0 引言

    世界各大汽車生產(chǎn)大國(guó)為了提振經(jīng)濟(jì)和促進(jìn)汽車工業(yè)的發(fā)展，紛紛制定了新能源汽車的發(fā)展目標(biāo)。新能源動(dòng)力系統(tǒng)的研發(fā)需要進(jìn)行大量的匹配、標(biāo)定和試驗(yàn)驗(yàn)證。如何縮短研發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量、克服研發(fā)過(guò)程中的難點(diǎn)，成為新能源行業(yè)面臨的主要問(wèn)題。因此，新能源汽車臺(tái)架的研發(fā)受到各大廠家越來(lái)越多的重視，成為新能源汽車產(chǎn)品開發(fā)中的重要一環(huán)。通過(guò)新能源臺(tái)架試驗(yàn)，可以進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)選型、關(guān)鍵零部件之間的優(yōu)化匹配、整車控制策略優(yōu)化標(biāo)定、動(dòng)力總成可靠性耐久試驗(yàn)等。

    當(dāng)前，環(huán)境保護(hù)、交通限行禁令、柴油價(jià)格上漲及道路使用費(fèi)用提高等問(wèn)題嚴(yán)重困擾著交通運(yùn)輸業(yè)。商用車制造商及其合作伙伴面臨著最嚴(yán)格的商用車和大型客車廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)，混合動(dòng)力作為商用車的開發(fā)方向之一，面臨著很多問(wèn)題。目前各產(chǎn)品的開發(fā)單位的單項(xiàng)試驗(yàn)臺(tái)架^[1]（如柴油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架）還只是以穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)為主,并不具備商用車新能源混合動(dòng)力的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)?zāi)芰?。為了在產(chǎn)品上市之前對(duì)產(chǎn)品的性能進(jìn)行充分驗(yàn)證，分析潛在風(fēng)險(xiǎn)，及時(shí)優(yōu)化改進(jìn)，臺(tái)架試驗(yàn)研究成為商用車開發(fā)過(guò)程中關(guān)鍵的一環(huán)。但是商用車相對(duì)于乘用車而言具有功率大、扭矩大、轉(zhuǎn)速低等特點(diǎn)，因此市場(chǎng)上也沒有現(xiàn)成的商用車動(dòng)力總成試驗(yàn)臺(tái)可以使用。

    本文設(shè)計(jì)與開發(fā)了一種全新的商用車混合動(dòng)力瞬態(tài)模擬試驗(yàn)臺(tái)，采用LabVIEW軟件對(duì)各種儀器、試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行廣泛兼容與集成，同時(shí)鑒于混合動(dòng)力總成試驗(yàn)對(duì)于數(shù)據(jù)接口、CAN節(jié)點(diǎn)信息監(jiān)測(cè)及模擬、標(biāo)定功能集成、自動(dòng)工況道路負(fù)載模擬等的各類復(fù)雜要求，軟件架構(gòu)采用模塊化的思想，將多種通信協(xié)議、控制方式集成于統(tǒng)一平臺(tái)，以滿足商用車的各類動(dòng)力總成試驗(yàn)需求。該商用車混合動(dòng)力測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)作為測(cè)試工作的基礎(chǔ)，其實(shí)車接近度高。其高動(dòng)態(tài)的駕駛員模擬和環(huán)境模擬確保整個(gè)測(cè)試過(guò)程系統(tǒng)具有很高控制精度，先進(jìn)的測(cè)量設(shè)備決定了測(cè)試數(shù)據(jù)的有效性。

1 商用車混合動(dòng)力總成試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

    商用車混合動(dòng)力大巴試驗(yàn)臺(tái)主要用來(lái)進(jìn)行商用車混合動(dòng)力總成的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，需要將混合動(dòng)力總成（包含電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱等）與臺(tái)架系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)縫集成，因此需要高動(dòng)態(tài)的閉環(huán)控制及很高的測(cè)量精度，其主要的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

1.2 測(cè)功機(jī)的選擇

    根據(jù)混合動(dòng)力總成試驗(yàn)要求, 設(shè)計(jì)該臺(tái)架采用單電機(jī)形式, 即1臺(tái)負(fù)載測(cè)功機(jī)來(lái)進(jìn)行道路負(fù)載的模擬。根據(jù)試驗(yàn)輸入需求，整個(gè)動(dòng)力總成的仿真最大輸出轉(zhuǎn)速為1 800 r/m，最大扭矩為2 800 N·m。因此本文選用西門子355 kW的交流電力測(cè)功機(jī)，可以滿足整個(gè)動(dòng)力總成的試驗(yàn)需求。

