汽车变速器实验台(商用车混合动力总成试验台搭建)

Posted 2023-05-31

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汽车变速器实验台(商用车混合动力总成试验台搭建)

0 引言

世界各大汽车生产大国为了提振经济和促进汽车工业的发展，纷纷制定了新能源汽车的发展目标。新能源动力系统的研发需要进行大量的匹配、标定和试验验证。如何缩短研发周期、提高产品质量、克服研发过程中的难点，成为新能源行业面临的主要问题。因此，新能源汽车台架的研发受到各大厂家越来越多的重视，成为新能源汽车产品开发中的重要一环。通过新能源台架试验，可以进行动力系统的结构选型、关键零部件之间的优化匹配、整车控制策略优化标定、动力总成可靠性耐久试验等。

当前，环境保护、交通限行禁令、柴油价格上涨及道路使用费用提高等问题严重困扰着交通运输业。商用车制造商及其合作伙伴面临着最严格的商用车和大型客车废气排放标准，混合动力作为商用车的开发方向之一，面临着很多问题。目前各产品的开发单位的单项试验台架^[1]（如柴油机发动机台架）还只是以稳态试验为主,并不具备商用车新能源混合动力的动态试验能力。为了在产品上市之前对产品的性能进行充分验证，分析潜在风险，及时优化改进，台架试验研究成为商用车开发过程中关键的一环。但是商用车相对于乘用车而言具有功率大、扭矩大、转速低等特点，因此市场上也没有现成的商用车动力总成试验台可以使用。

本文设计与开发了一种全新的商用车混合动力瞬态模拟试验台，采用LabVIEW软件对各种仪器、试验设备进行广泛兼容与集成，同时鉴于混合动力总成试验对于数据接口、CAN节点信息监测及模拟、标定功能集成、自动工况道路负载模拟等的各类复杂要求，软件架构采用模块化的思想，将多种通信协议、控制方式集成于统一平台，以满足商用车的各类动力总成试验需求。该商用车混合动力测试系统平台作为测试工作的基础，其实车接近度高。其高动态的驾驶员模拟和环境模拟确保整个测试过程系统具有很高控制精度，先进的测量设备决定了测试数据的有效性。

1.1 系统架构图

商用车混合动力大巴试验台主要用来进行商用车混合动力总成的动态试验，需要将混合动力总成（包含电机、发动机、变速箱等）与台架系统进行无缝集成，因此需要高动态的闭环控制及很高的测量精度，其主要的系统架构如图1所示。

1.2 测功机的选择

根据混合动力总成试验要求, 设计该台架采用单电机形式, 即1台负载测功机来进行道路负载的模拟。根据试验输入需求，整个动力总成的仿真最大输出转速为1 800 r/m，最大扭矩为2 800 N·m。因此本文选用西门子355 kW的交流电力测功机，可以满足整个动力总成的试验需求。

1.3 电子负载选择

商用车混合动力总成试验台需要稳定、持续的高压输入, 并在电机处于发电模式时吸收产生的电能。电子负载为混合动力电机的电力电子系统提供直流高压输入。电子负载同时具有电池管理系统(BMS)模拟功能。输入不同电池特性曲线, 即可对不同电池进行性能仿真。同时通过电子负载所在CAN通信模块与整车控制器及台架控制系统进行实时通信,从而实现从电池硬件到软件的全面仿真及电力输出功能。根据系统设计需求，选择功率为75 kW的电子负载。

1.4 软件系统功能设计

1.4.1 软件系统架构

商用车混合动力总成试验台主控系统的核心在于集成对测功机、被测件、数采、电子负载等部件的监控。所开发主控系统的硬件基于NI的CAN板卡以及数采系统，软件基于NI LabVIEW进行编写,软件功能包括CAN网络的收发、与标定软件INCA通过ASAM3接口协议进行通信、自动测试、报警急停、数据采集、信息提醒、报告生成以及简易CCP标定等功能。系统架构图如图2所示。

1.4.2 系统软件各模块开发

程序中所需的各项功能以模块化形式实现，各模块提供与主界面的接口函数。模块化功能能够大大减少主界面程序的大小，提高界面控件的响应速度，也减少了程序卡顿及系统崩溃的可能。下面简要介绍各个功能模块的实现原理和功能。

(1)CAN模块：商用车混合动力总成试验台配置了4路CAN，包括：整车动力CAN、整车混合动力CAN、台架CAN、电子负载CAN。模块包含DBC解析模块，实现发送和采集参数配置功能。自动化程序在整车混合动力CAN上采集相关信息，并模拟整车的BMS发送报文，使系统正常工作。台架CAN用于控制程序与台架主控软件的信息交互，使主控程序能够控制台架进行转速和扭矩加载以及当前台架信息的监控。电子负载CAN主要采集台架电池模拟器的实时电压和电流，作为系统能量需求反馈。

(2)ASAM3模块：ASAM3是自动测量系统标准化协会定义的标准体系ASAM-CD中用于控制器标定系统远程通信的一个协议。商用车动力总成在台架功能性或耐久测试时需要标定系统对ECU进行控制，因此自动化程序中需要ASAM3模块来进行远程控制[2]，比如：常用的ETAS公司的INCA标定软件中有ASAM3标定软件端的驱动插件，因此在自动程序中需要编写测控系统端的ASAM3命令驱动库。

(3)自动测试模块是包含自动测试脚本的运行框架及其所含的测试项目，一个测试工况对应一段测试脚本。对测试规范进行自动化编制时，需要注重各项功能的模块化，减少重复劳动，特别是动作执行的每个子函数，需要考虑进行重复利用。每个动作需求函数的编写需要考虑校验逻辑，使执行的效果得到保障，需要预防误操作、操作丢失的情况，保障程序的自动执行。自动测试各测试项目在编写除了考虑正常运行的执行流程，还需要进行测试失效的处置，使测试在出现异常或偏差时能够进行安全处置，最大程度保证被测件和设备的安全。

