0 引言

    世界各大汽車生產(chǎn)大國為了提振經(jīng)濟和促進汽車工業(yè)的發(fā)展，紛紛制定了新能源汽車的發(fā)展目標。新能源動力系統(tǒng)的研發(fā)需要進行大量的匹配、標定和試驗驗證。如何縮短研發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量、克服研發(fā)過程中的難點，成為新能源行業(yè)面臨的主要問題。因此，新能源汽車臺架的研發(fā)受到各大廠家越來越多的重視，成為新能源汽車產(chǎn)品開發(fā)中的重要一環(huán)。通過新能源臺架試驗，可以進行動力系統(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)化標定、動力總成可靠性耐久試驗等。

    當(dāng)前，環(huán)境保護、交通限行禁令、柴油價格上漲及道路使用費用提高等問題嚴重困擾著交通運輸業(yè)。商用車制造商及其合作伙伴面臨著最嚴格的商用車和大型客車廢氣排放標準，混合動力作為商用車的開發(fā)方向之一，面臨著很多問題。目前各產(chǎn)品的開發(fā)單位的單項試驗臺架^[1]（如柴油機發(fā)動機臺架）還只是以穩(wěn)態(tài)試驗為主,并不具備商用車新能源混合動力的動態(tài)試驗?zāi)芰?。為了在產(chǎn)品上市之前對產(chǎn)品的性能進行充分驗證，分析潛在風(fēng)險，及時優(yōu)化改進，臺架試驗研究成為商用車開發(fā)過程中關(guān)鍵的一環(huán)。但是商用車相對于乘用車而言具有功率大、扭矩大、轉(zhuǎn)速低等特點，因此市場上也沒有現(xiàn)成的商用車動力總成試驗臺可以使用。

    本文設(shè)計與開發(fā)了一種全新的商用車混合動力瞬態(tài)模擬試驗臺，采用LabVIEW軟件對各種儀器、試驗設(shè)備進行廣泛兼容與集成，同時鑒于混合動力總成試驗對于數(shù)據(jù)接口、CAN節(jié)點信息監(jiān)測及模擬、標定功能集成、自動工況道路負載模擬等的各類復(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，以滿足商用車的各類動力總成試驗需求。該商用車混合動力測試系統(tǒng)平臺作為測試工作的基礎(chǔ)，其實車接近度高。其高動態(tài)的駕駛員模擬和環(huán)境模擬確保整個測試過程系統(tǒng)具有很高控制精度，先進的測量設(shè)備決定了測試數(shù)據(jù)的有效性。

1 商用車混合動力總成試驗臺設(shè)計方案

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

    商用車混合動力大巴試驗臺主要用來進行商用車混合動力總成的動態(tài)試驗，需要將混合動力總成（包含電機、發(fā)動機、變速箱等）與臺架系統(tǒng)進行無縫集成，因此需要高動態(tài)的閉環(huán)控制及很高的測量精度，其主要的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

1.2 測功機的選擇

    根據(jù)混合動力總成試驗要求, 設(shè)計該臺架采用單電機形式, 即1臺負載測功機來進行道路負載的模擬。根據(jù)試驗輸入需求，整個動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的交流電力測功機，可以滿足整個動力總成的試驗需求。

1.3 電子負載選擇

    商用車混合動力總成試驗臺需要穩(wěn)定、持續(xù)的高壓輸入, 并在電機處于發(fā)電模式時吸收產(chǎn)生的電能。電子負載為混合動力電機的電力電子系統(tǒng)提供直流高壓輸入。電子負載同時具有電池管理系統(tǒng)(BMS)模擬功能。輸入不同電池特性曲線, 即可對不同電池進行性能仿真。同時通過電子負載所在CAN通信模塊與整車控制器及臺架控制系統(tǒng)進行實時通信,從而實現(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)計需求，選擇功率為75 kW的電子負載。

1.4 軟件系統(tǒng)功能設(shè)計

1.4.1 軟件系統(tǒng)架構(gòu)

    商用車混合動力總成試驗臺主控系統(tǒng)的核心在于集成對測功機、被測件、數(shù)采、電子負載等部件的監(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進行編寫,軟件功能包括CAN網(wǎng)絡(luò)的收發(fā)、與標定軟件INCA通過ASAM3接口協(xié)議進行通信、自動測試、報警急停、數(shù)據(jù)采集、信息提醒、報告生成以及簡易CCP標定等功能。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)

    程序中所需的各項功能以模塊化形式實現(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。下面簡要介紹各個功能模塊的實現(xiàn)原理和功能。

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

    (2)ASAM3模塊：ASAM3是自動測量系統(tǒng)標準化協(xié)會定義的標準體系A(chǔ)SAM-CD中用于控制器標定系統(tǒng)遠程通信的一個協(xié)議。商用車動力總成在臺架功能性或耐久測試時需要標定系統(tǒng)對ECU進行控制，因此自動化程序中需要ASAM3模塊來進行遠程控制[2]，比如：常用的ETAS公司的INCA標定軟件中有ASAM3標定軟件端的驅(qū)動插件，因此在自動程序中需要編寫測控系統(tǒng)端的ASAM3命令驅(qū)動庫。

