楊金民，方立輝，王君，張新亮，李日成

（哈爾濱東安汽車發(fā)動機(jī)制造有限公司技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱 150060）

1 引言

國家油耗和排放法規(guī)日益嚴(yán)苛，為了應(yīng)對政策要求和汽車市場的需求，各大汽車企業(yè)開始開發(fā)新能源產(chǎn)品。P2 架構(gòu)混合動力是通過在傳統(tǒng)動力總成的發(fā)動機(jī)和變速器中間增加電機(jī)實(shí)現(xiàn)的，在技術(shù)難度、節(jié)油效果等方面優(yōu)勢明顯，是新能源汽車發(fā)展初期各汽車企業(yè)首選的開發(fā)方向。

P2 架構(gòu)混合動力中的電機(jī)具有起步、助力、能量回收等多種功能，在開發(fā)初期，必須首先完成電機(jī)單體的各項性能測試。進(jìn)行電機(jī)性能測試，需要專門的電機(jī)單體試驗臺，常規(guī)動力總成試驗所涉及的臺架無法實(shí)現(xiàn)。

2 電機(jī)性能試驗的重要性

傳統(tǒng)動力總成生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)軍混合動力總成領(lǐng)域之初，由于其成熟產(chǎn)品為發(fā)動機(jī)和變速器，為了快速搶占新能源市場，往往采用外購電機(jī)然后進(jìn)行混合動力總成集成的方式。

電機(jī)是P2 架構(gòu)混合動力總成的重要組成部分，其性能的優(yōu)劣往往決定著整套混動系統(tǒng)性能的好壞。電機(jī)的外特性影響混合動力總成的最大驅(qū)動能力，電機(jī)的效率影響混動系統(tǒng)的節(jié)油效果，電機(jī)冷卻能力的大小影響控制系統(tǒng)能量管理策略的設(shè)計。

雖然外購的電機(jī)在電機(jī)生產(chǎn)企業(yè)的設(shè)計、生產(chǎn)等階段會進(jìn)行性能測試，但是混合動力總成集成企業(yè)必須要具備電機(jī)性能測試能力，才能更好地掌握所選用電機(jī)的各項性能指標(biāo)，為其混合動力產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制策略設(shè)計、匹配數(shù)據(jù)優(yōu)化提供支持。

3 電機(jī)單體性能試驗實(shí)施的難點(diǎn)

3.1 需要專用的電機(jī)試驗臺

進(jìn)行電機(jī)性能試驗，必須要使用專用的電機(jī)單體試驗臺，電機(jī)的最高運(yùn)行轉(zhuǎn)速一般情況下要高于傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)，且電機(jī)在低速段可以恒定輸出最大扭矩，電機(jī)運(yùn)行過程中對同軸度要求較高，電機(jī)在進(jìn)行臺架試驗時需要使用大功率油冷或水冷設(shè)備進(jìn)行冷卻，以保證電機(jī)的運(yùn)行工況滿足試驗測試的需求。

傳統(tǒng)動力總成生產(chǎn)企業(yè)由于沒有電機(jī)產(chǎn)品，因此沒有專用的電機(jī)單體試驗臺，其發(fā)動機(jī)試驗臺并不適用于進(jìn)行電機(jī)性能測試。

3.2 電機(jī)試驗專用工裝設(shè)計復(fù)雜

P2 混動電機(jī)與變速器裝配在一起，電機(jī)殼體的一部分一般借用變速器殼體，在電機(jī)試驗臺上進(jìn)行電機(jī)性能測試時，因無變速器部分，必須重新設(shè)計殼體工裝，保證電機(jī)的完整性。

電機(jī)殼體工裝在設(shè)計時必須考慮電機(jī)的冷卻水套，保證其具備足夠強(qiáng)的散熱能力，使電機(jī)溫度能夠達(dá)到試驗所需的溫度。另外，殼體工裝的設(shè)計還必須考慮旋變器、NTC 等低壓線束出線位置和高壓接線盒的位置。

