張杰家

(中車青島四方車輛研究所有限公司，青島 266031)

面對全球環(huán)境污染加劇以及能源短缺兩大挑戰(zhàn)，車輛電驅(qū)動(dòng)化已經(jīng)成為國際上主要國家以及汽車企業(yè)的重要發(fā)展戰(zhàn)略.我國通過的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021-2035年)》指出，國家要布局整車技術(shù)創(chuàng)新鏈，研發(fā)新一代模塊化高性能整車平臺，攻關(guān)多能源動(dòng)力系統(tǒng)集成技術(shù)，突破整車智能能量管理控制、輕量化、低摩阻等共性節(jié)能技術(shù)，提高新能源汽車整車綜合性能.

在城市物流車方面，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和電商行業(yè)的日益興起，我國冷鏈和宅配送業(yè)市場已經(jīng)進(jìn)入高速發(fā)展期，隨之而來的便是海量的用車需求.同時(shí)，由于燃油物流車的排放會(huì)影響城市環(huán)境，帶來霧霾和污染，其市場運(yùn)行受到很大限制.新能源物流車由于使用成本低、環(huán)保舒適等優(yōu)勢備受市場青睞.當(dāng)前國內(nèi)部分城市已經(jīng)率先對新能源物流車開放路權(quán)，更有利于提高企業(yè)配送車輛裝載率與配送時(shí)效，進(jìn)而提高企業(yè)整體運(yùn)營效率，增加企業(yè)收益.目前純電動(dòng)物流車?yán)m(xù)駛里程短的問題極大的限制了工作時(shí)間和里程，開發(fā)插電式混合物流車既可以解決純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程短的問題，又能在市區(qū)人口密集區(qū)域盡可能使用純電動(dòng)模式，改善排放，必將具有良好的市場前景.另外，隨著純電動(dòng)補(bǔ)貼政策的逐步退坡，插電車的競爭力也將進(jìn)一步提升.

另外，行星式機(jī)電耦合系統(tǒng)具有兩個(gè)電機(jī)與一套行星齒輪機(jī)構(gòu)，其生產(chǎn)配套涉及電機(jī)的采購和行星齒輪機(jī)構(gòu)的加工，能良好帶動(dòng)國內(nèi)下游零部件供應(yīng)商的發(fā)展.尤其是行星齒輪機(jī)構(gòu)的加工，一方面由于設(shè)計(jì)、加工難度大，另一方面，由于國內(nèi)還少有該類系統(tǒng)的應(yīng)用，國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)品的配套能力較弱.而隨著混合動(dòng)力汽車的普及應(yīng)用，行星齒輪機(jī)構(gòu)的需求必將不斷增大.通過本項(xiàng)目的開展，基于產(chǎn)學(xué)研開發(fā)機(jī)制、整合整機(jī)廠與部件供應(yīng)商的優(yōu)勢資源，能夠形成相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)能力，提升公司在新能源商用汽車關(guān)鍵部件中的競爭力.

1 系統(tǒng)特點(diǎn)

混合動(dòng)力系統(tǒng)按照系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同，通?？煞譃榇?lián)、并聯(lián)、混聯(lián)3種構(gòu)型[1].文中研究的系統(tǒng)是基于混聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，不同之處是在原有混聯(lián)動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型中再配置一臺功率合適的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，且增加一套滿足工況要求的功率補(bǔ)償裝置—超級電容系統(tǒng)，功率補(bǔ)償裝置回收制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的再生能量，同時(shí)作為極限加速、爬坡等情況時(shí)進(jìn)行功率補(bǔ)償[2-3].

該系統(tǒng)具備如下特點(diǎn)：

1)模塊化的布置方案及集成化的機(jī)電一體單元設(shè)計(jì).模塊化單元—雙電機(jī)行星齒輪機(jī)電耦合系統(tǒng)，其前端與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸對接，對發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械連接要求較低，輸入輸出接口同軸布置，降低整車布置難度，提高傳動(dòng)效率，提高系統(tǒng)的匹配適應(yīng)能力.

