弱混合动力汽车动力总成试验测试系统开发
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摘 要：弱混合动力汽车在提升汽车经济性方面相对于传统燃油汽车有一定的优势。基于虚拟仪器开发了弱混合动力汽车动力总成试验测试系统，用电力测功机来模拟发动机工作，对启停一体电机及控制单元进行试验测试，在教科研实践应用中效果良好。
关键词：弱混合；动力总成；试验测试；电动汽车
中图分类号：U467.4文献标文献标识码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2016.02.02
混合动力汽车融合了传统燃油汽车和电动汽车的优点，能满足整车低排放、低油耗和低附加成本等综合要求[1]。基于电动系统功率和功能的不同，混合动力电动汽车可以分为微混合（Micro Hybrid）、弱混合（Mild Hybrid）和全混合（Full Hybrid）三类。弱混合动力汽车因其投入少，汽车改动小，在提升汽车经济性方面相对于传统燃油汽车有明显的优势，对其关键总成的测试有利于验证和提升相关设计目标。
与传统仪器相比，虚拟仪器在智能化程度、处理能力、性价比、可操作性等方面都具有明显的技术优势[2]。LabVIEW是美国NI公司推出的一个图形化软件开发环境，在测试系统中的应用非常广泛[3]。LabVIEW开发环境不仅具有图形化的编程环境，而且具有丰富的函数功能、数值分析功能、信号处理功能和设备驱动功能[4]。虚拟仪器还可大大地降低人工操作带来的不确定性，在全自动化的测试和分析中提高了试验的准确性[5]。笔者所在团队基于LabVIEW虚拟仪器开发环境开发了一套皮带传动启动/发电一体化电机（Belt Driven Starter Generator，BSG）弱混合动力汽车动力总成试验测试系统。本测试系统利用测功机模拟发动机对BSG电机模块进行试验测试。动力电源模块为测试系统进行供电，上位机模块通过数据线将预设的测功机的目标转速、目标转矩、目标负荷发送到测控仪，测控仪对测功机的工作模式进行控制，测功机输出轴的带轮通过传动皮带带动BSG电机一端的带轮转动，从而实现BSG电机启动发动机。测功机模拟发动机带动BSG电机发电、再生制动和怠速停车时电池单独供电驱动空调设备等工况的测试。
1 系统硬件设计
测试系统由BSG电机模块、测功机模块、动力电源模块、附属电气系统负载模拟模块和上位机模块构成，如图1所示。其中，BSG电机模块包含BSG电机和BSG电机控制器，测功机模块包含电力测功机、变频器/逆变器、测控仪和转速转矩传感器，动力电源模块包含动力电池、电池管理系统、程控电源及其控制器，附属电气系统负载模拟模块包含DC/DC变换器和电动空调压缩机（附属电气系统负载），上位机模块包含数据采集、数据处理、控制输出和显示输出单元。BSG电机模块、测功机模块、动力电源模块均分别通过CAN总线与上位机模块进行通讯。
测功机模块采用具有转动惯量低、能量再生性能好、控制精度高和响应快速等特点的交流电力测功机[6-7]，用于模拟发动机。当模拟发动机作为动力源时，测功机处于驱动模式，由变频器从电网取电；当模拟发动机作为负载时，测功机处于发电模式，经逆变器向电网馈电。不同工作模式的控制通过测控仪实现。测功机输出轴安装转速转矩传感器，用于实时监测。BSG电机作为被测对象，通过传动皮带与测功机连接。