由于電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，進(jìn)行性能試驗時還會測試電機(jī)的超速工況，因此工裝設(shè)計時對轉(zhuǎn)子的同軸度要求很高，轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)過程中與定子的間隙不得超過0.3mm，且轉(zhuǎn)子兩端的固定軸承必須有足夠的強(qiáng)度，允許的最高轉(zhuǎn)速一般不低于10000rpm。

圖1 為某P2 混動電機(jī)的工裝殼體示意圖，圖2 為電機(jī)試驗臺適配固定工裝示意圖。

圖1 某P2 混動電機(jī)工裝殼體

綜上所述，為了進(jìn)行P2 混動電機(jī)的單體性能試驗，需要設(shè)計的工裝相當(dāng)于重新設(shè)計一套完整的電機(jī)殼體，難度大、周期長。

3.3 動力總成試驗臺無法直接測量電機(jī)扭矩

測試電機(jī)的性能，必須要準(zhǔn)確測量電機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩、電壓、電流、功率因數(shù)等參數(shù)，電機(jī)轉(zhuǎn)速可以由電機(jī)自身的旋變器直接測量，電壓、電流、功率因數(shù)等可以通過外接功率分析儀進(jìn)行測量，但是由于P2 混動系統(tǒng)中的電機(jī)集成在發(fā)動機(jī)和變速器中間，無法使用動力總成試驗臺的扭矩法蘭測量電機(jī)直接輸出的扭矩，也無法連接其他形式的扭矩傳感器進(jìn)行測量。

圖2 電機(jī)試驗臺適配固定工裝

雖然電機(jī)控制器的控制模型中會計算電機(jī)的輸出扭矩，但這種計算扭矩是基于電機(jī)在初始標(biāo)定時的模型數(shù)據(jù)進(jìn)行計算的，其精度本身就不高，而且不同的電機(jī)存在單體差異，因此其計算扭矩和實(shí)際扭矩存在一定的偏差。

電機(jī)的外特性直接使用扭矩進(jìn)行評價，電機(jī)的效率必須要使用扭矩進(jìn)行計算，因此，如果無法測量電機(jī)的扭矩，將無法實(shí)現(xiàn)對電機(jī)性能的測試評價。

4 電機(jī)扭矩計算方法

對于不直接生產(chǎn)電機(jī)的企業(yè)來說，有必要對其外購的用于P2 混動系統(tǒng)的電機(jī)進(jìn)行必要性能測試，但是測試電機(jī)單體性能的實(shí)施難度較大，需要投入較大的人力物力成本。因此，如果能在動力總成試驗臺上實(shí)現(xiàn)對P2 混動電機(jī)的性能測試，無疑會為不直接生產(chǎn)電機(jī)的混合動力總成生產(chǎn)企業(yè)節(jié)省大量的試驗成本、節(jié)約研發(fā)試驗時間。

通過分析P2 混動系統(tǒng)的動力傳遞路線，在EV 模式下，K0 離合器斷開，電機(jī)轉(zhuǎn)子與發(fā)動機(jī)曲軸脫開，電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動時，動力由電機(jī)轉(zhuǎn)子輸出給變速器輸入軸，經(jīng)變速器內(nèi)部行星機(jī)構(gòu)傳遞后由兩個半軸輸出。在動力總成試驗臺上，電機(jī)轉(zhuǎn)速可以直接讀取，變速器的半軸轉(zhuǎn)速和扭矩可以由臺架測功機(jī)的編碼器和扭矩法蘭直接測量，如果能夠知道當(dāng)前時刻的變速器傳動效率，便可以計算出當(dāng)前時刻的電機(jī)扭矩。

電機(jī)扭矩計算公式：

式中：TE為電機(jī)扭矩；NL為變速器左半軸輸出轉(zhuǎn)速；TL為變速器左半軸輸出扭矩；NR為變速器右半軸輸出轉(zhuǎn)速；TR為變速器右半軸輸出扭矩；NE為電機(jī)轉(zhuǎn)速；η 為變速器效率。

