基于多能源動力總成臺架模擬整車經(jīng)濟(jì)性測試研究

陳衛(wèi)林

(中國汽車工程研究院股份有限公司,重慶 401122)

應(yīng)國家“雙碳”的戰(zhàn)略目標(biāo),力求碳排放量在2030 年達(dá)到峰值,2060 年實現(xiàn)碳中和。根據(jù)《國家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》中提出“加快推進(jìn)綠色低碳發(fā)展,交通領(lǐng)域二氧化碳排放盡早達(dá)峰”的要求。圍繞這一重大要求,傳統(tǒng)汽車企業(yè)大力發(fā)展新能源相關(guān)產(chǎn)業(yè)。新能源汽車包括純電動汽車、增程式電動汽車、混合動力電動汽車以及燃料電池電動汽車。其中混合動力汽車具有續(xù)航里程能力強(qiáng)、節(jié)油效果好等突出優(yōu)點,越來越被消費者所青睞和接受。因此開發(fā)混合動力電動汽車顯得尤為重要,而作為混合動力電動汽車的“動力心臟”- 混合動力總成成為主要的研究對象。為保證混合動力系統(tǒng)產(chǎn)品性能及可靠性,混合動力總成臺架測試就顯得極其重要。為了在開發(fā)階段就能預(yù)先評估其整車的燃油經(jīng)濟(jì)性,因此如何能在臺架上模擬整車進(jìn)行燃油經(jīng)濟(jì)性測試就顯得尤為重要。

1 混合動力經(jīng)濟(jì)性測試臺架整體架構(gòu)

1.1 混合動力經(jīng)濟(jì)性測試臺架能力

測試臺架須帶有駕駛員模型及整車模型,在臺架系統(tǒng)模擬車輛行駛過程中,臺架系統(tǒng)能夠通過數(shù)學(xué)模型來模擬車輛行駛過程中的所有負(fù)載。其中測功機(jī)系統(tǒng)負(fù)責(zé)提供混合動力系統(tǒng)所需要的負(fù)載,而車輛行駛過程中的阻力則臺架軟件控制系統(tǒng)進(jìn)行模擬。車輛行駛過程中的阻力主要由滾動阻力、空氣阻力、坡度阻力、加速阻力四部分構(gòu)成。

1.1.1 滾動阻力模擬

車輪滾動時,輪胎與路面的接觸區(qū)域會產(chǎn)生法向、切向的相互作用力以及相應(yīng)的輪胎和支承路面的變形,輪胎和支承面的相對剛度決定了變形的特點。當(dāng)彈性輪胎在硬路面(混凝土路、瀝青路)上滾動時,輪胎的變形是主要的,此時由于輪胎有內(nèi)部摩擦產(chǎn)生彈性遲滯損失,使輪胎變形時對它做的功不能全部回收。正是輪胎的這種彈性遲滯損失造成了滾動阻力。臺架系統(tǒng)模擬滾動阻力(FR)可由以下公式確定:

FR= A + B * v + C *v2

其中:

1.1.2 空氣阻力模擬

汽車直線行駛時受到的空氣作用力在行駛方向的分力稱為空氣阻力。模擬空氣阻力(FL)由以下公式確定:

其中:

1.1.3 坡度阻力模擬

通過道路坡度模擬獲得坡度阻力(FSt)的模擬值。坡度阻力是車輛上坡時必須克服的力,采用以下公式確定坡度阻力FSt:

FSt= m * g *sin( α)

其中:

1.1.4 加速阻力模擬

汽車加速行駛時,克服其質(zhì)量加速運動時的慣性力。所以在車輛模擬過程中,還需要考慮單個車輛部件的慣性矩,以獲得真實的結(jié)果。主要包括以下車輛部件的慣性矩,如表1 所示:

表1 車輛各個部件的慣性矩

1.2 混合動力經(jīng)濟(jì)性測試臺架功能模塊

本文測試臺架的主要功能模塊包括多能源動力總成臺架系統(tǒng)、電源模擬器、功率分析儀、被測混合動力系統(tǒng),試驗架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 混合動力測試架構(gòu)圖

