CN113281597A - 一种纯电动车动力总成台架试验系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纯电动车动力总成台架试验系统及方法，包括动力总成模块、控制模块和控制平台；所述动力总成模块接受测试标的指令，实现力矩输出，完成实地模拟测试；所述控制模块与动力总成模块和控制平台连接，传递信号并进行监测；所述控制平台为上位机数据监控与控制系统，可以给监控模块和动力总成模块发出控制指令。本发明具有降低成本，提升研发效率，测试高效的优点。
Description
技术领域
本发明涉及电动车动力总成台架试验领域，尤其涉及一种纯电动车动力总成台架试验系统。
背景技术
我国交通运输部门的石油需求所占总需求比例50％，而汽车的普及成为石油需求快速增长的主要原因。而石油属于不可再生的战略性资源，有限的储量难以维持石油需求的快速扩张，而且石油使用所引发的环境问题，从而使新能源汽车的开发成为近年来的研究热点，尤其纯电动汽车前景被广泛看好。
电驱动总成作为纯电动汽车动力系统的核心部件，其性能的优劣直接影响到纯电动汽车整车动力性、经济性、可靠性。大力发展纯电动汽车三大核心技术之一的电驱动技术，已成为纯电动汽车发展的关键前提保证。随着电机技术发展，搭载多挡位变速器提高电驱动总成的动力性与经济性已成必然发展趋势，现阶段纯电动力总成开发过程中台架试验技术不成熟，影响着出电动汽车的研发效率，增加了实车道路试验的成本。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本专利申请所要解决的技术问题是：如何提供一种能够降低成本，提升研发效率，测试高效的纯电动车动力总成台架试验系统及方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种纯电动车动力总成台架试验系统，包括动力总成模块、控制模块和控制平台；
所述动力总成模块接受测试标的指令，实现力矩输出，完成实地模拟测试；
所述控制模块与动力总成模块和控制平台连接，传递信号并进行监测；
所述控制平台为上位机数据监控与控制系统，可以给监控模块和动力总成模块发出控制指令。
进一步的，所述动力总成模块包括直流电源柜、电机、自动变速器、惯性飞轮组、测功机，所述直流电源柜与所述电机之间设置有功率分析仪，所述自动变速器的输出端装备有转速转矩传感器、所述电机与所述自动转速器之间还设置有冷却控制系统，其中：
直流电源柜，作为电机的输入电源，可调的输出电压平台可以满足各种动力总成的用电需求；
功率分析仪，作为输入端的功率测量仪器；
转速转矩传感器用于测量总成输出端转速转矩；
惯性飞轮组用于模拟实车转动惯量；
测功机可以模拟道路负载对动力总成进行加载。
进一步的，所述控制模块包括整车控制器VCU、变速箱控制器TCU 和集成控制器，其中：集成控制器为MCU、DCDC、油泵DCAC构成。
进一步的，VCU、MCU、TCU三者均需要独立的12V电源进行供电。
进一步的，还包括网络通讯模块，所述网络通讯模块包括整车CAN网络和控制器网络，所述整车CAN无网络由以下子网构成，包括：
动力系统控制网CAN1:包含整车控制器、电机控制器、DCDC、DCAC，主要进行动力控制；
整车信息网络CAN2：整车控制器、电池管理系统、绝缘检测仪。主要是动力系统信息，储能系统信息交互和采集；
整车监控网络CAN3：辅助系统控制网。整车控制器控制附件系统；
预留CAN4：预留给变速器控制器TCU与VCU通讯专用交互网络；
地面充电网络CAN5:电池管理系统与地面充电机通讯网络；
电池系统内部CAN6：电池系统内部信息交互网络；
专用CAN7：用于MCU与TCU通讯专用交互网络；
所述控制器网络包括整车控制器VCU、变速箱控制器TCU和集成控制器均有一路CAN通过CAN1网络相连，此外TCU和MCU之间额外有一路专用CAN通过CAN2相连。
一种纯电动车动力总成台架试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：进行额定特性测试，验证总成效率是否正常，动力系统输出是否稳定，若是进入步骤二，若否测试不合格；
