P2混動模塊耐久臺架試驗方法

黃寅 劉翀 李雨泓

（上汽通用五菱汽車股份有限公司）

P2混動模塊（以下簡稱P2）的耐久性考核的方法一般分為2種[1]，一是實車道路試驗方法，該方法是考核車輛及其總成可靠性的最直接且最實際的試驗方法，但是這種試驗方法周期長，成本高，并且由于受車上空間限制，一些測量點無法進行；二是通過臺架試驗的方法，該方法不但能克服以上困難，也能考核P2的耐久性，但是臺架試驗能模擬的工況有限，而且不帶整車控制器，由臺架系統控制，跟整車控制器控制策略有一定區別。雖然有這方面的缺點，但臺架試驗可以采集需要的測量點和試驗數據，而且能通過試驗數據進一步分析P2的可靠性，還能縮短試驗周期、降低試驗成本。然而，目前還沒有統一的、可借鑒的混合動力總成P2耐久試驗方法及標準。文中針對混合動力總成P2耐久考核介紹臺架試驗方法、試驗臺以及有關的計算方法。

1 臺架搭建方案

1.1 P2混動模塊的工作原理

混合動力系統可按多種方式分類，其中用P(Position)代表電氣化部件的架構以及電機的位置，不同的位置使用不同的數字代號，將單電機混合動力系統劃分為P1、P2、P3等構型。該混合動力總成為P2式結構，如圖1所示，P2位于發動機和變速箱之間，由發動機、P2、變速箱、各控制器組成。動力傳遞為發動機→P2→變速箱→左右半軸→測功機。P2與變速箱為花鍵連接，P2可直接經過變速箱驅動起步或行駛；P2與發動機也為花鍵連接，P2內部集成有離合器，離合器可控制發動機的動力傳遞；當使用純電動模式，離合器斷開，P2單獨驅動車輪工作；當使用混動模式，離合器接合，發動機與P2共同驅動車輪工作。

圖1 試驗臺架結構示意圖

1.2 臺架搭建

如圖2所示，該總成采用整車懸置，通過過渡工裝與支撐腿連接。發動機前懸，后懸采用龍門結構雙腿支撐，左懸為單腿支撐，并且在排氣側也增加單腿支撐點，4點6支撐腿搭建方法提高了試驗穩定性。

圖2 試驗臺架照片

高壓電通過電池模擬器給P2供電，低壓電通過線速給各控制單元及傳感器供電。

發動機、P2、電機控制器均為水冷。由于各個部件對冷卻系統的溫度、流量及壓力等指標要求不同，因此冷卻系統分2套，且完全獨立。一套給發動機系統使用，一套給P2、電機控制器串聯使用。設備確保冷卻液溫度、流量、壓力等參數滿足各系統的冷卻指標要求。

由于取消整車控制器HCU，所以各控制器均由臺架系統控制，臺架測試系統通過CAN通訊與各控制器（ECU、PEU、ACU、TCU）建立通訊。

2 P2混動模塊試驗方法

2.1 試驗工況

P2混動模塊有2種運行模式，一種為混動模式及發動機和P2共同運行，一種為純電動模式即只有P2運行。所以試驗工況可分為混動工況和純電動工況2大類。試驗工況由不同的負載、操作程序、標準化循環和現實駕駛場景組成。試驗工況體現了P2在不同工況中的運行狀態，比如城市工況、壞路工況、性能工況及高速工況?？筛鶕囼炐枨笕ザx這些工況。

通過采集整車路譜的參數可知有P2電機轉速、發動機轉速、P2電機扭矩、發動機扭矩及離合器扭矩，將這些路譜數據編輯成試驗工況在臺架上模擬試驗。當運行純電動工況時，發動機不工作，離合器斷開，只有P2電機轉速和電機扭矩工作。這樣就可采用AVL臺架PUMA Open系統的N/T（轉速/扭矩）控制模式[2]，鎖定變速箱速比，臺架系統控制測功機輪端轉速從而達到控制P2轉速的目的，可通過速比公式計算出輪端轉速。臺架系統通過CAN通訊給PEU發送P2目標扭矩。這樣臺架就能模擬純電動工況試驗。

式中：No——輪端轉速，r/min；

Np2——P2電機轉速，r/min；

i——傳動比。

當運行混動工況時，離合器閉合，發動機與P2電機共同工作。同樣采用N/T（轉速/扭矩）控制模式，輸出端控制測功機輪端轉速，臺架系統通過CAN通訊發送發動機目標扭矩、P2目標扭矩和離合器目標扭矩。當離合器閉合，發動機轉速跟隨電機轉速保持一致，所以不需要控制發動機轉速。這樣臺架就能模擬混動工況試驗。離合器扭矩表示離合器狀態，如表1所示。

表1 離合器狀態

2.2 換擋策略

臺架運行工況中采用鎖定變速箱速比的方法，所以變速箱不參與動態換擋，只需要離合器模擬換擋動作。在混動工況中，當換擋時，離合器斷開，發動機轉速不受控，僅依靠工況里固定的發動機目標扭矩無法有效調節發動機轉速去跟隨P2電機轉速。為了在換擋后期離合器接合時，減小離合器的滑磨產生的能量，就要對發動機轉速進行動態調節，減小發動機和P2電機轉速差。采用PID控制能有效調節發動機轉速，PID參數可根據經驗值設置[3]。如圖3所示。

圖3 離合器扭矩控制示意圖（換擋過程）

階段1：工況運行讀到換擋請求，為了防止離合器在斷開過程中發動機扭矩克服離合器扭矩做功飛車，發動機提前降低扭矩。離合器準備斷開，此時離合器扭矩為250 N·m，完全貼合狀態。