2)所涉及的結(jié)構(gòu)為雙電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng).其中一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有高轉(zhuǎn)速低扭矩特性，另一個(gè)具有低轉(zhuǎn)速高扭矩特性，三者通過行星齒輪耦合.通過三者合理協(xié)調(diào)，可以更好的解決在不斷變動(dòng)的復(fù)雜工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)無法長時(shí)間處于最佳燃油經(jīng)濟(jì)性區(qū)域的問題，使整個(gè)系統(tǒng)更加節(jié)油.

3)具有更加全面故障保護(hù)功能.包括超級系統(tǒng)各類故障保護(hù)功能、DC/DC模塊故障保護(hù)功能和電機(jī)及電機(jī)控制器故障保護(hù)功能等.

2 系統(tǒng)構(gòu)成

混合動(dòng)力行星齒輪機(jī)電耦合系統(tǒng)試驗(yàn)臺架主要由測功機(jī)測試系統(tǒng)、駕駛員模擬系統(tǒng)、雙電機(jī)行星齒輪機(jī)電耦合系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和主控制器5部分構(gòu)成[4]，如圖1所示.

圖1 臺架系統(tǒng)框圖

該臺架系統(tǒng)與現(xiàn)有的臺架測試系統(tǒng)相比，主要區(qū)別于雙電機(jī)行星齒輪機(jī)電耦合系統(tǒng)，該部分主要由空心軸電機(jī)、實(shí)心軸電機(jī)及行星齒輪組成，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)分別與行星齒輪系統(tǒng)中的齒圈和太陽輪相連接，與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸和測功機(jī)中心軸處于同一軸線上；發(fā)動(dòng)機(jī)輸出端穿過空心軸電機(jī)與行星齒輪系統(tǒng)的行星架相連接；測功機(jī)系統(tǒng)通過制動(dòng)器與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出軸相連接.

雙向DC/DC和兩個(gè)電機(jī)控制器通過CAN總線與主控制器實(shí)現(xiàn)信息交互，可以將運(yùn)行過程中的參數(shù)及故障信息實(shí)時(shí)發(fā)送至主控制器.在驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行過程中，超級電容經(jīng)雙向DC/DC升壓后，通過電機(jī)控制器變換為兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供動(dòng)力；同時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)也可以發(fā)電，經(jīng)DC/DC降壓后為超級電容充電.

所包含的駕駛員模擬系統(tǒng)主要由鑰匙、制動(dòng)踏板、加速踏板和故障指示組成，鑰匙是整個(gè)測試系統(tǒng)的低壓上電開關(guān)；加速踏板和制動(dòng)踏板主要用于人工操作使用；故障指示用于顯示系統(tǒng)在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)測試故障，可實(shí)時(shí)反饋至駕駛員.

3 系統(tǒng)試驗(yàn)測試

3.1 策略功能測試

(1)上下電功能測試

上下電功能測試分為低壓上下電功能測試與高壓上下電功能測試兩部分.低壓上下電指的是整車控制器和各部件控制器的上下電；高壓上下電指的是高壓部件的上下電，包括超級電容系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)電機(jī)的上下電.上下電測試過程中，通過調(diào)整鑰匙總成的位置，整車控制器、發(fā)動(dòng)機(jī)控制器和兩個(gè)電機(jī)控制器此時(shí)應(yīng)依次響應(yīng)，向整車CAN線上傳輸相應(yīng)的報(bào)文，采用CANoe檢測整車CAN線上的信號，便可檢測各控制器是否成功.

(2)怠速啟停功能測試

怠速啟停功能測試，當(dāng)檔桿處于N擋且鑰匙開關(guān)未調(diào)整至ACC位置，在超級電容電量充足且發(fā)動(dòng)機(jī)無工作需求時(shí)，判斷所述發(fā)動(dòng)機(jī)能否自動(dòng)關(guān)閉；待所述發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)關(guān)閉，調(diào)整所述檔桿處于D/R檔或啟動(dòng)加速踏板，判斷所述發(fā)動(dòng)機(jī)是否重新啟動(dòng)[5].

