新能源汽車動力總成測試系統(tǒng)平臺

樊曉松 邵華 邢進(jìn)進(jìn)

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心）

新能源汽車動力總成測試系統(tǒng)平臺

樊曉松 邵華 邢進(jìn)進(jìn)

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心）

以榮威550PHEV插電式混合動力轎車為例，根據(jù)混合動力汽車動力系統(tǒng)的特性和不同測試階段要求，設(shè)計(jì)開發(fā)了具備不同功能的測試平臺。介紹了榮威550PHEV的動力總成架構(gòu)和主要測試階段，以及各階段測試系統(tǒng)平臺的功能要求、架構(gòu)方案、特殊測試設(shè)備、通訊接口及注意事項(xiàng)等。

1 前言

隨著能源危機(jī)、霧霾污染等問題的嚴(yán)重化以及限購限行政策的實(shí)施，越來越多的新能源汽車走向市場，其質(zhì)量、壽命、可靠性和安全性也引起越來越多的關(guān)注。為了能在上市前更充分地驗(yàn)證產(chǎn)品性能，分析潛在風(fēng)險，及時優(yōu)化改進(jìn)，必須分階段進(jìn)行全面深入的測試驗(yàn)證。測試系統(tǒng)平臺是測試工作的物理基礎(chǔ)，其實(shí)車接近度、駕駛員和環(huán)境模擬度決定了測試的程度和精度。相對于傳統(tǒng)車輛，新能源汽車動力總成的測試平臺有一定程度的特殊性。本文以榮威550PHEV插電式混合動力轎車為例，介紹針對其動力總成在各階段的測試系統(tǒng)平臺。

2 榮威550PHEV動力總成測試簡介

2.1 動力總成系統(tǒng)架構(gòu)

榮威550PHEV的動力總成主要由動力電池包（包括電池管理系統(tǒng)BMS）、電驅(qū)動變速器EDU（包括起動發(fā)電ISG和驅(qū)動TM）、電力電子PEB（包括電機(jī)控制器MCU）、整車和變速器控制器HCU、發(fā)動機(jī)及其控制系統(tǒng)EMS幾部分組成，如圖1所示。

2.2 動力總成各測試階段

榮威550PHEV的開發(fā)遵循汽車業(yè)內(nèi)的V流程，其動力總成的測試（圖2）從零部件級開始逐級上升，先后經(jīng)過子總成級和動力總成級，直至整車級。雖然大部分測試仍沿用或借鑒傳統(tǒng)車輛的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，但在高壓電、NVH和EMC等方面必須根據(jù)新產(chǎn)品特性探索新的測試方法，從而對其測試系統(tǒng)平臺提出了新要求。

3 各階段測試系統(tǒng)平臺

新能源汽車動力總成各級測試系統(tǒng)所采用的硬件設(shè)備與傳統(tǒng)車輛測試系統(tǒng)相比，存在一些差異。如，新能源汽車特有的雙向充放電設(shè)備，既可以在電池測試時用作負(fù)載（俗稱E-Load電子負(fù)載），又可以在臺架測試時模擬電池（稱為電池模擬器），某些雙通道型的充放電設(shè)備即可以同時獨(dú)立使用2個通道（如2個通道各用于一款電池的測試），又可以將2個通道并聯(lián)起來獲得更大的功率，還可以利用1個通道模擬動力電池、另1個通道模擬低壓電池進(jìn)行DC/DC的測試。

傳統(tǒng)汽車發(fā)動機(jī)和變速器的運(yùn)行相對獨(dú)立，較容易單獨(dú)進(jìn)行測試，而新能源汽車的各控制系統(tǒng)之間存在大量的信號交互，如果只是部分子系統(tǒng)的試驗(yàn)，測試平臺必須能模擬與這些子系統(tǒng)有數(shù)據(jù)交互的其它控制器，根據(jù)運(yùn)行工況的需要收發(fā)相應(yīng)的信號。如進(jìn)行電驅(qū)動系統(tǒng)測試時，既需要模擬整車控制器HCU，根據(jù)工況要求和電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩向電機(jī)控制器MCU發(fā)送扭矩分配指令，還需要模擬動力電池發(fā)送的功率限值等特殊信號，甚至模擬不同SOC下的電壓變化。而多數(shù)傳統(tǒng)試驗(yàn)臺只具備信號監(jiān)測，不具備信號發(fā)送功能，即使可以發(fā)送信號也只是簡單按照信號定義數(shù)據(jù)庫（如CAN-DBC）發(fā)送預(yù)設(shè)的默認(rèn)值；有些只能按照工況變化進(jìn)行簡單的計(jì)算，涉及類似Checksum的復(fù)雜通訊校驗(yàn)編碼邏輯時，還需要再輔以CANoe等專業(yè)通訊節(jié)點(diǎn)模擬工具。