步骤二：进行峰值外特性测试，验证总成峰值输出性能是否正常，若是进入步骤三，若否测试不合格；
步骤三：验证动力总成在最高车速和峰值转矩持续运行下有无异常，即验证电机和变速器在高转速和大转矩运行是否稳定，若是进入步骤四，若否测试不合格；
步骤四：进行总成经济性和自动变速器换挡过程试验。
综上所述：本方案能够搭建与调试由负载测功机、冷却系统、转速转矩传感器、功率分析仪、惯性飞轮等部件组成的动力总成台架；提出了搭载自动变速器的纯电动力总成在台架上的性能测试与评价方法，包括变速器效率测量，动力总成动力性、经济性以及变速器换挡性能。可大大提高装备自动变速器的纯电动汽车的研发效率，具备缩短研发时间和降低实车道路试验成本的优势。
附图说明
图1为本方案中一种纯电动车动力总成台架试验系统的框架图；
图2为CAN网络拓扑图；
图3为VCU、MCU、TCU间CAN网络结构图；
图4为VCU、MCU、TCU间CAN接线图；
图5为车辆加速工况判定分类图；
图6为加速工况升档过程图；
图7为加速工况换挡过程数据图；
图8为NEDC工况图。
具体实施方式
为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例一：
一种纯电动车动力总成台架试验系统，包括动力总成模块、控制模块和控制平台；
所述动力总成模块接受测试标的指令，实现力矩输出，完成实地模拟测试；
所述控制模块与动力总成模块和控制平台连接，传递信号并进行监测；
所述控制平台为上位机数据监控与控制系统，可以给监控模块和动力总成模块发出控制指令。
优选的，所述动力总成模块包括直流电源柜、电机、自动变速器、惯性飞轮组、测功机，所述直流电源柜与所述电机之间设置有功率分析仪，所述自动变速器的输出端装备有转速转矩传感器、所述电机与所述自动转速器之间还设置有冷却控制系统，其中：
直流电源柜，作为电机的输入电源，可调的输出电压平台可以满足各种动力总成的用电需求；
功率分析仪，作为输入端的功率测量仪器；
转速转矩传感器用于测量总成输出端转速转矩；
惯性飞轮组用于模拟实车转动惯量；
测功机可以模拟道路负载对动力总成进行加载。
优选的，所述控制模块包括整车控制器VCU、变速箱控制器TCU 和集成控制器，其中：集成控制器为MCU、DCDC、油泵DCAC构成。
优选的，VCU、MCU、TCU三者均需要独立的12V电源进行供电。
具体的，换档策略在VCU中制定，换档动作的执行由TCU负责，即VCU把TCU当成一个换挡执行器；换档是指转矩卸载、换档、恢复转矩的过程，换档前和换档后，由VCU控制MCU，MCU通过CAN1接收 VCU的转矩控制指令，控制电机运行；换档过程中，VCU将控制权交由TCU，由TCU控制MCU，MCU通过CAN2接收TCU的转矩控制指令。
优选的，还包括网络通讯模块，所述网络通讯模块包括整车CAN 网络和控制器网络，所述整车CAN无网络由以下子网构成，包括：
动力系统控制网CAN1:包含整车控制器、电机控制器、DCDC、DCAC，主要进行动力控制；
整车信息网络CAN2：整车控制器、电池管理系统、绝缘检测仪。主要是动力系统信息，储能系统信息交互和采集；
整车监控网络CAN3：辅助系统控制网。整车控制器控制附件系统；
预留CAN4：预留给变速器控制器TCU与VCU通讯专用交互网络；
地面充电网络CAN5:电池管理系统与地面充电机通讯网络；
电池系统内部CAN6：电池系统内部信息交互网络；
专用CAN7：用于MCU与TCU通讯专用交互网络；
所述控制器网络包括整车控制器VCU、变速箱控制器TCU和集成控制器均有一路CAN通过CAN1网络相连，此外TCU和MCU之间额外有一路专用CAN通过CAN2相连。
具体的，在物理层面，CAN总线的通信电缆采用屏蔽双绞线(阻燃0.5mm)，屏蔽层应连接到CAN_GND，屏蔽线的接地方式由整车布线时选择合适位置单点接地；VCU的一路CAN、MCU的两路CAN、TCU 的两路CAN和BMS均需要配终端电阻(120Ω)；统一使用扩展帧，部件间的通讯速率均为250Kbps；各部件的CAN建议内部采用隔离方案。