(3)模式切換功能測試

根據(jù)現(xiàn)有控制策略，混動(dòng)系統(tǒng)模式切換過程分為5類，分別是非激活狀態(tài)向激活狀態(tài)切換、激活狀態(tài)向非激活狀態(tài)切換、空擋發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉與工作之間的切換、空擋模式至驅(qū)動(dòng)模式的切換、驅(qū)動(dòng)模式至空擋模式的切換，按照這5類模式切換過程分別進(jìn)行測試.測試過程中通過調(diào)整系統(tǒng)中檔桿的檔位和鑰匙開關(guān)的位置，采用CANoe通過CAN總線檢測主控制器是否發(fā)送模式切換信號[6].

(4)典型工作模式測試

屏蔽整車控制策略的模式切換信號，使動(dòng)力系統(tǒng)分別工作于空擋發(fā)動(dòng)機(jī)工作模式、發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)模式、驅(qū)動(dòng)模式，利用CANoe通過CAN信號線采集上述數(shù)據(jù)觀測動(dòng)力源以及DCDC的響應(yīng)是否正常，判斷動(dòng)力系統(tǒng)是否正常工作于制動(dòng)模式.

(5)典型控制流程測試

該測試通過模擬行車過程中駕駛員常見的操作流程，對動(dòng)力系統(tǒng)的工作模式及動(dòng)力源的工作狀態(tài)進(jìn)行檢測，保證整車控制策略的合理有效.典型控制流程測試包括起車控制流程測試、短時(shí)停車并起步控制流程測試、長時(shí)間停車并起步控制流程測試、停車熄火控制流程測試等方面.

(6)總結(jié)分析

通過對策略功能進(jìn)行測試，完成了對于已搭建的控制策略各模塊及整車控制策略的驗(yàn)證，并根據(jù)測試結(jié)果對整車控制策略進(jìn)行相應(yīng)的修正和改進(jìn)，為實(shí)車調(diào)試奠定基礎(chǔ)，提高后期實(shí)車調(diào)試的效率.

3.2 駕駛性能測試

通過完善整車策略中與駕駛感受相關(guān)的標(biāo)定量取值，并對發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲進(jìn)行測試，對策略進(jìn)行修正和改進(jìn)，提高乘員的乘坐舒適性.主要包含兩方面的內(nèi)容，分別是駕駛性能相關(guān)參數(shù)標(biāo)定以及發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲測試.駕駛性能相關(guān)參數(shù)標(biāo)定方面，主要測試內(nèi)容分為以下幾個(gè)部分：①加速踏板控制參數(shù)標(biāo)定：包含開度濾波系數(shù)標(biāo)定、開度斜率限制值標(biāo)定；②制動(dòng)踏板控制參數(shù)標(biāo)定：包含開度濾波系數(shù)標(biāo)定、開度斜率限制值標(biāo)定；③擋桿控制參數(shù)標(biāo)定：控制器檢測到擋桿位置發(fā)生變化時(shí)，將會(huì)延時(shí)一定時(shí)間，確認(rèn)駕駛員換擋需求，進(jìn)行數(shù)組擋桿控制參數(shù)標(biāo)定試驗(yàn)，選取合適的時(shí)間閾值；④模式切換控制參數(shù)標(biāo)定：涉及到時(shí)間閾值的選取、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速門限值的選?。虎蓠{駛員轉(zhuǎn)矩解析控制參數(shù)標(biāo)定：包含轉(zhuǎn)矩解析濾波模塊參數(shù)標(biāo)定、轉(zhuǎn)矩解析模塊斜率限制數(shù)值標(biāo)定；⑥動(dòng)力源轉(zhuǎn)矩分配控制參數(shù)標(biāo)定：包含動(dòng)力源轉(zhuǎn)矩分配濾波參數(shù)標(biāo)定、動(dòng)力源轉(zhuǎn)矩分配模塊斜率限制[7].

