徐艷明

(廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510515)

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基于虛擬儀器的ISG混合動(dòng)力總成測(cè)試系統(tǒng)*

徐艷明

(廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510515)

摘要：集成起動(dòng)/發(fā)電機(jī)(ISG)在混合動(dòng)力系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛，為滿足ISG混合動(dòng)力汽車動(dòng)力總成功能驗(yàn)證及性能測(cè)試，開發(fā)了基于虛擬儀器的ISG混合動(dòng)力總成測(cè)試平臺(tái)，可作為ISG系統(tǒng)開發(fā)和教學(xué)的輔助設(shè)備。

關(guān)鍵詞：集成起動(dòng)/發(fā)電機(jī)；混合動(dòng)力汽車；動(dòng)力總成；測(cè)試系統(tǒng)

1ISG混合動(dòng)力系統(tǒng)測(cè)試技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

混合動(dòng)力汽車自動(dòng)起/停(Start/Stop)控制技術(shù)能夠避免發(fā)動(dòng)機(jī)工作在怠速和低效率區(qū)[1]，將集成起動(dòng)/發(fā)電機(jī)(簡(jiǎn)稱ISG)應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車，可優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)[2]，通過智能起/停、能量回收、驅(qū)動(dòng)助力等功能，可增加發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)功率區(qū)間運(yùn)行時(shí)間、回收部分制動(dòng)能量、減少發(fā)動(dòng)機(jī)油耗和降低排放污染[3，4]。

汽車性能試驗(yàn)是汽車開發(fā)和性能檢測(cè)過程中的重要環(huán)節(jié)[5]。與傳統(tǒng)汽車相比，混合動(dòng)力汽車上動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)ISG動(dòng)力總成關(guān)鍵部件的要求很高，在進(jìn)行產(chǎn)品功能驗(yàn)證和測(cè)試時(shí)所需要測(cè)量的信號(hào)較多，如果完全采用傳統(tǒng)的耐久性測(cè)試方法，產(chǎn)品開發(fā)周期和成本非常高，因此整車和零部件開發(fā)生產(chǎn)中，急需高效的測(cè)試系統(tǒng)來提高開發(fā)速度，降低開發(fā)成本。為此國(guó)內(nèi)外汽車測(cè)試設(shè)備開發(fā)商和許多整車生產(chǎn)企業(yè)均針對(duì)混合動(dòng)力汽車開發(fā)了相關(guān)的測(cè)試平臺(tái)。例如奧地利AVL公司為適應(yīng)混合動(dòng)力汽車發(fā)展趨勢(shì)，為其發(fā)動(dòng)機(jī)與動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)增加了混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器的實(shí)機(jī)測(cè)試功能，如圖1所示。

圖1　AVL混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器綜合測(cè)試平臺(tái)

重慶長(zhǎng)安汽車有限責(zé)任公司開發(fā)了混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系統(tǒng)性能試驗(yàn)臺(tái)架，其結(jié)構(gòu)組成及原理如圖2所示。

圖2　重慶長(zhǎng)安開發(fā)的混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系統(tǒng)性能試驗(yàn)臺(tái)架

另外奇瑞、D&V electronics等企業(yè)也相繼研發(fā)了混合動(dòng)力汽車動(dòng)力總成試驗(yàn)系統(tǒng)，然而目前由于各公司對(duì)ISG混合動(dòng)力系統(tǒng)的研發(fā)步驟、技術(shù)儲(chǔ)備、商業(yè)策略以及售后服務(wù)等多方面的因素有不同的考量，導(dǎo)致各個(gè)公司開發(fā)的ISG混合動(dòng)力系統(tǒng)在類型、尺寸、安裝方法、安裝位置、控制邏輯、與發(fā)動(dòng)機(jī)之間的相互關(guān)系各不相同，形成了目前ISG混合動(dòng)力系統(tǒng)的多樣性和復(fù)雜性。

一個(gè)優(yōu)良的ISG混合動(dòng)力系統(tǒng)可以使車輛短暫停車工況時(shí)停止發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，車輛重新起步時(shí)通過ISG電機(jī)將發(fā)動(dòng)機(jī)快速拖動(dòng)到怠速轉(zhuǎn)速以上，再讓發(fā)動(dòng)機(jī)噴油點(diǎn)火，減少了怠速運(yùn)行時(shí)間，避免啟動(dòng)工況加濃過程造成的高油耗和高排放。這種技術(shù)能夠有效地提高燃油的經(jīng)濟(jì)性、改善排放特性[1]。同時(shí)，ISG系統(tǒng)還可通過功率補(bǔ)償、減速或制動(dòng)時(shí)的動(dòng)能回收和非接觸式制動(dòng)等功能提升車輛動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。而要實(shí)現(xiàn)上述功能，就需要根據(jù)系統(tǒng)的本身的特點(diǎn)來開發(fā)一系列的軟硬件系統(tǒng)，然后將其組合起來在某一個(gè)專用的平臺(tái)上進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)驗(yàn)證。根據(jù)系統(tǒng)在不同模擬工況下表現(xiàn)出來的指標(biāo)進(jìn)行大量的復(fù)雜的反復(fù)的軟硬件改進(jìn)。