实施例二：
一种纯电动车动力总成台架试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：进行额定特性测试，验证总成效率是否正常，动力系统输出是否稳定，若是进入步骤二，若否测试不合格；
步骤二：进行峰值外特性测试，验证总成峰值输出性能是否正常，若是进入步骤三，若否测试不合格；
步骤三：验证动力总成在最高车速和峰值转矩持续运行下有无异常，即验证电机和变速器在高转速和大转矩运行是否稳定，若是进入步骤四，若否测试不合格；
步骤四：进行总成经济性和自动变速器换挡过程试验。
具体的，在测试时运用到以下算法：
式(1)和(2)中，nout为变速器输出端转速，单位rpm；u为车速，单位km/h；Tout为变速器输出端转矩，单位Nm；η0为主减速器的效率，取96％；ηw为万向传动装置(2个万向节)的效率，取96％；∑F为汽车在平路上的行驶阻力，计算公式为
式中，f为滚动阻力系数；δ为旋转质量换算系数，根据经验取 1.5，计算公式为
f＝0.0076+0.000056·u (4)
式中，IW为车轮转动惯量，IM为电机转动惯量，取0.05kg·m2；ηT为整个传动系统的效率。
具体的，动力总成动力性能试验包括额定功率下外特性试验、动力总成效率与外特性试验和最高车速与峰值转矩试验。
首先验证通过额定功率下的外特性试验验证变速器效率是否正常和验证整车控制器给出的转矩指令是否符合实际要求；然后在此基础上进行动力总成效率与外特性试验，进一步验证动力总成性能；最后初步验证了车辆的动力性能。试验进行前，设定直流电源输入额定电压为540V，并且接上冷却系统，总成处于暖机状态。其余各要求按本章上述各标准执行。
额定功率下外特性试验
变速器档位至于直接档，用测功机处于转速模式，调节测功机输出转速为250rpm；在上位机中设定驱动电机初始的输出转矩为电机额定转矩，待目标转速和转矩稳定后，记录控制器输入功率以及变速器输出端的转矩和转速数据，并计算效率。
每次记录的目标转速点按照250rpm递增，直到驱动电机推荐最高使用转速，随着转速升高，超过基速后，保持输出功率稳定在额定功率，逐渐降低其输出转矩。
根据实验结果动力总成从直流电源输入端到变速器输出端在额定工况下时达到最高效率是已知的，另外从供应商所提供或者另外进行的电机试验中可知该工况下电机控制器与电机效率，此时可根据公式(6)可算得，变速箱效率值。因此算得变速器效率可用于验证变速器效率是否正常。
η＝ηe·ηk·ηg·ηf (6)
式中，η为系统效率；ηe为电机效率；ηk为电机控制器效率；ηg为变速器效率；ηf为台架考虑了其他部件摩擦损失的效率，按照经验在改工况下取98％。
为了考量上位机根据理论给出的转矩值是否与输出端实测值相符，将上述实验方法实测变速器输出端的动力总成额定特性图与供应商提供的电机理论额定特性作对比。根据上述所算的变速器效率，可知实际值是否符合上位机发出的指令；验证动力总成在恒功率区间，额定负荷下是否可以保持着高效和稳定的额定功率输出。
动力总成效率与外特性试验
主要测试变速器在正常工况下的功率输出，通过台架试验获取总成的运行效率，并测得峰值外特性。
变速器挡位置于直接挡，试验转速：从250r/min到6000r/min 转速范围内间隔250rpm选取转速；试验时电机转矩按照25Nm增量在峰值转矩和峰值功率的范围内增加，基速后每个测量转速下的最大转矩测量点为当前转速可电机输出最大转矩的读数，由输出端转矩传感器读数得到系统峰值外特性数据。
此项试验主要测试变速器在正常工况下的功率输出，通过台架试验获取对应测试点的控制器输入和变速器输出的转速转矩数据，将处理数据得到各转速和转矩下的效率表，并根据数据作图。
根据从供应商所提供或者另外进行的电机试验查表得知当前工况下电机控制器和电机的效率，根据公式(6)可算得变速器效率，验证峰值输出时，变速器效率在标称范围内。
