增程式動力系統測試臺架開發及應用

劉 雷, 李 超, 孟昭陽, 周利偉, 趙國朋

(1.中通客車股份有限公司, 山東 聊城 252000; 2.山東省新能源客車安全與節能重點實驗室, 山東 聊城 252000)

在增程式電動城市客車開發中,為保證整車性能的可靠性和良好的燃油性,增程式動力系統的試驗驗證尤為重要,試驗項目包括動力系統模擬整車性能驗證、控制策略驗證、最低比油耗驗證等。本文針對某增程式電動城市客車研發了增程式動力系統的測試臺架[1],并進行應用驗證。

1 測試臺架開發

1.1 組成

測試臺架由測功機控制系統(油門、轉矩控制、冷卻溫度控制)、測功機(提供負載)、電池模擬器(提供直流電源)、功率分析儀(電壓采集及功率計算)、霍爾傳感器(電流采集)、扭矩環(轉速/轉矩測量)、溫濕度計(溫濕度采集)、發動機/電機/發電機冷卻系統、增程式動力系統(電機、發動機、電機控制器MCU、發電機控制器GCU、發動機控制器ECU、增程式控制器RCU、整車控制器VCU)等組成[2]。其按照實車結構進行布置,架構如圖1所示。

圖1 測試臺架架構圖

1.2 信號模擬

CAN網絡測試中,整車控制器與測功機控制系統通過油門信號、剎車信號、轉速信號、轉矩信號等進行通訊,為避免出現因個別控制信號報警而無法上電的情況,將整車控制器的部分信號進行屏蔽。部分信號(如鑰匙開關、油門信號等)采用硬線模擬裝置[3],為此采用翹板開關模擬開關信號。特定測試時電驅系統只接收臺架發送的報文,保證整車試驗的順利進行。

1.3 高低壓信號干擾處理

鑒于增程式動力系統較為復雜,為避免高低壓線束相互交叉帶來的信號干擾,采取如下措施:所有高壓部件均接地;電機、發電機等高壓部件相線均加磁環進行抗干擾;結構上高低壓線束盡可能分開布局。

1.4 冷卻系統搭建

為真實地模擬整車的試驗環境,冷卻系統采用與整車配套的ATS散熱系統,并嚴格按照整車控制邏輯設定各子冷卻系統的開啟溫度。該水箱分為兩部分,發動機端溫度設定為85 ℃,電機端溫度設定為45 ℃。

2 增程式動力系統試驗及結果分析

2.1 邏輯驗證測試

2.1.1 上下電控制邏輯驗證

1) 測試方法。通過不斷調整整車控制器及電機控制器程序,保障系統順利實現上下電,滿足不同(純電、混合動力)模式切換[4-5]。

2) 測試步驟。上電邏輯:先打開ON開關,低壓上電;電池模擬器運行高壓上電,整車控制器收到電機控制器端發送的電壓使能信號后,完成高壓上電;發動機根據整車SOC值判斷是否啟動發動機。下電邏輯:先關閉ON開關,低壓下電,整車控制器發送發動機停機指令,同時發電功率請求為0;整車控制器在增程式系統控制器反饋準備就緒狀態報文后,清除ready信號;系統在增程式系統控制器反饋未激活狀態后,控制電池模擬器進行下高壓,完成高壓下電。

2.1.2 制動能量回饋驗證試驗

利用測試臺架油門和擋位模擬行車功能。擋位設為前進擋,給定油門開度,系統能夠正常執行行車命令,當電機達到最高轉速后給定制動踏板開度,系統能夠正常反饋設定的反拖峰值扭矩進行制動能量回收(如圖2所示),完成制動程序邏輯驗證。

圖2 制動能量回收驗證

2.1.3 發動機啟動邏輯驗證試驗

利用測試臺架油門和擋位模擬行車功能。臺架擋位設定為前進擋,油門根據需要自適應模擬行車功能,電池模擬器給定相當于SOC值為51%的模擬電壓值,觀察發動機是否正常啟動。由圖3可知,在SOC值達到50%時啟動正常,并按照設定程序的發電功率進行,且SOC穩定在特定的區間內[6],未出現其他報警及限功率等異常情況,完成發動機啟動邏輯驗證。

圖3 發動機啟動驗證

2.2 比油耗測試及結果分析

為了真實地模擬整車狀況,測試臺架利用電池模擬器提供和實車一樣的520 V電壓平臺,使其工作在高效低排放的工況內[7-8]。試驗發現增程式控制器在執行-80 kW(控制邏輯驅動為正,發電為負)發電功率時比油耗最低,故發電功率設為-80 kW能達到最佳狀態且滿足整車功率設計需求。從能量轉化角度來看,該混合車型與匹配較好的常規車差別不大[9],測試結果見表1。

表1 系統發電測試結果

3 增程式動力系統整車性能試驗及結果分析

增程式動力系統模擬整車進行測試,采用AVL開發的PUMA測功機控制系統,在控制系統里輸入整車整備質量、最大設計質量、速比、迎風面積及標準要求試驗質量的國標推薦阻力系數a、b、c值等信息,控制系統根據輸入整車信息控制測功機模擬整車阻力,達到整車性能測試目的。整車部分參數見表2。

表2 整車信息參數

3.1 經濟性測試

測試方法:參考GB/T 18386—2017測試標準[10],采用控制系統錄入的實地采集的路況路譜,在純電模式下模擬工況能量消耗率測試,其車速跟隨曲線如圖4所示。由圖4可知,目標車速與實際車速的偏差在允許的誤差范圍內,跟隨性符合要求[11],未發現報警信息。結果顯示工況能量消耗率為0.788 kW·h/km,實車道路工況能量消耗率為0.765 kW·h/km,考慮到駕駛員操作等誤差,測試臺架與實車的測試值偏差在3%之內,數據有效。

圖4 工況目標車速與實際車速跟隨曲線

3.2 動力性測試

1) 爬坡性能。爬坡性能主要取決于動力系統的峰值扭矩、傳動速比,測試結果見表3。

表3 增程式動力系統動力性測試結果

通過試驗發現該套動力系統9 m車型的坡道起步能力為24%,11 m車型的坡道起步能力為19%,11 m車型未能滿足客戶要求(不小于22%),故需要對驅動系統進行優化或建議更換該車型的驅動系統規格。

2) 加速性能。加速性能主要取決于驅動系統的峰值扭矩、峰值功率,試驗得出0～30 km/h加速時間為5.9 s,30～50 km/h加速時間為8.1 s,均滿足整車設計要求,完成系統模擬整車性能匹配驗證。

4 結 論

基于增程式動力系統測試臺架開發,完成電機、發電機及發動機的耦合試驗,發現安裝問題二十余項,設計問題十余項,并在裝車前進行了問題封閉,大大減少了裝車后的質量問題,降低了開發周期,可以得出如下結論:

1) 測試臺架實現增程式動力系統高壓上下電、制動能量回饋邏輯驗證試驗,充分驗證了既定的控制策略。

2) 測試臺架驗證了增程式動力系統發動機啟動邏輯,確定系統最低比油耗的發電功率值,相比傳統燃油車在同等工況下能大幅度降低整車油耗。

3) 通過臺架測試發現該增程式動力系統能滿足9 m車型的整車動力需求,但應用到11 m車型上動力性不足,為整車動力系統匹配提供了數據支撐。