1.3 電子負(fù)載選擇

    商用車混合動(dòng)力總成試驗(yàn)臺(tái)需要穩(wěn)定、持續(xù)的高壓輸入, 并在電機(jī)處于發(fā)電模式時(shí)吸收產(chǎn)生的電能。電子負(fù)載為混合動(dòng)力電機(jī)的電力電子系統(tǒng)提供直流高壓輸入。電子負(fù)載同時(shí)具有電池管理系統(tǒng)(BMS)模擬功能。輸入不同電池特性曲線, 即可對(duì)不同電池進(jìn)行性能仿真。同時(shí)通過(guò)電子負(fù)載所在CAN通信模塊與整車控制器及臺(tái)架控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信,從而實(shí)現(xiàn)從電池硬件到軟件的全面仿真及電力輸出功能。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，選擇功率為75 kW的電子負(fù)載。

1.4 軟件系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

1.4.1 軟件系統(tǒng)架構(gòu)

    商用車混合動(dòng)力總成試驗(yàn)臺(tái)主控系統(tǒng)的核心在于集成對(duì)測(cè)功機(jī)、被測(cè)件、數(shù)采、電子負(fù)載等部件的監(jiān)控。所開發(fā)主控系統(tǒng)的硬件基于NI的CAN板卡以及數(shù)采系統(tǒng)，軟件基于NI LabVIEW進(jìn)行編寫,軟件功能包括CAN網(wǎng)絡(luò)的收發(fā)、與標(biāo)定軟件INCA通過(guò)ASAM3接口協(xié)議進(jìn)行通信、自動(dòng)測(cè)試、報(bào)警急停、數(shù)據(jù)采集、信息提醒、報(bào)告生成以及簡(jiǎn)易CCP標(biāo)定等功能。系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖2所示。

1.4.2 系統(tǒng)軟件各模塊開發(fā)

    程序中所需的各項(xiàng)功能以模塊化形式實(shí)現(xiàn)，各模塊提供與主界面的接口函數(shù)。模塊化功能能夠大大減少主界面程序的大小，提高界面控件的響應(yīng)速度，也減少了程序卡頓及系統(tǒng)崩潰的可能。下面簡(jiǎn)要介紹各個(gè)功能模塊的實(shí)現(xiàn)原理和功能。

    (1)CAN模塊：商用車混合動(dòng)力總成試驗(yàn)臺(tái)配置了4路CAN，包括：整車動(dòng)力CAN、整車混合動(dòng)力CAN、臺(tái)架CAN、電子負(fù)載CAN。模塊包含DBC解析模塊，實(shí)現(xiàn)發(fā)送和采集參數(shù)配置功能。自動(dòng)化程序在整車混合動(dòng)力CAN上采集相關(guān)信息，并模擬整車的BMS發(fā)送報(bào)文，使系統(tǒng)正常工作。臺(tái)架CAN用于控制程序與臺(tái)架主控軟件的信息交互，使主控程序能夠控制臺(tái)架進(jìn)行轉(zhuǎn)速和扭矩加載以及當(dāng)前臺(tái)架信息的監(jiān)控。電子負(fù)載CAN主要采集臺(tái)架電池模擬器的實(shí)時(shí)電壓和電流，作為系統(tǒng)能量需求反饋。

    (2)ASAM3模塊：ASAM3是自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)定義的標(biāo)準(zhǔn)體系A(chǔ)SAM-CD中用于控制器標(biāo)定系統(tǒng)遠(yuǎn)程通信的一個(gè)協(xié)議。商用車動(dòng)力總成在臺(tái)架功能性或耐久測(cè)試時(shí)需要標(biāo)定系統(tǒng)對(duì)ECU進(jìn)行控制，因此自動(dòng)化程序中需要ASAM3模塊來(lái)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制[2]，比如：常用的ETAS公司的INCA標(biāo)定軟件中有ASAM3標(biāo)定軟件端的驅(qū)動(dòng)插件，因此在自動(dòng)程序中需要編寫測(cè)控系統(tǒng)端的ASAM3命令驅(qū)動(dòng)庫(kù)。