隨后進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲測試，由于混合動(dòng)力汽車在控制過程中，為了實(shí)現(xiàn)較好的經(jīng)濟(jì)性能，往往基于發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)曲線進(jìn)行控制，而針對柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的最優(yōu)曲線在中等轉(zhuǎn)速區(qū)間時(shí)，往往非常接近于發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性曲線，此時(shí)，控制發(fā)動(dòng)機(jī)在外特性附近工作，往往產(chǎn)生較大的噪音，因此，通過噪聲測試，評價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲水平.發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲測試主要包含燃燒噪聲測試、冷啟動(dòng)噪聲測試、停機(jī)噪聲測試等試驗(yàn)內(nèi)容.

整個(gè)試驗(yàn)過程在不同車速下，根據(jù)系統(tǒng)中踏板信號、驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、超級電容SOC變化曲線對發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速PID參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，使發(fā)動(dòng)機(jī)始終工作于最佳效率點(diǎn)，有利于控制策略的修正和改進(jìn)，提高乘員的乘坐舒適性.

通過在不同車速下，根據(jù)踏板信號、驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、超級電容SOC變化曲線對發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速PID參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，使發(fā)動(dòng)機(jī)始終工作于最佳效率點(diǎn)，有利于控制策略的修正和改進(jìn)，提高乘員的乘坐舒適性.

3.3 動(dòng)力性能測試

該過程對系統(tǒng)的動(dòng)力性能進(jìn)行測試，驗(yàn)證整車能否滿足所設(shè)計(jì)的動(dòng)力性指標(biāo)，包含最高車速測試、加速性能測試、爬坡性能測試3方面內(nèi)容[8].

(1)最高車速測試(整備質(zhì)量4.5 t)

通過控制系統(tǒng)運(yùn)行得到測功機(jī)最高實(shí)際轉(zhuǎn)速，經(jīng)過換算得到整車最高車速為

(1)

式中：vmax為最高車速，km/h；nmax為測功機(jī)最高實(shí)際轉(zhuǎn)速，r/min；i0為主減速器速比.

在開始測試前，需要檢查相關(guān)的測試設(shè)備是否正常，并對系統(tǒng)上電完成，同時(shí)控制發(fā)動(dòng)機(jī)在臺架上運(yùn)行一段時(shí)間，進(jìn)行充分預(yù)熱，然后進(jìn)行如下操作：

①設(shè)置測功機(jī)加載，控制系統(tǒng)運(yùn)行達(dá)到最高穩(wěn)定轉(zhuǎn)速；

②當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到最高穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，需要在臺架上穩(wěn)定行駛一段時(shí)間，記錄最高穩(wěn)定轉(zhuǎn)速；

③將記錄下的最高穩(wěn)定轉(zhuǎn)速換算成最高車速.最高車速測試過程中，行駛速度變化不應(yīng)超過2%；

④對上述三步連續(xù)重復(fù)5次試驗(yàn).

(2)加速性能測試(整備質(zhì)量4.5 t)

利用臺架測試車輛0～90 km/h的加速能力.按照公式

(2)

式中:vt為目標(biāo)車速，km/h；r為車輪滾動(dòng)半徑；i0為主減速器速比.

該試驗(yàn)主要記錄車輛從0加速至90 km/h的完成時(shí)間，即控制系統(tǒng)全負(fù)荷從0加速至4 339 r/min的時(shí)間.在開始測試前，如果系統(tǒng)在冷機(jī)狀態(tài)下，為了試驗(yàn)更準(zhǔn)確，需對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行預(yù)熱后開始試驗(yàn)，具體如下：

①設(shè)置測功機(jī)加載，控制系統(tǒng)從0全負(fù)荷加速至4 339 r/min(即車速90 km/h)，并記錄該項(xiàng)目的完成時(shí)間；

②重復(fù)進(jìn)行上述過程至少3次，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù);

③計(jì)算所有有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差和變化系數(shù)(標(biāo)準(zhǔn)偏差/算術(shù)平均值)，計(jì)算公式為

(3)

(4)

(5)

式中：μ為算術(shù)平均值；i為第i次試驗(yàn)；Ti為第i次試驗(yàn)數(shù)據(jù)；n為試驗(yàn)總次數(shù)；SD為標(biāo)準(zhǔn)偏差；k為變化系數(shù).要注意的是，全油門起步加速性能試驗(yàn)，變化系數(shù)不應(yīng)大于3%.

