過程中能有效降低測功機及被測電機振動值的特點。

關鍵詞：BSG電機 多楔帶 性能測試

Research on Performance Test Method of BSG Motor Based on AVL Test Bench

YuJian，Feng Chunhui，Zhu Shimin，Hong Xianjian，Lu Sihao

Abstract：In view of the BSG motor system's performance characteristics of high speed and low torque， and the structural characteristics of transmitting torque through the belt on the whole vehicle without coaxiality centering requirements， a performance test tool using multi-ribbed belt transmission is designed， which can achieve the high-speed BSG motor system on a lower-speed AVL dynamometer. The test results show that the test method can meet the BSG motor performance test requirements， and has the characteristics of simple tooling， convenient installation， and effective reduction of the vibration value of the dynamometer and the tested motor during the test.

Key words：BSG motor， multi-ribbed belt， performance testing

1 引言

近年來，隨著汽車保有量的逐年增加，汽車在城市運行中交通擁堵現象不斷加劇，車輛怠速停車的工況占比隨之變高，車輛的油耗及排放更加惡化。迫于環保和能源的壓力，政府出臺了一系列節能減排的政策，推進車企完成降低油耗的任務，為達到法規要求，各車企及科研單位加大了新能源汽車與降低能耗的技術研發。在此背景下，BSG電機作為一種有效的節能技術，日益受到業界的關注[1-2]。

BSG（Belt-Driven Starter Generator）電機系統，位于發動機前端，通過皮帶傳動的方式與發動機相連，兼顧啟動和發電的一體機，主要應用于輕混技術路線的車型當中，其主要優勢在于技術門檻相對較低、可以快速應用即取得一定的節能效果[3]。

BSG電機系統作為混合動力汽車動力總成的關鍵零部件之一，其性能參數直接影響整車的動力性、經濟性和舒適性。而臺架試驗是精確測量電機系統性能參數，縮短開發測試周期、降低開發風險與成本的有效手段。本文根據《GB/T 18488.1-2015電動汽車用驅動電機系統 第1部分：技術條件》、《GB/T 18488.2-2015電動汽車用驅動電機系統 第2部分：試驗方法》中電機性能測試的要求，基于現有的AVL電機測試臺架，設計了使用多攜帶傳動的測試試驗工裝，完成了一套BSG電機系統的相關的性能試驗[4-5]。

2 電機系統性能試驗臺架總體架構

本文中電機系統性能試驗臺架結構圖如圖1所示，主要包括：配電系統、AVL電力測功機系統、電池模擬器、測量系統、冷卻系統、環境艙等幾個部分。

配電系統用于給電池模擬器、測功機變頻器、環境艙、冷卻系統提供380V交流電源。

AVL電力測功機系統主要包括測功機及測試臺架、測功機操控系統。測試臺架用作被測電機與電力測功機的機械連接裝置，電力測功機用于模擬被測電機系統的負載或吸收被測電機產生的電能從而分別用來測試被測電機的電驅動性能和發電性能，測功機操控系統主要包括控制柜和PUMA open測控軟件，用于對整個系統的數據測量與控制。

電池模擬器用來給被測試電機系統提供高壓直流電源或吸收被測電機產生的電能回饋給電網。

測量系統主要包括扭矩、轉速傳感器和功率分析儀，傳感器安裝于測試臺架被測電機與電力測功機之間，用來測量機械系統的轉矩及轉速，而功率分析儀主要用于測量被測試電機系統直流側與交流側的電氣參數，并通過TCP/IP通訊方式與測功機系統進行實時數據交換。

冷卻系統主要包括油冷機、水冷機、風冷機，用于對測功機或被測試件進行冷卻，通過CAN總線實現與測功機測控系統實現數據實時交互。環境艙用于實現被測試件測試過程中溫濕度的控制。

3 BSG電機性能試驗工裝設計

3.1 試驗工裝整體方案設計

新能源車用驅動電機普遍具有轉速較高的特點，在進行性能試驗時還會測試電機的超速工況，因此測試電機輸出軸與測功機輸出軸連接處同軸度要求較高，在實際測試過程中，一般通過臺架性能測試工裝與電機輸出端止口或銷孔配合來控制裝配系統的同軸度裝配精度。而BSG電機系統在整車上通過多楔帶與發動機相連，被測電機產品自身并無止口或銷孔等能保證同軸度的定位結構，同時，BSG電機允許的最高轉速一般較高（大于15000r/min），測試過程中如果采用被測件與測功機直連方式，對于測功機臺架的轉速要求太高。因此，需要根據BSG電機系統結構特點，設計適用的工裝。

某被測試BSG電機參數及輸出端帶輪參數（表1）如下：

根據被測試BSG電機參數，設計了如圖（圖2）所示的測試工裝，該測試工裝通過PK型皮帶及皮帶輪裝置將被測樣件輸出軸與測功機輸出軸相連，并且被測樣件通過試驗支架安裝于測功機固定底座上，為保證兩輸出軸端皮帶輪平行和方便給多楔帶施加預緊力，試驗支架在輸出軸水平方向上設計為可移動裝置，通過擰緊螺栓調節多攜帶上預緊力的大小。