1.2.1 多能源動力總成臺架系統(tǒng)

多能源動力總成臺架系統(tǒng)由自動化臺架控制系統(tǒng)(PUMA OPEN)、一臺功率400kW 的交流電力測功機(jī)和與之匹配的3 檔變速器組成。自動化臺架控制系統(tǒng)主要包括試驗臺架控制系統(tǒng)及駕駛員與整車模擬系統(tǒng)。此外總成臺架系統(tǒng)還包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及條件控制系統(tǒng),其中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括AVL 735S/753C－油耗儀、氣象站、常用溫度壓力傳感器及通道等；條件控制系統(tǒng)包括發(fā)動機(jī)燃油恒溫控制系統(tǒng)、553－發(fā)動機(jī)冷卻水恒溫控制系統(tǒng)、E553－電機(jī)冷卻水恒溫控制系統(tǒng)等。

總成臺架系統(tǒng)帶有八種控制模式:N/α(速度/油門開度)控制模式、T/α(扭矩/油門開度)控制模式、N/T(轉(zhuǎn)速/扭矩)控制模式、T/α(扭矩/速度)控制模式、N / X(速度/X)控制模式、T / X(扭矩/X)控制模式、Rg/V(坡度/車速)控制模式、Rg/α(坡度/油門)控制模式,其中Rg/V 、Rg/α屬于模擬控制模式。

臺架在執(zhí)行駕駛員模擬過程中其系統(tǒng)控制模式必須切換至模擬控制模式,使用自動化控制程序進(jìn)行測試,測試過程中系統(tǒng)提供自適應(yīng)驅(qū)動器所需的預(yù)測控制緩沖寄存器,根據(jù)車輛的需求值,結(jié)合傳動系統(tǒng)速比及道路坡度等相關(guān)信息,系統(tǒng)地進(jìn)行整車模擬計算和測試,從而實現(xiàn)臺架模擬整車循環(huán)行駛工況。

1.2.2 電源模擬器功能

電源模擬器帶有電源和負(fù)載兩種特性,能夠給電驅(qū)動系統(tǒng)提供大功率能量,還能將電驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)生的能量回饋至電網(wǎng)。同時電源模擬器具備相關(guān)的電池模型,能夠模擬多種電池特性,在臺架模擬整車測試過程中能夠真實的模擬車載動力電池的相關(guān)特性。

1.2.3 功率分析儀功能

功率分析儀主要用來測量電驅(qū)動系統(tǒng)電壓、電流、損耗、無功功率、視在功率、功率因數(shù)、頻率、諧波、相位角等參數(shù),通過直流、交流功率的計算,能同時測量耗電和發(fā)電功率,能對電驅(qū)動系統(tǒng)做測試評價和能效分析。

2 混合動力經(jīng)濟(jì)性臺架測試

臺架安裝與調(diào)試:

根據(jù)混合動力系統(tǒng)產(chǎn)品搭建混合動力臺架測試系統(tǒng)。合理安裝布置各類適配傳感器,對進(jìn)排氣系統(tǒng)、條件控制系統(tǒng)等機(jī)械電力進(jìn)行相關(guān)連接,然后將各個系統(tǒng)中涉及的需求數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)統(tǒng)一傳輸至PUMA OPEN,以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐叫院蛯崟r性。混合動力經(jīng)濟(jì)性測試其中性能參數(shù)包括:工況－車速、里程－油耗,基于此需配置電源模擬器的電池模型,功率分析儀的數(shù)據(jù)采集,循環(huán)工況及自動化控制模式的編制等。

2.1 電源模擬器配置

電源模擬器的輸入輸出參數(shù)通過CAN 總線集成至臺架系統(tǒng)中的CAN3 通道,通過CAN 總線進(jìn)行通信連接,同時設(shè)置PUMA OPEN 中的相關(guān)變量與電源模擬器的變量進(jìn)行一一映射。本次測試中需要使用電源模擬器的電池模擬功能,根據(jù)匹配的電池包的相關(guān)參數(shù)設(shè)置電源模擬器的串、并聯(lián)數(shù)及初始SOC 值。