伴隨著ISG混合動(dòng)力技術(shù)的快速發(fā)展，針對(duì)于ISG混合動(dòng)力系統(tǒng)的教學(xué)系統(tǒng)的需求也日益增長(zhǎng)。目前各高等院校、高職院校及中職院校都在嘗試開設(shè)電動(dòng)汽車相關(guān)的課程，但是苦于沒有相關(guān)的試驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備，加上電動(dòng)汽車相關(guān)技術(shù)相對(duì)傳統(tǒng)汽車技術(shù)有很大不同，且更為抽象，純理論教學(xué)難以滿足電動(dòng)汽車相關(guān)課程教學(xué)目標(biāo)，因此能夠應(yīng)用于各類院校新能源汽車教學(xué)的試驗(yàn)設(shè)備開發(fā)成為目前高等教育和中等職業(yè)教育都必須面對(duì)和解決的實(shí)際問題。

為此筆者所在的研發(fā)團(tuán)隊(duì)根據(jù)行業(yè)發(fā)展和教科研需要，基于虛擬儀器開發(fā)了ISG混合動(dòng)力總成試驗(yàn)驗(yàn)證測(cè)試系統(tǒng)，可直接對(duì)ISG混合動(dòng)力汽車動(dòng)力總成在各種工況下的性能進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，也可針對(duì)ISG混合動(dòng)力總成關(guān)鍵部件進(jìn)行功能驗(yàn)證和耐久性測(cè)試，特別是能對(duì)ISG電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配性能進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，有利于建立統(tǒng)一、科學(xué)的ISG混合動(dòng)力汽車整車和零部件總成的評(píng)價(jià)體系，幫助研發(fā)工程師進(jìn)行策略算法的驗(yàn)證。同時(shí)以虛擬儀器為計(jì)算分析核心，可以使測(cè)試系統(tǒng)的操作簡(jiǎn)單、通用性好、適應(yīng)性強(qiáng)[5]，而且不需要對(duì)硬件系統(tǒng)做太大改動(dòng)即可根據(jù)不同的需求調(diào)整或擴(kuò)展測(cè)試軟件功能，不僅降低了系統(tǒng)開發(fā)難度，而且也節(jié)約了時(shí)間和成本。該系統(tǒng)具有工況模擬試驗(yàn)功能，能夠直觀地展示系統(tǒng)工作過程，可用于各類學(xué)校新能源汽車專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

2測(cè)試系統(tǒng)硬件整體架構(gòu)及試驗(yàn)驗(yàn)證測(cè)試過程分析

ISG混合動(dòng)力系統(tǒng)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)及其ECU、ISG電機(jī)及其控制器、動(dòng)力蓄電池及其管理系統(tǒng)、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)以及整車控制系統(tǒng)等組成。通過測(cè)功機(jī)實(shí)現(xiàn)各種工況模擬，利用發(fā)動(dòng)機(jī)、ISG電機(jī)、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)和整車控制系統(tǒng)等的控制單元的通訊功能，和轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電壓、電流、溫度等傳感器獲取ISG混合動(dòng)力系統(tǒng)的工作參數(shù)，發(fā)送至數(shù)據(jù)采集和處理中心進(jìn)行處理，計(jì)算出所需的二次參數(shù)，進(jìn)而評(píng)價(jià)系統(tǒng)的控制策略、匹配性能、動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性等。所開發(fā)的試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)整體框架結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　測(cè)試系統(tǒng)硬件整體架構(gòu)

數(shù)據(jù)采集及處理中心主要由上位機(jī)、數(shù)據(jù)采集板卡、傳感器、顯示器等組成。上位機(jī)采用IPC610L/AIMB-769/E7500工控計(jì)算機(jī)。數(shù)據(jù)采集卡主要包括模擬量輸入和輸出卡、數(shù)字量輸入輸出卡和CAN通訊卡。傳感器包括轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器、電流傳感器、電壓傳感器、溫度傳感器等。部分?jǐn)?shù)據(jù)通過CAN通訊卡連接到控制器的CAN通訊接口獲取，以降低系統(tǒng)復(fù)雜性。

具體的試驗(yàn)驗(yàn)證測(cè)試過程可劃分為三個(gè)階段：

第一階段：利用發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，獲取發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線，同時(shí)計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的實(shí)時(shí)功率，導(dǎo)入設(shè)定好的模擬工況，驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)功率是否滿足最高車速、加速性能和最大爬坡度動(dòng)力性指標(biāo)。

第二階段：進(jìn)行電機(jī)性能試驗(yàn)，建立ISG電機(jī)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線，同時(shí)計(jì)算電機(jī)的功率，在指定的循環(huán)工況下驗(yàn)證其功率是否滿足峰值功率要求。

