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(tǒng)具有高轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)特點，設(shè)計了使用多楔帶傳動的性能測試試驗工裝，能夠?qū)崿F(xiàn)較高轉(zhuǎn)速BSG電機系統(tǒng)在較低轉(zhuǎn)速的AVL測功機上進行性能測試。試驗結(jié)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(guān)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，F(xiàn)eng 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(xiàn)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(huán)保和能源的壓力，政府出臺了一系列節(jié)能減排的政策，推進車企完成降低油耗的任務(wù)，為達(dá)到法規(guī)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(shù)研發(fā)。在此背景下，BSG電機作為一種有效的節(jié)能技術(shù)，日益受到業(yè)界的關(guān)注[1-2]。

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

BSG電機系統(tǒng)作為混合動力汽車動力總成的關(guān)鍵零部件之一，其性能參數(shù)直接影響整車的動力性、經(jīng)濟性和舒適性。而臺架試驗是精確測量電機系統(tǒng)性能參數(shù)，縮短開發(fā)測試周期、降低開發(fā)風(fēng)險與成本的有效手段。本文根據(jù)《GB/T 18488.1-2015電動汽車用驅(qū)動電機系統(tǒng) 第1部分：技術(shù)條件》、《GB/T 18488.2-2015電動汽車用驅(qū)動電機系統(tǒng) 第2部分：試驗方法》中電機性能測試的要求，基于現(xiàn)有的AVL電機測試臺架，設(shè)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(tǒng)的相關(guān)的性能試驗[4-5]。

2 電機系統(tǒng)性能試驗臺架總體架構(gòu)

本文中電機系統(tǒng)性能試驗臺架結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主要包括：配電系統(tǒng)、AVL電力測功機系統(tǒng)、電池模擬器、測量系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、環(huán)境艙等幾個部分。

配電系統(tǒng)用于給電池模擬器、測功機變頻器、環(huán)境艙、冷卻系統(tǒng)提供380V交流電源。

AVL電力測功機系統(tǒng)主要包括測功機及測試臺架、測功機操控系統(tǒng)。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(tǒng)的負(fù)載或吸收被測電機產(chǎn)生的電能從而分別用來測試被測電機的電驅(qū)動性能和發(fā)電性能，測功機操控系統(tǒng)主要包括控制柜和PUMA open測控軟件，用于對整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)測量與控制。

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

測量系統(tǒng)主要包括扭矩、轉(zhuǎn)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(tǒng)的轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速，而功率分析儀主要用于測量被測試電機系統(tǒng)直流側(cè)與交流側(cè)的電氣參數(shù)，并通過TCP/IP通訊方式與測功機系統(tǒng)進行實時數(shù)據(jù)交換。

冷卻系統(tǒng)主要包括油冷機、水冷機、風(fēng)冷機，用于對測功機或被測試件進行冷卻，通過CAN總線實現(xiàn)與測功機測控系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時交互。環(huán)境艙用于實現(xiàn)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(shè)計

3.1 試驗工裝整體方案設(shè)計

新能源車用驅(qū)動電機普遍具有轉(zhuǎn)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(tǒng)的同軸度裝配精度。而BSG電機系統(tǒng)在整車上通過多楔帶與發(fā)動機相連，被測電機產(chǎn)品自身并無止口或銷孔等能保證同軸度的定位結(jié)構(gòu)，同時，BSG電機允許的最高轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速要求太高。因此，需要根據(jù)BSG電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計適用的工裝。

某被測試BSG電機參數(shù)及輸出端帶輪參數(shù)（表1）如下：

根據(jù)被測試BSG電機參數(shù)，設(shè)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(yù)緊力，試驗支架在輸出軸水平方向上設(shè)計為可移動裝置，通過擰緊螺栓調(diào)節(jié)多攜帶上預(yù)緊力的大小。

3.2 測試工裝多楔帶設(shè)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(shù)為6，根據(jù)現(xiàn)有測功機尺寸，初步設(shè)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(jù)計算機輔助設(shè)計軟件可繪制如圖3所示傳動示意圖[6]：

經(jīng)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(yù)緊力是保證傳動系統(tǒng)可靠運行的必要條件，預(yù)緊力過大會使皮帶壽命降低，預(yù)緊力不足則會產(chǎn)生打滑，影響測試結(jié)果的準(zhǔn)確性的同時還會造成多楔帶發(fā)熱燒毀。因此，試驗前需要計算多楔帶張緊力，方法如下：

設(shè)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(shè)計傳動功率，單位：W;dp為主動輪節(jié)圓直徑，單位：mm;

N為主動輪轉(zhuǎn)速，單位：r/min;

多楔帶預(yù)緊力：

a、緊邊拉力F1=FKr/（Kr-1）+mV2，Kr=eμα;

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

b、被測試BSG電機小帶輪驅(qū)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(shù)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(shù)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(xiàn)有的AVL測功機試驗系統(tǒng)，根據(jù)第三章中設(shè)計的試驗工裝，搭建了如圖4（a）所示的試驗環(huán)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(diào)節(jié)到設(shè)計值圖4（b）。

新搭建的BSG電機試驗環(huán)境，能夠完成該款電機的性能參數(shù)測試，測試主要內(nèi)容包括：轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性，功率-轉(zhuǎn)速特性、效率特性、溫升特性等。

為實現(xiàn)對被測試BSG電機系統(tǒng)性能參數(shù)的全面有效分析，必須保證不同設(shè)備所測數(shù)據(jù)的實時性和同步性。本文采用功率分析儀統(tǒng)一測量轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速傳感器、電池模擬器、電流傳感器的參數(shù)值，通過TCP/IP協(xié)議集成傳輸?shù)絇UMA OPEN系統(tǒng)、從而實現(xiàn)了所有測量數(shù)據(jù)的實時同步測量與記錄，保證了數(shù)據(jù)的一致性和準(zhǔn)確性。

PUMA Open控制系統(tǒng)測量到的被測BSG電機系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)顯示界面如圖5所示。

4.2 試驗結(jié)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(qū)動電機系統(tǒng) 第1部分：技術(shù)條件》中5.4章節(jié)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(shù)據(jù)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(tǒng)最高效率為93.7%。測量結(jié)果表明，基于本文搭建的BSG電機性能測試系統(tǒng)能有效測量被測試電機的性能。

5 總結(jié)

本文基于現(xiàn)有的AVL測功機臺架測試系統(tǒng)，設(shè)計多楔帶傳動試驗工裝，采用功率分析儀同步測量試驗數(shù)據(jù)并傳輸?shù)絇UMA Open控制系統(tǒng)，實現(xiàn)較高轉(zhuǎn)速BSG電機系統(tǒng)在較低轉(zhuǎn)速的AVL測功機上進行性能測試，并測量到有效數(shù)據(jù)，為BSG電機性能測試和整車開發(fā)試驗提供了測試數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

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