用动力电源模块对测试系统进行供电。动力电池通过共直流母线的方式与程控电源连接；用程控电源控制器对程控电源的输出电压、电流进行控制，模拟不同规格的动力电池。在测试过程中，程控动力电源和动力电池均可作为测试系统的供电电源。程控电源内带有放电电阻及放电控制开关。上位机模块通过程控电源控制器获取程控电源的工作状态，控制程控电源的开闭以及程控电源中放电电阻的开闭，并设置程控电源的电压和电流。上位机通过电池管理系统获取动力电池的工作状态，设置动力电池的充放电终止条件、电压限额、电流限额和温度限额，打开和关闭电池的放电电路。当采用程控电源作为BSG电机的供电电源时，闭合放电控制开关，BSG电机处于发电模式时，通过放电电阻释放电能；当采用程控电源和动力电池共同作为供电电源时，断开放电控制开关，BSG电机处于发电模式时，所发出电量由动力电池回收。因此本测试系统不仅可以对BSG电机的能量进行有效的回收，还能够满足不同工作电压规格的BSG电机及其控制器的测试用电需求，实现检验BSG电机模块与动力电源模块是否匹配的目的。
2 系统软件设计
2.1 BSG电机启动发动机工况
如图2所示，在上位机设置初始化参数，设置程控电源工作电压，以及测功机模拟发动机在启动工况下工作的阻转矩曲线、启动结束转速和电池管理系统的保护参数，并将初始化设置参数通过CAN总线方式传输至测功机模块的测控仪、动力电池模块的程控电源控制器和电池管理系统。对需要安装BSG电机的发动机进行从零转速到目标点火转速的被动拖动试验，测量发动机转速-阻转矩曲线，及发动机水温对阻转矩的影响因子等，以发动机型号命名后导入上位机的发动机型号库。在上位机初始化参数中设置选择相应的发动机型号，并根据水温影响因子进行水温修正，测控仪按照上位机初始化设置参数，将阻转矩转化为负荷率，通过变频器调节电力测功机，模拟发动机在启动工况下的阻转矩。BSG电机上电工作，拖动测功机运转，模拟汽车启动过程。上位机根据测试目标和数据处理结果，发出控制指令到测功机模块的测控仪，测控仪通过变频器来调节电力测功机的输出转速和转矩，进而改变施加在BSG电机上的负载大小。测试中测功机在BSG电机拖动下转速逐渐上升到设定值，启动工况结束。
2.2 发动机带动BSG电机发电工况
如图3所示，在上位机设置初始化参数，设置程控电源工作电压，以及测功机模拟发动机在发电工况下的驱动转矩、转速曲线和电池管理系统的保护参数，并将初始化参数通过CAN总线方式传输至测功机模块的测控仪、动力电池模块的程控电源控制器和电池管理系统。测控仪控制变频器驱动电力测功机，模拟发动机按照设定的转矩和转速运转，同时经由皮带驱动BSG电机发电。动力电池模块中设有BSG电机放电回路，在BSG电机发电时，接通该回路，该回路与程控电源和动力电池分别相连。程控电源内部带有放电电阻及放电控制开关，BSG电机输出的电能通过BSG电机放电回路后，再经过程控电源的放电电阻进行释放，通过程控电源控制器向上位机反馈放电电流和电压。也可以切断程控电源，通过动力电池吸收BSG电机输出的电能，由电池管理系统向上位机反馈电池充电的电流和电压。采用两者之中任何一种方式，BSG电机输出的电压和电流大小均受上位机的监控，当超出设定限值时，将切断BSG电机放电回路，结束发电工况测试。
2.3 再生制动BSG发电工况
在上位机设置初始化参数，设置程控电源工作电压，以及测功机模拟发动机开始制动前的驱动转速、制动时的惯性转矩和蓄电池管理系统的保护参数，测功机模拟发动机在制动工况下的惯性转矩曲线，并将初始化参数通过CAN总线方式传输至测功机模块的测控仪、动力电池模块的程控电源控制器和电池管理系统。测控仪控制变频器驱动电力测功机，模拟发动机按照设定的转速稳定运转1～5 min后，模拟汽车制动时的惯性转矩逐渐降低转速，同时经由皮带驱动BSG电机发电。程控电源内部带有放电电阻及放电控制开关，可将BSG电机输出的电能通过控制程控电源的放电电阻进行释放，通过程控电源控制器向上位机反馈放电电流和电压。也可以切断程控电源，通过动力电池吸收BSG电机输出的电能，由电池管理系统向上位机反馈电池充电的电流和电压。采用两者之中任何一种方式，BSG电机输出的电压和电流大小均受上位机的监控，当超出设定限值时，将切断BSG电机放电回路，结束再生制动工况测试。测试流程如图4所示。