    (3)自動(dòng)測(cè)試模塊是包含自動(dòng)測(cè)試腳本的運(yùn)行框架及其所含的測(cè)試項(xiàng)目，一個(gè)測(cè)試工況對(duì)應(yīng)一段測(cè)試腳本。對(duì)測(cè)試規(guī)范進(jìn)行自動(dòng)化編制時(shí)，需要注重各項(xiàng)功能的模塊化，減少重復(fù)勞動(dòng)，特別是動(dòng)作執(zhí)行的每個(gè)子函數(shù)，需要考慮進(jìn)行重復(fù)利用。每個(gè)動(dòng)作需求函數(shù)的編寫需要考慮校驗(yàn)邏輯，使執(zhí)行的效果得到保障，需要預(yù)防誤操作、操作丟失的情況，保障程序的自動(dòng)執(zhí)行。自動(dòng)測(cè)試各測(cè)試項(xiàng)目在編寫除了考慮正常運(yùn)行的執(zhí)行流程，還需要進(jìn)行測(cè)試失效的處置，使測(cè)試在出現(xiàn)異?；蚱顣r(shí)能夠進(jìn)行安全處置，最大程度保證被測(cè)件和設(shè)備的安全。

    (4)報(bào)警急停模塊用于對(duì)測(cè)試比較關(guān)注的信號(hào)變量值進(jìn)行限制，信號(hào)的選擇范圍包括自動(dòng)程序各個(gè)模塊采集到的所有參數(shù)。報(bào)警急停分為3個(gè)等級(jí)，分別對(duì)應(yīng)不同的處理機(jī)制，以此達(dá)到保證試驗(yàn)測(cè)試的效率與對(duì)臺(tái)架各設(shè)備的保護(hù)二者之間的平衡。

    (5)信息提醒模塊：信息提醒是的日志文件，在程序調(diào)試和運(yùn)行階段都發(fā)揮著很大的作用。程序錯(cuò)誤和運(yùn)行動(dòng)作次序的驗(yàn)證能夠通過(guò)信息顯示出來(lái)；自動(dòng)程序運(yùn)行階段的日志用來(lái)指示程序動(dòng)作和自動(dòng)測(cè)試各步驟的正常運(yùn)行，并能夠指示故障和錯(cuò)誤的發(fā)生狀態(tài)和細(xì)節(jié)，便于排查和溯源。

    (6)報(bào)告生成模塊：自動(dòng)生成報(bào)告模塊能夠靈活地定制報(bào)告的顯示方式和所需結(jié)果值?？梢愿鶕?jù)客戶的需求定制Excel模板，通過(guò)NI的Report Generation Toolkit函數(shù)庫(kù)能夠方便地進(jìn)行自動(dòng)報(bào)告模塊的編制。根據(jù)測(cè)試規(guī)范中的報(bào)告模板（基于Excel或Word）進(jìn)行關(guān)聯(lián)，將測(cè)得的結(jié)果自動(dòng)填充即可得到生成的報(bào)告。

    (7)CCP標(biāo)定模塊：CCP^[2]標(biāo)定是一個(gè)基于CAN總線的控制器在線標(biāo)定協(xié)議，實(shí)現(xiàn)對(duì)ECU中軟件運(yùn)行參數(shù)值的實(shí)時(shí)改變，以測(cè)試不同策略下的不同運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行軟件控制策略的優(yōu)化。CCP標(biāo)定模塊包括A2L文件解析、DAQ模塊、標(biāo)定模塊等。

1.5 道路負(fù)載模擬

    在一般穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)中，測(cè)功機(jī)主要功能是作為動(dòng)力系統(tǒng)的能量吸收或動(dòng)力輸出單元，本文的自動(dòng)化控制臺(tái)架系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的試驗(yàn)?zāi)M過(guò)程，測(cè)功機(jī)既是車輛運(yùn)行時(shí)慣量與阻力模擬單元，也是制動(dòng)過(guò)程中制動(dòng)力的模擬單元，因此就需要選用低慣量、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的交流電力測(cè)功機(jī)。

    在本試驗(yàn)臺(tái)架上使用經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化的道路負(fù)載公式，忽略了坡道阻力的影響，采用了一個(gè)擬合的二次方程式，具體公式如下^[3]：

其中，A表示不隨速度變化的恒定阻力(如軸承、密封圈、輪胎等)，B表示所有隨速度線性變化的阻力(如驅(qū)動(dòng)系、差速器等)，C表示隨速度平方變化的阻力(如風(fēng)阻、輪胎變形阻力等)，V表示車速，m表示整車質(zhì)量，a表示整車加速度，F(xiàn)表示整車行駛阻力。