将理论峰值输出转矩/功率与实测输出端转矩/功率作对比，为了考量VCU给出的转矩指令在考虑传动效率后是否与实际输出相符，且动力总成是否可以稳定输出峰值特性，将实测值与理论峰值特性作对比分析。根据算得的变速器效率可知，实际峰值转矩/功率值是否符合上位机给出的控制指令，最终动力总成的峰值输出性能得以验证
具体的，最高车速与峰值转矩试验可检验动力总成最高车速与峰值转矩稳定运行时的状态，最高车速试验首先将变速器挂至最高档，根据公式(1)到(5)，计算车辆设计最高车速时对应的工况，并持续 30分钟，记录最高车速稳定下变速器输出端的转速，转矩，和电机与电机控制器的温升情况；
具体的，进行峰值转矩试验时，挂至1档位，测功机调节转速至电机基速以下500rpm，调节驱动电机输出转矩至最大转矩，并持续1 分钟，转速稳定后记录数据，电机与电机控制器的温升情况。
根据实验结果，分析动力总成处于设计最大车速/峰值转矩状态下的运行情况是否稳定，能否保持在对应的负载下稳定输出，且必须保证电机与电机控制器温度正常，以此验证动力总成的动力性是否符合整车最高车速和峰值转矩输出要求。
具体的，经济性试验采用NEDC工况法，NEDC工况如下图8。NEDC (New EuropeanDriving Cycle)工况是欧洲由市区运转循环和市郊运转循环两部分组成,能较好反应车辆行驶过程的经济性。市区循环是由4个195秒的小循环单元组成，包括怠速，启动，加速以及减速停车等几个阶段，最高车速50km/h，平均车速18.35km/h,最大加速度1.042m/s，平均加速度0.599m/s。市郊循环时间400s,最高车速 120km/h,平均车速62km/h,最大加速度0.833m/s，平均加速度 0.354m/s。
通过模拟汽车行驶，通过测量输入端的功率计算动力总成的总能量消耗率。
根据公式(1)，求得各车速下动力总成实验台负载端转速；然后根据公式(2)和公式(3)可求得车辆NEDC工况行驶时的行驶阻力对应的动力总成输出端负载转矩。在上位机的动力总成驱动模块和负载测功机模块中预先设定好该工况输入，结合与实车转动惯量近似的惯性飞轮，可模拟整车在实际路况下的运行工况，根据动力总成转速实时调整负载电机转矩大小，逼真模拟了整车的行驶阻力与车速的变化关系进行台架试验。
试验结束后，读取功率分析仪记录下的能量消耗并结合以往开发经验，考虑到转向助力泵与真空助力泵等附件平均功率，即可以在装车前初步验证车辆的经济性是否符合开发要求。
具体的，台架中的换挡实验主要对换挡功能和性能进行初步验证，保证换挡过程基本正常。选定两个工况作为参考，完成换挡过程初步分析，工况包括加速工况时的换挡实验和匀速行驶时换挡车速换挡实验。实车换挡性能，即换挡时间与换挡冲击度，因与驾驶员实际驾驶感受相关性较大，所以需要在样车标定过程中上结合工程师主观评价进行标定。
试验过程中，分别控制动力源电机转速和转矩到一定运行工况，上位机发出换挡指令，记录传感器数据，并处理分析换挡过程数据。
下面以加速工况下升挡过程为例，阐述实验过程。
工况选取依据：选取日常行驶时常见的中等负载下升档为例说明。根据文献资料中车辆加速度数据统计分类，如图5可判定， 0.7m/s2以下为车辆正常加速过程，以上为急加速过程。因此选用 0.5m/s2为日常加速工况)。根据公式(3)计算可得，在45km/h左右的升档车速时的车轮端负载，根据公式(1)和(2)计算可得，将试验工况设定为负载端转矩和负载转速。
图5车辆加速工况判定分类
记录下如图6，为该工况下升档过程的输出端转矩变化曲线(AMT 变速器。图7升档过程可见，换挡时间为1.10s，其中第1阶段为转矩清零与摘挡过程，持续了0.32s，最大冲击度约为5.18m/s3；第2 阶段为电机调速阶段，此时负载端转速为0Nm，持续了0.60s；最后第三阶段为挂挡与转矩恢复阶段，持续0.25s。可见卸载与摘挡过程冲击度较小，均小于舒适性的经验标准10m/s3；调速阶段由于转速差调节效果较好，在第3阶段挂挡过程的冲击都非常小，主要冲击来自转矩恢复过程，该过程最大冲击为6.65m/s3，且时间较短，整体处于可接受范围。换挡试验数据对比如图7。