2.4 动力电源模块驱动附属电气系统
负载模拟模块进行单独供电的测试，在上位机初始化参数中，设置程控电源工作参数、动力电池工作及保护参数。设置动力电源模块的工作方式，选择采用程控电源单独工作或者动力电池单独工作。具体测试流程如图5所示。
动力电池单独供电测试：动力电池经电池管理系统与DC/DC变换器连接，DC/DC变换器与电动空调压缩机连接，上位机模块控制电动空调压缩机工作，DC/DC变换器反馈电动空调压缩机工作电流和电压数据给上位机模块，同时上位机也采集动力电池当前的充电状态（State of Charge，SOC）值。当电池的SOC降低到设定值时，关闭电动空调压缩机，停止试验，记录试验持续的时间及试验过程中电动空调压缩机的工作电流和电压曲线。
程控电源单独供电测试：用程控电源模拟动力电池向电动空调压缩机供电，程控电源经电池管理系统与DC/DC变换器相连，DC/DC变换器与电动空调压缩机连接，通过上位机模块控制电动空调压缩机工作，DC/DC变换器反馈电动空调压缩机工作电流和电压数据给上位机模块，当电池的SOC降低到设定值时，关闭空调压缩机，停止试验，记录试验持续的时间及试验过程中电动空调压缩机的工作电流和电压曲线。与采用动力电池单独供电不同，采用程控电源模拟动力电池供电，进行附属电气系统负载模拟模块驱动能力测试时，可设定每循环电池能量衰减系数、循环次数和循环终止条件，进而对蓄电池单独供电驱动电动空调压缩机等附属电气系统负载的工作寿命进行模拟测试，避免了采用实际的蓄电池进行测试时，因需要对电池进行反复的充放电而可能导致的测试周期过长、动力电池损坏等问题，缩短了测试周期，节省了测试成本。
3 人机交互界面设计
虚拟仪器技术是一种程序开发环境，它可以充分发挥计算机的能力，创造出功能更强的仪器，用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器[5]。基于LabVIEW开发了本系统的人机交互界面。该人机交互界面采用选项卡的形式，实现了直观友好的人机交互功能，主要设置了用户登录界面、初始设置界面、主控程序界面等。用户登录界面用以对操作人员进行授权登录，如图6所示。获授权的用户可输入用户名和密码，点击“用户登录”按钮登录，登录后点击“进入系统”按钮，才能开启测试系统主控程序界面。
初始设置界面如图7所示，可以对测试系统的测试参数进行设置和调整。设置的对象主要包括发动机参数、启停电机参数、通讯系统参数、循环测试次数、动力电源参数、报表输出路径等。发动机参数设置框中允许测试人员在几种不同启动转矩的典型发动机型号中进行选择。同时，考虑到环境温度、发动机当前机油温度和冷却水温度等因素对发动机启动转矩的影响，设置了环境温度修正和油水温度修正设置功能。启停电机参数设置框中可以对启停电机的类型、额定电压、额定转矩、额定功率、额定转速等参数进行设置。通讯系统参数设置框中主要对被测电机、测控仪等与上位机进行通讯的方式进行设置。循环参数设置框中可以对循环测试的次数进行设置。动力电源参数设置框中主要对被测电机的电源类型、总供电电压等进行设置。被测电机的电源类型可以选择为动力电池，或由程控电源及其控制器组成的电池模拟器。总供电电压则包括了当前用于弱混合动力汽车启停电机的各种可能的供电电压。报表输出路径设置框中对当前报表输出路径进行指示，如果需要更改报表输出路径，也可通过本设置框设置新的报表保存路径。