(3)爬坡性能測試(整備質(zhì)量4.5 t)

利用臺架模擬測試車輛最大爬坡性能以及長時(shí)上坡性能，分析最大爬坡工況下，電機(jī)性能能否滿足需求.具體操作如下：

①設(shè)置測功機(jī)加載，包含坡度阻力，且令坡度阻力從坡度為0時(shí)逐漸加載至20%坡度；

②控制系統(tǒng)從靜止開始爬坡加速，觀察車速能否達(dá)到15 km/h；

③重復(fù)進(jìn)行上述試驗(yàn)，至少3次.記錄完成該項(xiàng)目的時(shí)間及動(dòng)力源響應(yīng)情況.

通過對最高車速、加速性能以及爬坡能力進(jìn)行測試，驗(yàn)證了整車動(dòng)力性滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上可對動(dòng)力系統(tǒng)開展經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化.

3.4 經(jīng)濟(jì)性能測試

(1)測試方法

利用臺架測試車輛以C-WTVC循環(huán)工況運(yùn)行時(shí)的油耗[9].根據(jù)目標(biāo)車速，考慮主減速器速比，按照公式(2)得到測功機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速.

駕駛員通過控制加速踏板和制動(dòng)踏板使實(shí)際車速跟隨目標(biāo)車速(即C-WTVC循環(huán)工況中車速要求)，實(shí)現(xiàn)工況跟隨.測功機(jī)則在對應(yīng)車速下提供道路負(fù)載；主控制器根據(jù)設(shè)定的控制策略，選擇當(dāng)前的工作模式，確定需求轉(zhuǎn)矩在發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)之間的分配結(jié)果，并輸出給各動(dòng)力源.試驗(yàn)過程中記錄分析發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)、實(shí)際行駛里程、實(shí)際油耗等數(shù)據(jù).

(2)測試結(jié)果

C-WTVC循環(huán)工況測試過程中實(shí)際車速、累計(jì)油耗、累計(jì)行駛里程如圖2所示.由圖可知，循環(huán)工況總測試時(shí)間1 708 s，累計(jì)行駛里程15.85 km，累計(jì)油耗1.58 L，百公里油耗為9.968 L.

圖2 C-WTVC循環(huán)工況測試過程中實(shí)際車速、累計(jì)油耗、累計(jì)行駛里程變化曲線

C-WTVC循環(huán)工況測試過程中踏板信號、駕駛員需求扭矩、車輪處實(shí)際扭矩、發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速以及超級電容SOC變化曲線如圖3所示.由圖可知，初始SOC為39%，終止SOC為40%，最低SOC為28%，過程中SOC總體維持在50%左右，與參數(shù)設(shè)置區(qū)間45%-55%相吻合.

圖3 C-WTVC循環(huán)工況測試過程中踏板信號、駕駛員需求扭矩、車輪處實(shí)際扭矩、發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速、

發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速以及超級電容SOC變化曲線、C-WTVC循環(huán)工況測試過程中發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)分布如圖4所示.

圖4 C-WTVC循環(huán)工況測試過程中發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)分布

4 結(jié) 論

該混合動(dòng)力行星齒輪機(jī)電耦合系統(tǒng)已實(shí)際進(jìn)行樣車調(diào)試運(yùn)行，并取得良好的節(jié)能數(shù)據(jù)、經(jīng)濟(jì)效果.按照當(dāng)前的法規(guī)限值13 L/100 km計(jì)算，節(jié)能率高達(dá)20%～25%；按照物流車日行駛里程300 km，每年工作250天，在不使用電網(wǎng)電能的情況下，每年單機(jī)可節(jié)油1 950～2 437升，效果明顯.該動(dòng)力系統(tǒng)的使用能夠?yàn)槲锪餍袠I(yè)節(jié)能，提高用戶收益，系統(tǒng)可在物流行業(yè)的傳統(tǒng)物流車廣泛推廣.