同理，大油门开度下降档、减速降档等行驶时的换挡过程的工况选取和换挡过程分析可以参照上述方法。
换挡试验总结：经过上述的换挡过程验证分析办法，可以表征车辆换挡功能是否正常，换挡过程中各阶段有无异常。由于换挡过程的舒适性和换挡时间问题与驾驶员的主观感受相关性较大，所以台架试验反映的客观参数不可以全面描述和评价车辆的换挡性能，因此必须需在后续实车调试过程中进行主观标定，来平衡舒适性与换挡时间问题，进一步优化换挡性能
本试验可验证动力总成在各转速转矩输出情况正常和变速器效率是否符合宣称值，并通过台架试验模拟实际行驶工况的方法验证动力总成是否满足最高车速要求和经济性要求，可以初步验证换挡功能和性能正常，最终得出动力总成功能与性能运行是否正常。以上试验成果可为下一步样车调试打下了巩固的基础，基本保证整车控制器、变速器控制器和电机控制器三者的通讯稳定性与功能正常，验证了动力总成的性能是否满足要求。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种纯电动车动力总成台架试验系统，其特征在于，包括动力总成模块、控制模块和控制平台；
所述动力总成模块接受测试标的指令，实现力矩输出，完成实地模拟测试；
所述控制模块与动力总成模块和控制平台连接，传递信号并进行监测；
所述控制平台为上位机数据监控与控制系统，可以给监控模块和动力总成模块发出控制指令。
2.根据权利要求1所述的一种纯电动车动力总成台架试验系统，其特征在于，所述动力总成模块包括直流电源柜、电机、自动变速器、惯性飞轮组、测功机，所述直流电源柜与所述电机之间设置有功率分析仪，所述自动变速器的输出端装备有转速转矩传感器、所述电机与所述自动转速器之间还设置有冷却控制系统，其中：
直流电源柜，作为电机的输入电源，可调的输出电压平台可以满足各种动力总成的用电需求；
功率分析仪，作为输入端的功率测量仪器；
转速转矩传感器用于测量总成输出端转速转矩；
惯性飞轮组用于模拟实车转动惯量；
测功机可以模拟道路负载对动力总成进行加载。
3.根据权利要求2所述的一种纯电动车动力总成台架试验系统，其特征在于，所述控制模块包括整车控制器VCU、变速箱控制器TCU和集成控制器，其中：集成控制器为MCU、DCDC、油泵DCAC构成。
4.根据权利要求3所述的一种纯电动车动力总成台架试验系统，其特征在于，VCU、MCU、TCU三者均需要独立的12V电源进行供电。
5.根据权利要求4所述的一种纯电动车动力总成台架试验系统，其特征在于，还包括网络通讯模块，所述网络通讯模块包括整车CAN网络和控制器网络，所述整车CAN无网络由以下子网构成，包括：
动力系统控制网CAN1:包含整车控制器、电机控制器、DCDC、DCAC，主要进行动力控制；
整车信息网络CAN2：整车控制器、电池管理系统、绝缘检测仪。主要是动力系统信息，储能系统信息交互和采集；
整车监控网络CAN3：辅助系统控制网。整车控制器控制附件系统；
预留CAN4：预留给变速器控制器TCU与VCU通讯专用交互网络；
地面充电网络CAN5:电池管理系统与地面充电机通讯网络；
电池系统内部CAN6：电池系统内部信息交互网络；
专用CAN7：用于MCU与TCU通讯专用交互网络；
所述控制器网络包括整车控制器VCU、变速箱控制器TCU和集成控制器均有一路CAN通过CAN1网络相连，此外TCU和MCU之间额外有一路专用CAN通过CAN2相连。
6.一种纯电动车动力总成台架试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：进行额定特性测试，验证总成效率是否正常，动力系统输出是否稳定，若是进入步骤二，若否测试不合格；
步骤二：进行峰值外特性测试，验证总成峰值输出性能是否正常，若是进入步骤三，若否测试不合格；
步骤三：验证动力总成在最高车速和峰值转矩持续运行下有无异常，即验证电机和变速器在高转速和大转矩运行是否稳定，若是进入步骤四，若否测试不合格；
步骤四：进行总成经济性和自动变速器换挡过程试验。
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