5 P2 混動電機(jī)性能測試步驟

5.1 測量變速器傳動效率

P2 混動系統(tǒng)所用的變速器與傳統(tǒng)動力總成的變速器差異不大，其傳動效率可以在變速器性能試驗臺上測出，動力總成生產(chǎn)企業(yè)一般都配備這樣的試驗臺架。

因變速器傳動效率受變速器油溫影響較大，且每個檔位的傳動效率均不相同，因此在測量變速器傳動效率時必須嚴(yán)格控制變速器油溫在一定的范圍內(nèi)，如80±3℃，并且每個檔位的傳動效率均需要測量。

在各個檔位下，變速器傳動效率需要測量的工況為：

（1）輸入軸轉(zhuǎn)速：從500rpm 開始，每500rpm 一個梯度至最高轉(zhuǎn)速。

（2）輸出扭矩和：從100Nm 開始，每100Nm 一個梯度至最大扭矩。

5.2 設(shè)置變速器傳動效率MAP

根據(jù)變速器傳動效率的測量結(jié)果，在動力總成試驗臺上編輯設(shè)置變速器在特定溫度時（80±3℃）各檔位傳動效率隨變速器輸入軸轉(zhuǎn)速、輸出扭矩和變化的MAP，圖3 為某P2混動變速器3 檔時的傳動效率MAP。

圖3 某P2 混動變速器3 檔傳動效率MAP

5.3 在動力總成試驗臺上計算電機(jī)扭矩

P2 混動總成在動力總成試驗臺上進(jìn)行試驗時，選擇EV模式，控制K0 離合器斷開，由電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動，控制變速器油溫與之前進(jìn)行變速器傳動效率測量時的油溫一致（80±3℃），根據(jù)變速器當(dāng)前檔位、輸出軸轉(zhuǎn)速（即電機(jī)轉(zhuǎn)速）、輸出扭矩和（即臺架左右半軸扭矩之和），通過臺架系統(tǒng)自動查找之前設(shè)定好的變速器傳動效率MAP，可以計算出變速器的實(shí)時效率，再根據(jù)電機(jī)扭矩計算公式便可以計算出電機(jī)的實(shí)時扭矩。

電機(jī)扭矩通過計算獲得，電機(jī)轉(zhuǎn)速、輸入電壓、輸入電流、功率因數(shù)等參數(shù)均可以直接測量，至此可以在動力總成試驗臺上實(shí)現(xiàn)P2 混動電機(jī)性能測試。

6 試驗測試結(jié)果

使用東安汽發(fā)生產(chǎn)的P2 架構(gòu)混合動力總成分別在電機(jī)單體試驗臺和動力總成試驗臺上進(jìn)行電機(jī)性能測試，圖4 為電機(jī)單體試驗臺的電機(jī)效率測量結(jié)果，圖5 為動力總成試驗臺的電機(jī)效率測量結(jié)果。

圖4 電機(jī)單體試驗臺電機(jī)效率測量結(jié)果

圖5 動力總成試驗臺電機(jī)效率測量結(jié)果

對比以上兩個測量結(jié)果可以看出，在動力總成試驗臺上測量電機(jī)扭矩，與在專用的電機(jī)試驗臺上電機(jī)扭矩的測量結(jié)果差異不到，各工況下差值均小于1Nm，滿足電機(jī)性能的測試需求。

7 結(jié)語

通過分析P2 架構(gòu)混合動力總成的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和動力傳遞路線，設(shè)計了在動力總成試驗臺上測量P2 混動電機(jī)扭矩的試驗方案，解決了不直接生產(chǎn)電機(jī)的混合動力生產(chǎn)企業(yè)無法測量電機(jī)性能的難題，使其能夠更好地掌握外購電機(jī)的性能，便于對其混合動力總成產(chǎn)品進(jìn)行更好地優(yōu)化設(shè)計，節(jié)約了投資成本，縮短了開發(fā)周期。