3.2 測試工裝多楔帶設計

被測試BSG電機安裝有PK型帶輪，帶輪有效直徑為dp=60mm，楔槽數為6，根據現有測功機尺寸，初步設計測功機端大帶輪直徑尺寸D=150mm，選用PK1000型多楔帶，其有效長度L=1000mm，根據計算機輔助設計軟件可繪制如圖3所示傳動示意圖[6]：

經測量，中心距a≈340.5mm，小帶輪包角α1≈166.5°，大帶輪包角α2≈193.5°。

多楔帶線速度：Vmax=π×dp×n/（60×1000）=56.5m/s;

試驗過程中，多楔帶的預緊力是保證傳動系統可靠運行的必要條件，預緊力過大會使皮帶壽命降低，預緊力不足則會產生打滑，影響測試結果的準確性的同時還會造成多楔帶發熱燒毀。因此，試驗前需要計算多楔帶張緊力，方法如下：

設計傳動功率Pd，多楔帶有效拉力F：

F=Pd/V;V=π×dp×n/（60×1000）;

式中：F為克服傳動阻力，使帶輪傳動的有效拉力，單位：N;

Pd為設計傳動功率，單位：W;dp為主動輪節圓直徑，單位：mm;

N為主動輪轉速，單位：r/min;

多楔帶預緊力：

a、緊邊拉力F1=FKr/（Kr-1）+mV2，Kr=eμα;

式中：Kr為表楔合系數;μ為摩擦系數，取0.5;α為包角（°）;m 為多楔帶單位皮帶質量，一般取0.017 kg/m

b、被測試BSG電機小帶輪驅動（電動）工況下：線速度Vmax=π×dp×n/（60×1000）=56.5m/s;有效拉力F=Pd/V=584N，楔合系數Kr=e0.5x166.5/180xπ =4.3，緊邊張力F1=584×4.3/（4.3-1）+0.017×56.52=815.2N。

c、被測試BSG電機小帶輪從動（饋電）工況下：線速度Vmax=π×dp×n/（60×1000）=56.5m/s;有效拉力F=Pd/V=584N，楔合系數Kr=e0.5x193.5/180xπ =5.6，緊邊張力F1=584×5.6/（5.6-1）+0.017×56.52=765.2N。

4 BSG電機性能試驗

4.1 試驗臺架搭建

基于現有的AVL測功機試驗系統，根據第三章中設計的試驗工裝，搭建了如圖4（a）所示的試驗環境，多楔帶輪的緊邊張緊力通過音波式皮帶輪張力計進行測量，旋動張緊力擰緊螺栓，將帶輪張緊力調節到設計值圖4（b）。

新搭建的BSG電機試驗環境，能夠完成該款電機的性能參數測試，測試主要內容包括：轉矩-轉速特性，功率-轉速特性、效率特性、溫升特性等。

為實現對被測試BSG電機系統性能參數的全面有效分析，必須保證不同設備所測數據的實時性和同步性。本文采用功率分析儀統一測量轉矩、轉速傳感器、電池模擬器、電流傳感器的參數值，通過TCP/IP協議集成傳輸到PUMA OPEN系統、從而實現了所有測量數據的實時同步測量與記錄，保證了數據的一致性和準確性。

PUMA Open控制系統測量到的被測BSG電機系統的相關數據顯示界面如圖5所示。

4.2 試驗結果與分析

基于本文搭建的BSG電機性能試驗臺架，按照《GB/T 18488.1-2015電動汽車用驅動電機系統 第1部分：技術條件》中5.4章節測試要求，測量得到該款BSG電機輸入-輸出特性如圖6所示。

通過測試數據可看出，被測試BSG電機峰值扭矩實測值為53.1Nm，峰值功率實測為33.2KW，系統最高效率為93.7%。測量結果表明，基于本文搭建的BSG電機性能測試系統能有效測量被測試電機的性能。

5 總結

本文基于現有的AVL測功機臺架測試系統，設計多楔帶傳動試驗工裝，采用功率分析儀同步測量試驗數據并傳輸到PUMA Open控制系統，實現較高轉速BSG電機系統在較低轉速的AVL測功機上進行性能測試，并測量到有效數據，為BSG電機性能測試和整車開發試驗提供了測試數據基礎。

參考文獻：

[1]張明朗，符良才，崔華芳.王江波.配BSG的動力系統測試評價關鍵技術研究[J].2019中國汽車工程學會年會論文集，2019，1550.

[2]胡勇，劉和平，鄧晗，何志城，龐昌勝.48 V i-BSG混合動力汽車電機設計與測試驗證[J].電機與控制應用，2020，47，96-98.

[3]史天澤，趙福全，郝瀚，劉宗巍.汽車48V系統的節能效果、應用成本與實施策略[J].汽車技術，2018年第7期：5.

[4]《GB/T 18488.1-2015電動汽車用驅動電機系統 第1部分：技術條件》[S].北京：中國標準出版社，2015.

[5]《GB/T 18488.2-2015電動汽車用驅動電機系統 第2部分：試驗方法》[S].北京：中國標準出版社，2015.

[6]王德成，張文通，馬廣正，張孟揚，畢來文.發動機皮帶傳動自動張緊輪系的設計[J].客車技術與研究.2016，No.6，31-32.