2.2 功率分析儀配置

功率分析儀采集到的參數(shù)通過CAN 總線集成至臺架系統(tǒng)中的CAN4 通道,通過CAN 總線進(jìn)行通信連接,同時設(shè)置臺架控制系統(tǒng)中的相關(guān)變量與功率分析儀的變量進(jìn)行一一映射。

2.3 循環(huán)工況及自動化控制系統(tǒng)建立

2.3.1 循環(huán)工況的建立。目前常用的國內(nèi)外汽車道路行駛工況有NEDC 工況、FTP75 工況、UDDS 工況、WLTP 工況、C_WTVC 工況。本次測試采用C_WTVC 循環(huán)行駛工況,該工況由市區(qū)循環(huán)、公路循環(huán)、高速循環(huán)三個部分構(gòu)成,循環(huán)工況總測試時間1800s,如圖2 所示。

圖2 C_WTVC 循環(huán)行駛工況

2.3.2 可視化的顯示界面。C_WTVC 循環(huán)行駛工況測試中,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)及其它傳輸?shù)臄?shù)據(jù)將實時同步地傳輸至PUMA OPEN 系統(tǒng)中,PUMA OPEN 控制系統(tǒng)將相關(guān)數(shù)據(jù)實時地顯示在電腦界面,如圖3 所示。

圖3 混合動力經(jīng)濟(jì)性測試顯示界面

2.3.3 數(shù)據(jù)的記錄與保存。數(shù)據(jù)記錄器是一個獨立的測量裝置,堪比外部瞬態(tài)記錄儀。該記錄器用于在試驗間直接采集高度動態(tài)的數(shù)據(jù),它獨立于PUMA OPEN 測量而工作,用于記錄試驗循環(huán)內(nèi)或期間的已定義的通道及隨后的可視化圖形或某些現(xiàn)象的分析。定義完測試的主要數(shù)據(jù)后,設(shè)置特定的采集頻率,通道內(nèi)被記錄的數(shù)值即可存儲在數(shù)據(jù)庫中。記錄的數(shù)據(jù)可通過 POI 在線窗口進(jìn)行分析或通過PUMA CONCERTO 進(jìn)行處理,混合動力經(jīng)濟(jì)性測試數(shù)據(jù)記錄與保存見圖4。

圖4 混合動力經(jīng)濟(jì)性測試數(shù)據(jù)記錄與保存

3 試驗測試方法及結(jié)果

混合動力模擬整車經(jīng)濟(jì)型測試中試驗方法可參考GB/T 19754-2015《重型混合動力電動汽車能量消耗量試驗方法》進(jìn)行試驗循環(huán)測試。混合動力總成在臺架上進(jìn)行試驗,在條件控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、供電系統(tǒng)調(diào)試完成后,測功機(jī)系統(tǒng)能夠在Rg/V 控制模式下進(jìn)行循環(huán)工況試驗,根據(jù)C_WTVC 循環(huán)工況中車輛的需求車速(V_dem),測得臺架系統(tǒng)中車輛的當(dāng)前車速(V_act),形成工況－車速圖,試驗測試結(jié)果見圖5。在整個循環(huán)測試過程中,油耗儀將實時采集當(dāng)前燃油消耗,PUMA OPEN 將記錄車輛行駛里程,形成里程－油耗圖,試驗測試結(jié)果見圖6。

圖5 C_WTVC 循環(huán)行駛工況－車速圖

圖6 C_WTVC 循環(huán)行駛里程－油耗圖

4 結(jié)論

基于多能源動力總成臺架模擬整車經(jīng)濟(jì)性測試平臺,應(yīng)用電源模擬器的電池模擬功能及臺架的自動化控制功能,結(jié)合適配的道路行駛工況實現(xiàn)臺架對整車參數(shù)及道路阻力的模擬。提出了一種混合動力系統(tǒng)在臺架上模擬整車的試驗方法,模擬了汽車的行駛工況、測試了汽車的行駛里程及油耗。能夠為開發(fā)設(shè)計混合動力系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐,同時也能測試混合動力系統(tǒng)在整車的性能及可靠性需求,能夠有效的縮短整車的開發(fā)周期,降低試驗成本。