    (3)自動測試模塊是包含自動測試腳本的運行框架及其所含的測試項目，一個測試工況對應(yīng)一段測試腳本。對測試規(guī)范進行自動化編制時，需要注重各項功能的模塊化，減少重復(fù)勞動，特別是動作執(zhí)行的每個子函數(shù)，需要考慮進行重復(fù)利用。每個動作需求函數(shù)的編寫需要考慮校驗邏輯，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，保障程序的自動執(zhí)行。自動測試各測試項目在編寫除了考慮正常運行的執(zhí)行流程，還需要進行測試失效的處置，使測試在出現(xiàn)異?；蚱顣r能夠進行安全處置，最大程度保證被測件和設(shè)備的安全。

    (4)報警急停模塊用于對測試比較關(guān)注的信號變量值進行限制，信號的選擇范圍包括自動程序各個模塊采集到的所有參數(shù)。報警急停分為3個等級，分別對應(yīng)不同的處理機制，以此達到保證試驗測試的效率與對臺架各設(shè)備的保護二者之間的平衡。

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

    (6)報告生成模塊：自動生成報告模塊能夠靈活地定制報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NI的Report Generation Toolkit函數(shù)庫能夠方便地進行自動報告模塊的編制。根據(jù)測試規(guī)范中的報告模板（基于Excel或Word）進行關(guān)聯(lián)，將測得的結(jié)果自動填充即可得到生成的報告。

    (7)CCP標定模塊：CCP^[2]標定是一個基于CAN總線的控制器在線標定協(xié)議，實現(xiàn)對ECU中軟件運行參數(shù)值的實時改變，以測試不同策略下的不同運行狀態(tài)，進行軟件控制策略的優(yōu)化。CCP標定模塊包括A2L文件解析、DAQ模塊、標定模塊等。

1.5 道路負載模擬

    在一般穩(wěn)態(tài)試驗中，測功機主要功能是作為動力系統(tǒng)的能量吸收或動力輸出單元，本文的自動化控制臺架系統(tǒng)是一個動態(tài)的試驗?zāi)M過程，測功機既是車輛運行時慣量與阻力模擬單元，也是制動過程中制動力的模擬單元，因此就需要選用低慣量、高動態(tài)響應(yīng)的交流電力測功機。

    在本試驗臺架上使用經(jīng)過簡化的道路負載公式，忽略了坡道阻力的影響，采用了一個擬合的二次方程式，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。

    在試驗過程中先通過設(shè)定的整車質(zhì)量、輪胎半徑和A、B、C的值等實時計算出整車道路負載，并與測功機實測的扭矩值進行比較，利用整車道路負載計算扭矩和測功機扭矩傳感器實測輸出軸扭矩之間的差異值來做PID調(diào)節(jié)^[4]，進行閉環(huán)控制，以實現(xiàn)實時調(diào)節(jié)電子節(jié)氣門開度的功能，使輸出軸實際扭矩與整車道路負載計算扭矩相平衡。同時使負載測功機的輸出軸轉(zhuǎn)速始終控制在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)車輛的動態(tài)模擬。

2 試驗驗證

    試驗臺架建成后，在該臺架上進行了某商用車混合動力總成試驗。從試驗結(jié)果可見，所開發(fā)的測控系統(tǒng)滿足商用車混合動力總成臺架試驗要求，各個控制器未有CAN通信錯誤，證明測控軟件的CAN節(jié)點模擬正常；整車控制單元可正常響應(yīng)測控系統(tǒng)的油門和剎車指令，并進行相應(yīng)的扭矩輸出及制動能量回收，行駛阻力加載控制可正確進行道路負載模擬。圖3為自動測試工況實際車速與期望車速的對比曲線圖，從圖中可以看出實際車速與期望車速基本吻合，該測控系統(tǒng)很好地完成了商用車標準自動工況測試。

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

3 結(jié)論

    該自主設(shè)計建成的商用車混合動力試驗臺架能夠很好地完成商用車動力總成系統(tǒng)試驗, 對新能源汽車研發(fā)具有重要意義。

    該商用車動力總成臺架將多方通信協(xié)議集成于測控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對混合動力單元各控制器信號的實時同步采集，通過對第三方設(shè)備的集成和道路負載的模擬實現(xiàn)了試驗臺自動工況測試，就無需整車作為平臺而替代相應(yīng)的道路和轉(zhuǎn)鼓試驗進行混合動力總成功能性的研究試驗，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行耐久試驗和預(yù)標定與功能驗證，減少整車改進的工作量。

    同時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車駕駛的差異。試驗條件的嚴格控制(包括水溫、油溫、室溫)確保了工況控制準確，重復(fù)性好。

    最后采用此自動化控制方法的試驗臺可以針對整車參數(shù)進行任意更改，而無需更改實車平臺，可以隨時在臺架上進行試驗，對混合動力系統(tǒng)的早期開發(fā)和驗證進行靈活的配置。

    該商用車混合動力試驗臺滿足商用車混合動力開發(fā)的各種階段需求，能夠進行混合動力的動力總成的開發(fā)試驗，也能夠進行零部件的耐久、性能試驗等，同時還能夠進行整車控制器的開發(fā)測試與研制，以及動力總成排放試驗的驗證等。

參考文獻

[1] A.J.馬特，M.A.普林特.發(fā)動機試驗理論與實踐(第一版)[M].宋進桂，于京諾，楊占鵬，等譯.北京：機械工業(yè)出版社，2008.

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

[3] 余志生.汽車理論[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[4] 朱軍.新能源汽車動力系統(tǒng)控制原理及應(yīng)用(第一版)[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2013.

作者信息:

邢進進，邵  華，劉運瀟

(上海捷能汽車技術(shù)有限公司，上海201804)