    在試驗(yàn)過(guò)程中先通過(guò)設(shè)定的整車質(zhì)量、輪胎半徑和A、B、C的值等實(shí)時(shí)計(jì)算出整車道路負(fù)載，并與測(cè)功機(jī)實(shí)測(cè)的扭矩值進(jìn)行比較，利用整車道路負(fù)載計(jì)算扭矩和測(cè)功機(jī)扭矩傳感器實(shí)測(cè)輸出軸扭矩之間的差異值來(lái)做PID調(diào)節(jié)^[4]，進(jìn)行閉環(huán)控制，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電子節(jié)氣門開度的功能，使輸出軸實(shí)際扭矩與整車道路負(fù)載計(jì)算扭矩相平衡。同時(shí)使負(fù)載測(cè)功機(jī)的輸出軸轉(zhuǎn)速始終控制在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)車輛的動(dòng)態(tài)模擬。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

    試驗(yàn)臺(tái)架建成后，在該臺(tái)架上進(jìn)行了某商用車混合動(dòng)力總成試驗(yàn)。從試驗(yàn)結(jié)果可見，所開發(fā)的測(cè)控系統(tǒng)滿足商用車混合動(dòng)力總成臺(tái)架試驗(yàn)要求，各個(gè)控制器未有CAN通信錯(cuò)誤，證明測(cè)控軟件的CAN節(jié)點(diǎn)模擬正常；整車控制單元可正常響應(yīng)測(cè)控系統(tǒng)的油門和剎車指令，并進(jìn)行相應(yīng)的扭矩輸出及制動(dòng)能量回收，行駛阻力加載控制可正確進(jìn)行道路負(fù)載模擬。圖3為自動(dòng)測(cè)試工況實(shí)際車速與期望車速的對(duì)比曲線圖，從圖中可以看出實(shí)際車速與期望車速基本吻合，該測(cè)控系統(tǒng)很好地完成了商用車標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)工況測(cè)試。

    最后該商用車混合動(dòng)力臺(tái)架進(jìn)行了兩輪60 000 km的動(dòng)力總成性能驗(yàn)證，為混合動(dòng)力子系統(tǒng)的開發(fā)提供了有力的幫助。

3 結(jié)論

    該自主設(shè)計(jì)建成的商用車混合動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)架能夠很好地完成商用車動(dòng)力總成系統(tǒng)試驗(yàn), 對(duì)新能源汽車研發(fā)具有重要意義。

    該商用車動(dòng)力總成臺(tái)架將多方通信協(xié)議集成于測(cè)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)混合動(dòng)力單元各控制器信號(hào)的實(shí)時(shí)同步采集，通過(guò)對(duì)第三方設(shè)備的集成和道路負(fù)載的模擬實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)工況測(cè)試，就無(wú)需整車作為平臺(tái)而替代相應(yīng)的道路和轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)進(jìn)行混合動(dòng)力總成功能性的研究試驗(yàn)，在研發(fā)階段去除整車其他因素的干擾，可以更精確快速地定位混合動(dòng)力總成的缺陷，并縮短開發(fā)周期，大大降低研發(fā)成本；可以在整車裝車之前進(jìn)行耐久試驗(yàn)和預(yù)標(biāo)定與功能驗(yàn)證，減少整車改進(jìn)的工作量。

    同時(shí)由于采用了電子剎車踏板和電子加速踏板，可以消除路試人員實(shí)車駕駛的差異。試驗(yàn)條件的嚴(yán)格控制(包括水溫、油溫、室溫)確保了工況控制準(zhǔn)確，重復(fù)性好。

    最后采用此自動(dòng)化控制方法的試驗(yàn)臺(tái)可以針對(duì)整車參數(shù)進(jìn)行任意更改，而無(wú)需更改實(shí)車平臺(tái)，可以隨時(shí)在臺(tái)架上進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)的早期開發(fā)和驗(yàn)證進(jìn)行靈活的配置。

    該商用車混合動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)滿足商用車混合動(dòng)力開發(fā)的各種階段需求，能夠進(jìn)行混合動(dòng)力的動(dòng)力總成的開發(fā)試驗(yàn)，也能夠進(jìn)行零部件的耐久、性能試驗(yàn)等，同時(shí)還能夠進(jìn)行整車控制器的開發(fā)測(cè)試與研制，以及動(dòng)力總成排放試驗(yàn)的驗(yàn)證等。

參考文獻(xiàn)

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作者信息:

邢進(jìn)進(jìn)，邵  華，劉運(yùn)瀟

(上海捷能汽車技術(shù)有限公司，上海201804)