第三階段：發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)之間的匹配驗(yàn)證。主要包括轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速匹配驗(yàn)證、智能起?？刂乒δ茯?yàn)證、電機(jī)助力功能驗(yàn)證、制動(dòng)能量回收功能驗(yàn)證和綜合性能指標(biāo)驗(yàn)證等。其中轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速匹配驗(yàn)證主要驗(yàn)證ISG電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速峰值是否滿足最高車速、最大爬坡度和百公里加速時(shí)間的要求。智能起停控制功能驗(yàn)證主要包括ISG混合動(dòng)力系統(tǒng)起動(dòng)和停機(jī)的條件是否合理、ISG電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩設(shè)計(jì)是否合理、ISG電機(jī)發(fā)電功能和發(fā)電效率是否正常等。ISG電機(jī)的助力功能驗(yàn)證主要包括電機(jī)提供助力的條件是否合理、電機(jī)的助力驅(qū)動(dòng)能力大小及實(shí)際助力效果評(píng)價(jià)。制動(dòng)能量回收功能驗(yàn)證主要包括不同工況下再生制動(dòng)與摩擦制動(dòng)之間比例配置是否合理、制動(dòng)效能和能量回收效率是否正常等。綜合性能指標(biāo)驗(yàn)證主要包括ISG混合動(dòng)力總成動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、續(xù)駛里程等性能的驗(yàn)證等。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在ISG混合動(dòng)力總成試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)中，有大量的現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)需要采集和監(jiān)控，數(shù)據(jù)處理過程繁雜，用戶操作和使用困難。為了使測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)單易用，必須滿足操作界面直觀、互動(dòng)性良好的要求，因此我們應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)，基于LabVIEW開發(fā)環(huán)境建立了ISG混合動(dòng)力總成試驗(yàn)驗(yàn)證測(cè)試系統(tǒng)軟件，達(dá)到簡(jiǎn)化操作、美化界面、實(shí)時(shí)互動(dòng)和直觀易懂等設(shè)計(jì)要求。圖4是項(xiàng)目開發(fā)前期設(shè)計(jì)的虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)人機(jī)交互界面布局方案。

圖4　基于LabVIEW開發(fā)環(huán)境建立的測(cè)控系統(tǒng)平臺(tái)人機(jī)交互界面

該圖形化操作界面布局方案不僅具有豐富的曲線顯示功能，而且有實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)和控制功能，充分滿足了對(duì)人機(jī)交互界面的顯示直觀、操作方便、控制實(shí)時(shí)等要求。

4總結(jié)

開發(fā)的ISG混合動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力總成試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證系統(tǒng)利用高速工業(yè)計(jì)算機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的主控系統(tǒng)，從而提高系統(tǒng)運(yùn)算處理能力，為實(shí)現(xiàn)精確快速的運(yùn)算提供硬件保障。基于LabVIEW開發(fā)的高效、快速的人機(jī)交互測(cè)試系統(tǒng)軟件，通過操控方便、顯示直觀、功能豐富的圖形化人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)人性化設(shè)計(jì)，滿足測(cè)試系統(tǒng)功能要求的同時(shí)，降低開發(fā)成本，提高可操作性、直觀性，且方便后續(xù)的產(chǎn)品升級(jí)和維護(hù)。所開發(fā)的ISG混合動(dòng)力系統(tǒng)可滿足ISG混合動(dòng)力總成的全工況硬件在環(huán)測(cè)試功能要求。通過對(duì)ISG混合動(dòng)力汽車全工況模擬，利用發(fā)動(dòng)機(jī)-ISG電機(jī)在環(huán)測(cè)試方法，進(jìn)行系統(tǒng)綜合性能的試驗(yàn)測(cè)試和驗(yàn)證，將各模擬工況下的系統(tǒng)工作參數(shù)通過液晶顯示系統(tǒng)進(jìn)行直觀顯示，利于試驗(yàn)觀察、功能展示和在線分析。

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ISG Hybrid Electric Vehicle Powertrain Test System Based on Virtual Instrument

Xu Yanming

(GuangdongMechanical&ElectricalPolytechnic,GuangzhouGuangdong510515,China)

Abstract:As the integrated starter/generator (ISG) is widely used in hybrid power system, ISG hybrid powertrain test platform based on virtual instrument is designed. It can be used as an auxiliary device for ISG system development and teaching.

Key words:integrated starter/generator; hybrid electric vehicle; powertrain; test system

收稿日期：2015-12-27

基金項(xiàng)目：廣州南沙區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目(No.20132010)

作者簡(jiǎn)介：徐艷民(1979- )，男，講師，博士，主要研究方向?yàn)樾履茉雌嚰捌錅y(cè)試系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)。

文章編號(hào)：1674- 4578(2016)03- 0003- 02

中圖分類號(hào)：U464.131，TP 273.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A