测试系统主控程序界面主要由工作状态指示区，运行参数输出显示区，系统控制指令输入区组成，如图8所示。工作状态指示区主要包括整车运行工况指示、启停电机工作模式指示、发动机工作模式指示、整车工作状态指示、测功机工作状态指示等。运行参数输出显示区主要对启停电机和测功机的转速、转矩、驱动和负荷等信号进行采集和显示，同时还对油门输入状态、电源电压进行监控。为满足循环寿命测试要求，在参数显示区还设置了循环计数和启动失败次数监测功能。系统控制指令输入区主要包括手动测试和自动测试等输入按钮。其中手动测试主要供专业测试人员进行非常规测试时使用，用于满足特殊的测试需求，由控制按钮和数字输入框组成。自动测试主要针对常规测试设计，分为启动工况测试、加速工况测试、减速工况测试和全工况模拟测试等。为满足离线数据分析的要求，在系统控制指令输入区还设置了报表输出按钮，测试人员可以将测试结果数据输出到Excel表格进行后期的数据分析和处理。
4 试验验证
弱混合动力汽车动力总成作为提升汽车经济性的关键总成，有必要对其相关运行情况进行测试和试验。弱混合动力系统功能主要包括即启即停功能、制动能量回收及起步转矩辅助等，在城市道路交通拥挤的工况下，可节油大约10%[8]。低成本的微混技术已成为各公司和研究机构研发的主流[9-10]，相应的测试系统开发需求与日俱增。经过反复的调试和试验，该系统已可以稳定运行，实现了对弱混合动力系统启停功能、制动能量回收功能、转矩辅助功能等进行试验测试的设计目标。登录系统对测试系统进行试验验证。首先，在初始设置选项卡中设置相关参数，如图9所示。发动机参数设置框中选择型号A，对应的点火转速为800 r/min，启动转矩为50 N・m，设定循环次数为5次。当前环境温度为室温、冷态启动时，环境温度和油水温度无需修正。动力电源默认选择电池模拟器，电压设定为72 V。设定好报表输出路径后切换到主控程序选项卡，此时工况指示区显示当前工况为“工况5：停车等待，智能停机”， 整车运行在“关机停车”状态。启停电机尚未工作，“发电模式”、“电动模式”等工作模式指示灯均未点亮，测功机未上电工作，当前状态为停机状态，但是已启动通讯，并将测功机自动设定为正转和恒转矩运行模式，如图10所示。在主控程序中选择自动测试，此时油门方式自动切换到自动油门控制模式，测功机工作以后，在被测电机给电之后开始对被测电机施加载荷。加载完成以后，工况测试按钮会从禁用模式变为可用模式，以便进行下面的测试。按下“启动工况”按钮，测试系统开始自动工作，首先进入的工况为“自动启动”工况，“工况1：停机起步，电机助力”指示灯会点亮，启停电机的工作模式转变为“电动模式”，发动机处于“启动模式”。随着发动机转速不断提高，发动机的阻转矩也不断下降。当转速达到800 r/min以上时，启动工况结束，系统会自动进入“工况4：制动减速，能量回收”工况，实现再生制动，此时启停电机的工作模式为“发电模式”，发动机工作模式为断油模式，所以“点火工作”指示灯不亮。当转速降低到500 r/min以下时，制动能量所能回收的电量很小，且不足以使车辆快速停止，此时采用强制制动的方式使系统尽快停止运转，因此进入“工况5：停车等待，智能停机”工况。若启动正常，此时会将循环计数值加1，若启动失败，则循环计数值加1的同时失败次数值也加1。在本工况下，测功机将进行复位，并对被测电机重新加载，然后再进入下一个循环，图11为第二个循环结束时的运行情况。图12为经过五次启动工况测试并搁置一定时间后进行的加速工况测试，图13为五次加速工况测试结束后系统复位时的测试结果。
经过测试验证，本文所开发的测试系统采用虚拟仪器开发人机交互界面，测试界面直观友好，实现了对弱混合动力汽车动力总成的各项测试功能。不仅可以按指定工况测试，也可进行循环寿命测试，应用于汽车和零部件企业的产品开发和各类院校的教学试验均有良好的效果。
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