階段2：離合器扭矩為-2 N·m，完全脫開狀態。開始激活PID功能，發動機以P2轉速為目標轉速開始調速。

階段3：離合器扭矩為20 N·m，脫開狀態。停止PID調速。

階段4：離合器扭矩為250 N·m，完全貼合狀態。換擋結束。

在P2耐久試驗中，雖無實際的換擋動作，但為模擬實際P2的使用，混動工況下有很多離合器的開閉（純電動工況離合器常開即可）。發動機調速可通過AVL臺架PUMAOpen系統中的PID功能去編輯。

2.3 發動機啟動策略

2種工況切換及混動工況運行過程涉及到發動機的啟停，單一固定模式的試驗工況很難滿足帶有邏輯的發動機啟動，而且沒整車控制器，這就需要在臺架系統編輯發動機啟動策略[4]，在試驗工況中調用發動機啟動策略。如圖4所示。

圖4 離合器扭矩控制示意圖（啟動過程）

階段1：當P2電機運行到一定轉速，工況讀到啟動請求時，開始調用啟動策略，離合器準備接合，此時離合器扭矩為-2 N·m。

階段2：離合器扭矩半接合到65 N·m，發動機被倒拖，同時給發動機發動噴油信號。在該階段設置離開條件發動機轉速大于600 r/min或結合時間大于300 ms，這樣能滑磨得到所需的發動機啟動轉速，還能防止滑磨時間過長損壞離合器。

階段3：ECU接收到指令并判斷轉速條件滿足后就自行啟動發動機，可設置報警監控發動機是否啟動成功，防止啟動未成功繼續滑磨離合器。這時離合器斷開為-2 N·m，激活PID讓發動機以P2轉速為目標值去調轉速。

階段4：這時離合器扭矩以緩坡速率結合到20 N·m，目的給發動機調速時間；當離合器扭矩達到20 N·m，PID停止調速。

階段5：最后離合器再快速結合至250 N·m，發動機轉速和P2轉速同步，啟動完成。繼續跟隨工況運行。

3 P2混動模塊耐久試驗數據

3.1 純電動工況試驗數據

圖5為純電動工況臺架試驗數據，表示了臺架系統運行純電動工況的有關參數變化歷程。P2反饋扭矩曲線和P2目標扭矩曲線趨于一致，說明P2反饋扭矩很好的跟隨P2目標扭矩。從純電動工況曲線變化的歷程可以看出臺架試驗的數據與實車路譜的數據變化趨勢一致。

圖5 純電動工況數據曲線

3.2 混動工況試驗數據

圖6為混動工況臺架試驗數據。曲線表示的是臺架系統運行混動工況的有關參數變化歷程。離合器反饋扭矩曲線和離合器目標扭矩曲線趨一致，說明離合器反饋扭矩很好的跟隨離合器目標扭矩。當離合器完全閉合及為250 N·m，發動機轉速曲線和P2轉速曲線貼合，說明發動機和P2電機一起工作；當離合器斷開為-2 N·m，發動機轉速為0，電機有轉速，說明發動機不工作，P2電機運行。該圖表示混動工況發動機不斷啟停的過程?？梢钥闯觯_架試驗的數據與實車路譜的數據變化趨勢一致。

圖6 混動工況數據曲線

圖7為混動工況臺架試驗數據，曲線表示的是臺架系統運行混動工況的有關參數變化歷程。P2反饋扭矩和發動機反饋扭矩都很好跟隨各自的目標扭矩。可以看出，臺架試驗的數據與實車路譜的數據變化趨勢一致。

圖7 混動工況數據曲線

3.3 發動機啟動策略試驗數據

圖8為發動機啟動策略臺架試驗數據。曲線表示的是發動機啟動過程的有關參數變化歷程。離合器先接合到65 N·m，當發動機轉速到953 r/min時，離合器開始斷開；當離合器完全斷開為-2 N·m時，PID開始調速，同時發動機轉速升高去跟隨P2轉速；最后離合器完全接合。啟動過程用離合器滑磨能量評價，滑磨能量過大會影響離合器的工作效率和使用壽命，由ACU反饋離合器滑磨能量值為5200 J，滑磨能量值滿足試驗要求。離合器滑磨能量根據經驗公式計算[4]?？梢钥闯觯_架試驗的數據與實車路譜的數據變化趨勢一致。

圖8 發動機啟動策略數據曲線

3.4 離合器模擬換擋策略試驗數據

圖9為離合器模擬換擋策略臺架試驗數據。曲線表示的是P2模塊內置的離合器模擬換擋過程的有關參數變化歷程。當離合器斷開時，激活PID功能去調節發動機轉速，讓發動機轉速跟隨P2電機轉速，當離合器開始接合時，兩者轉速差值為176 r/min，并且ACU反饋離合器滑磨能量值為0，滿足試驗要求?？梢钥闯?，臺架試驗的數據與實車路譜的數據變化趨勢一致。

圖9 離合器模擬換擋策略數據曲線

4 結論

從試驗數據的分析可以看出，文中提出的臺架試驗方法以及臺架搭建可以測試P2混動模塊的耐久試驗。由于不帶整車控制器HCU，文中將發動機啟動策略和模擬換擋策略運用到臺架試驗。該策略簡單，容易實現。目前，在混動臺架試驗沒有明確標準下，所提出的臺架試驗方法和策略為混動臺架試驗起到了重要作用。