陳衛(wèi)林

(中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司,重慶 401122)

應(yīng)國(guó)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(shí)現(xiàn)碳中和。根據(jù)《國(guó)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(dòng)汽車、增程式電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車以及燃料電池電動(dòng)汽車。其中混合動(dòng)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(diǎn),越來(lái)越被消費(fèi)者所青睞和接受。因此開發(fā)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車顯得尤為重要,而作為混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的“動(dòng)力心臟”- 混合動(dòng)力總成成為主要的研究對(duì)象。為保證混合動(dòng)力系統(tǒng)產(chǎn)品性能及可靠性,混合動(dòng)力總成臺(tái)架測(cè)試就顯得極其重要。為了在開發(fā)階段就能預(yù)先評(píng)估其整車的燃油經(jīng)濟(jì)性,因此如何能在臺(tái)架上模擬整車進(jìn)行燃油經(jīng)濟(jì)性測(cè)試就顯得尤為重要。

1 混合動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性測(cè)試臺(tái)架整體架構(gòu)

1.1 混合動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性測(cè)試臺(tái)架能力

測(cè)試臺(tái)架須帶有駕駛員模型及整車模型,在臺(tái)架系統(tǒng)模擬車輛行駛過(guò)程中,臺(tái)架系統(tǒng)能夠通過(guò)數(shù)學(xué)模型來(lái)模擬車輛行駛過(guò)程中的所有負(fù)載。其中測(cè)功機(jī)系統(tǒng)負(fù)責(zé)提供混合動(dòng)力系統(tǒng)所需要的負(fù)載,而車輛行駛過(guò)程中的阻力則臺(tái)架軟件控制系統(tǒng)進(jìn)行模擬。車輛行駛過(guò)程中的阻力主要由滾動(dòng)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(dòng)阻力模擬

車輪滾動(dòng)時(shí),輪胎與路面的接觸區(qū)域會(huì)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(duì)剛度決定了變形的特點(diǎn)。當(dāng)彈性輪胎在硬路面(混凝土路、瀝青路)上滾動(dòng)時(shí),輪胎的變形是主要的,此時(shí)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(shí)對(duì)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(dòng)阻力。臺(tái)架系統(tǒng)模擬滾動(dòng)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(shí)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(guò)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(shí)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(shí),克服其質(zhì)量加速運(yùn)動(dòng)時(shí)的慣性力。所以在車輛模擬過(guò)程中,還需要考慮單個(gè)車輛部件的慣性矩,以獲得真實(shí)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(gè)部件的慣性矩

1.2 混合動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性測(cè)試臺(tái)架功能模塊

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

圖1 混合動(dòng)力測(cè)試架構(gòu)圖

1.2.1 多能源動(dòng)力總成臺(tái)架系統(tǒng)

多能源動(dòng)力總成臺(tái)架系統(tǒng)由自動(dòng)化臺(tái)架控制系統(tǒng)(PUMA OPEN)、一臺(tái)功率400kW 的交流電力測(cè)功機(jī)和與之匹配的3 檔變速器組成。自動(dòng)化臺(tái)架控制系統(tǒng)主要包括試驗(yàn)臺(tái)架控制系統(tǒng)及駕駛員與整車模擬系統(tǒng)。此外總成臺(tái)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(dòng)機(jī)燃油恒溫控制系統(tǒng)、553－發(fā)動(dòng)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(tái)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(tái)架在執(zhí)行駕駛員模擬過(guò)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(dòng)化控制程序進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試過(guò)程中系統(tǒng)提供自適應(yīng)驅(qū)動(dòng)器所需的預(yù)測(cè)控制緩沖寄存器,根據(jù)車輛的需求值,結(jié)合傳動(dòng)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(jì)算和測(cè)試,從而實(shí)現(xiàn)臺(tái)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(dòng)系統(tǒng)提供大功率能量,還能將電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的能量回饋至電網(wǎng)。同時(shí)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(tái)架模擬整車測(cè)試過(guò)程中能夠真實(shí)的模擬車載動(dòng)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(lái)測(cè)量電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電壓、電流、損耗、無(wú)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(guò)直流、交流功率的計(jì)算,能同時(shí)測(cè)量耗電和發(fā)電功率,能對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)做測(cè)試評(píng)價(jià)和能效分析。

2 混合動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性臺(tái)架測(cè)試

臺(tái)架安裝與調(diào)試:

根據(jù)混合動(dòng)力系統(tǒng)產(chǎn)品搭建混合動(dòng)力臺(tái)架測(cè)試系統(tǒng)。合理安裝布置各類適配傳感器,對(duì)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(gè)系統(tǒng)中涉及的需求數(shù)據(jù)通過(guò)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?shí)時(shí)性?；旌蟿?dòng)力經(jīng)濟(jì)性測(cè)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(dòng)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(guò)CAN 總線集成至臺(tái)架系統(tǒng)中的CAN3 通道,通過(guò)CAN 總線進(jìn)行通信連接,同時(shí)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(cè)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(guò)CAN 總線集成至臺(tái)架系統(tǒng)中的CAN4 通道,通過(guò)CAN 總線進(jìn)行通信連接,同時(shí)設(shè)置臺(tái)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(dòng)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(guó)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(cè)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(gè)部分構(gòu)成,循環(huán)工況總測(cè)試時(shí)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(cè)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)地顯示在電腦界面,如圖3 所示。

圖3 混合動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性測(cè)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(gè)獨(dú)立的測(cè)量裝置,堪比外部瞬態(tài)記錄儀。該記錄器用于在試驗(yàn)間直接采集高度動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù),它獨(dú)立于PUMA OPEN 測(cè)量而工作,用于記錄試驗(yàn)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(cè)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(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。記錄的數(shù)據(jù)可通過(guò) POI 在線窗口進(jìn)行分析或通過(guò)PUMA CONCERTO 進(jìn)行處理,混合動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性測(cè)試數(shù)據(jù)記錄與保存見圖4。

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

3 試驗(yàn)測(cè)試方法及結(jié)果

混合動(dòng)力模擬整車經(jīng)濟(jì)型測(cè)試中試驗(yàn)方法可參考GB/T 19754-2015《重型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車能量消耗量試驗(yàn)方法》進(jìn)行試驗(yàn)循環(huán)測(cè)試?；旌蟿?dòng)力總成在臺(tái)架上進(jìn)行試驗(yàn),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(cè)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(yàn),根據(jù)C_WTVC 循環(huán)工況中車輛的需求車速(V_dem),測(cè)得臺(tái)架系統(tǒng)中車輛的當(dāng)前車速(V_act),形成工況－車速圖,試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見圖5。在整個(gè)循環(huán)測(cè)試過(guò)程中,油耗儀將實(shí)時(shí)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(yàn)測(cè)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(dòng)力總成臺(tái)架模擬整車經(jīng)濟(jì)性測(cè)試平臺(tái),應(yīng)用電源模擬器的電池模擬功能及臺(tái)架的自動(dòng)化控制功能,結(jié)合適配的道路行駛工況實(shí)現(xiàn)臺(tái)架對(duì)整車參數(shù)及道路阻力的模擬。提出了一種混合動(dòng)力系統(tǒng)在臺(tái)架上模擬整車的試驗(yàn)方法,模擬了汽車的行駛工況、測(cè)試了汽車的行駛里程及油耗。能夠?yàn)殚_發(fā)設(shè)計(jì)混合動(dòng)力系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐,同時(shí)也能測(cè)試混合動(dòng)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(yàn)成本。