(4)报警急停模块用于对测试比较关注的信号变量值进行限制，信号的选择范围包括自动程序各个模块采集到的所有参数。报警急停分为3个等级，分别对应不同的处理机制，以此达到保证试验测试的效率与对台架各设备的保护二者之间的平衡。

(5)信息提醒模块：信息提醒是的日志文件，在程序调试和运行阶段都发挥着很大的作用。程序错误和运行动作次序的验证能够通过信息显示出来；自动程序运行阶段的日志用来指示程序动作和自动测试各步骤的正常运行，并能够指示故障和错误的发生状态和细节，便于排查和溯源。

(6)报告生成模块：自动生成报告模块能够灵活地定制报告的显示方式和所需结果值。可以根据客户的需求定制Excel模板，通过NI的Report Generation Toolkit函数库能够方便地进行自动报告模块的编制。根据测试规范中的报告模板（基于Excel或Word）进行关联，将测得的结果自动填充即可得到生成的报告。

(7)CCP标定模块：CCP^[2]标定是一个基于CAN总线的控制器在线标定协议，实现对ECU中软件运行参数值的实时改变，以测试不同策略下的不同运行状态，进行软件控制策略的优化。CCP标定模块包括A2L文件解析、DAQ模块、标定模块等。

1.5 道路负载模拟

在一般稳态试验中，测功机主要功能是作为动力系统的能量吸收或动力输出单元，本文的自动化控制台架系统是一个动态的试验模拟过程，测功机既是车辆运行时惯量与阻力模拟单元，也是制动过程中制动力的模拟单元，因此就需要选用低惯量、高动态响应的交流电力测功机。

在本试验台架上使用经过简化的道路负载公式，忽略了坡道阻力的影响，采用了一个拟合的二次方程式，具体公式如下^[3]：

其中，A表示不随速度变化的恒定阻力(如轴承、密封圈、轮胎等)，B表示所有随速度线性变化的阻力(如驱动系、差速器等)，C表示随速度平方变化的阻力(如风阻、轮胎变形阻力等)，V表示车速，m表示整车质量，a表示整车加速度，F表示整车行驶阻力。

在试验过程中先通过设定的整车质量、轮胎半径和A、B、C的值等实时计算出整车道路负载，并与测功机实测的扭矩值进行比较，利用整车道路负载计算扭矩和测功机扭矩传感器实测输出轴扭矩之间的差异值来做PID调节^[4]，进行闭环控制，以实现实时调节电子节气门开度的功能，使输出轴实际扭矩与整车道路负载计算扭矩相平衡。同时使负载测功机的输出轴转速始终控制在一定范围内实现车辆的动态模拟。

2 试验验证

试验台架建成后，在该台架上进行了某商用车混合动力总成试验。从试验结果可见，所开发的测控系统满足商用车混合动力总成台架试验要求，各个控制器未有CAN通信错误，证明测控软件的CAN节点模拟正常；整车控制单元可正常响应测控系统的油门和刹车指令，并进行相应的扭矩输出及制动能量回收，行驶阻力加载控制可正确进行道路负载模拟。图3为自动测试工况实际车速与期望车速的对比曲线图，从图中可以看出实际车速与期望车速基本吻合，该测控系统很好地完成了商用车标准自动工况测试。

最后该商用车混合动力台架进行了两轮60 000 km的动力总成性能验证，为混合动力子系统的开发提供了有力的帮助。

3 结论

该自主设计建成的商用车混合动力试验台架能够很好地完成商用车动力总成系统试验, 对新能源汽车研发具有重要意义。

该商用车动力总成台架将多方通信协议集成于测控系统，实现了对混合动力单元各控制器信号的实时同步采集，通过对第三方设备的集成和道路负载的模拟实现了试验台自动工况测试，就无需整车作为平台而替代相应的道路和转鼓试验进行混合动力总成功能性的研究试验，在研发阶段去除整车其他因素的干扰，可以更精确快速地定位混合动力总成的缺陷，并缩短开发周期，大大降低研发成本；可以在整车装车之前进行耐久试验和预标定与功能验证，减少整车改进的工作量。

同时由于采用了电子刹车踏板和电子加速踏板，可以消除路试人员实车驾驶的差异。试验条件的严格控制(包括水温、油温、室温)确保了工况控制准确，重复性好。

最后采用此自动化控制方法的试验台可以针对整车参数进行任意更改，而无需更改实车平台，可以随时在台架上进行试验，对混合动力系统的早期开发和验证进行灵活的配置。

该商用车混合动力试验台满足商用车混合动力开发的各种阶段需求，能够进行混合动力的动力总成的开发试验，也能够进行零部件的耐久、性能试验等，同时还能够进行整车控制器的开发测试与研制，以及动力总成排放试验的验证等。

参考文献

[1] A.J.马特，M.A.普林特.发动机试验理论与实践(第一版)[M].宋进桂，于京诺，杨占鹏，等译.北京：机械工业出版社，2008.

[2] Working group on standardisation of application systems interface specification.ASAP3 interface specification[S].1999.

[3] 余志生.汽车理论[M].北京：机械工业出版社，2000.

[4] 朱军.新能源汽车动力系统控制原理及应用(第一版)[M].上海：上海科学技术出版社，2013.

作者信息:

邢进进，邵华，刘运潇

(上海捷能汽车技术有限公司，上海201804)