3.1 控制系統(tǒng)測試平臺

傳統(tǒng)車的控制系統(tǒng)大多由供應(yīng)商開發(fā)制造，主機(jī)廠的測試以驗(yàn)收為主。新能源汽車控制策略復(fù)雜，需要多系統(tǒng)協(xié)調(diào)，涉及多個供應(yīng)商共同協(xié)作開發(fā)。目前很多主機(jī)廠采用自主開發(fā)模式，測試范圍很廣，選用的測試設(shè)備類型多，測試工作量大，對測試精度要求很高。以榮威550PHEV為例，因其整車和變速器控制器HCU是自主進(jìn)行應(yīng)用軟件開發(fā)，所以從模塊在環(huán)（Module-in-Loop）、模型在環(huán)（Model-in-Loop）、軟件在環(huán)（Software-in-Loop）到硬件在環(huán)（Hardwarein-Loop）等各測試階段都需要專業(yè)的測試工具。

硬件在環(huán)HIL測試采用了柔性平臺（圖3），即可拆成2套相對獨(dú)立的HIL系統(tǒng)，同時進(jìn)行單ECU的HIL測試（HCU-HIL、BMS-HIL、MCU-HIL等）和多ECUs的集成HIL測試（通道數(shù)覆蓋動力總成級需求），也可以合并成一個更大的系統(tǒng)用于整車級HIL測試，如在PT-ECUs基礎(chǔ)上增加儀表、ABS等混動直接相關(guān)控制器。需要注意的是，BMS-HIL因?yàn)橐M大量電池模塊甚至電芯，模擬信號通道數(shù)需求非常大；而MCU-HIL因?yàn)橐M電機(jī)，則需要特定的高頻板卡（頻率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)ECU要求）。另外還需要注意的是，發(fā)動機(jī)和變速器類型基本穩(wěn)定，相應(yīng)的模型往往可以直接采用標(biāo)準(zhǔn)模型（成熟的商業(yè)模型），只需要根據(jù)產(chǎn)品特性修改相關(guān)參數(shù)配置即可，如將發(fā)動機(jī)缸數(shù)從4改為6、變速器擋位從5擋改為6擋等。而目前各類電池和電機(jī)差異卻較大，其控制系統(tǒng)的HIL平臺必須根據(jù)模擬對象特性進(jìn)行個性化建模。

3.2 動力電池測試平臺

動力電池是新能源汽車的核心部件，但目前很少有主機(jī)廠自己生產(chǎn)制造電芯，一般根據(jù)整車需求設(shè)計(jì)（容量、接口尺寸等）采購成熟的電芯進(jìn)行組裝或采購整個電池包，因此主機(jī)廠的測試工作往往以系統(tǒng)電氣性能測試和驗(yàn)收抽樣檢測為主，一般只需要電子負(fù)載和環(huán)境艙等設(shè)備對電池進(jìn)行能量、容量、充放電功率、內(nèi)阻、能量效率、循環(huán)壽命、無負(fù)載和儲存中容量損失等基本性能測試。此外主機(jī)廠應(yīng)具備多通道電芯測試平臺（小功率電子負(fù)載和環(huán)境艙），以用于電芯一致性分析和不同電芯的差異對比，特別是便于進(jìn)行電池產(chǎn)品的選型。如果需要對電池包內(nèi)各電芯的一致性進(jìn)行測試，還應(yīng)配備多通道的溫度和電壓的數(shù)據(jù)采集模塊。

3.3 電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)測試平臺

電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)是新能源電動汽車的核心之一，主機(jī)廠需要對其進(jìn)行一些自主測試，特別是在產(chǎn)品篩選階段，或電機(jī)和電力電子PEB等關(guān)鍵零部件來自不同供應(yīng)商的情況下。在圖4所示的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)測試平臺上，利用測功機(jī)模擬電機(jī)負(fù)載（扭矩負(fù)荷、特定車速等），利用電子負(fù)載模擬動力電池（不同SOC、電壓、限功率等），配合功率分析儀（交直流電-電轉(zhuǎn)換效率、扭矩轉(zhuǎn)速電-機(jī)械轉(zhuǎn)換效率等）、熱成像儀等輔助工具，可以進(jìn)行電機(jī)扭矩-轉(zhuǎn)速特性曲線、制動能量回饋、效率、溫升、超速、高效區(qū)、堵轉(zhuǎn)等各項(xiàng)性能測試。需要注意的是，因?yàn)殡姍C(jī)的高轉(zhuǎn)速特性，電機(jī)與測功機(jī)的連接必須嚴(yán)格控制對中度，且最好采用柔性聯(lián)軸器保護(hù)兩端（異常情況下聯(lián)軸器先損壞）。另外電機(jī)可雙向旋轉(zhuǎn)，所以其測功機(jī)需放開防反轉(zhuǎn)鎖定。

3.4 電驅(qū)動變速器測試平臺

電驅(qū)動變速器EDU總成測試平臺（圖5）的主體與傳統(tǒng)變速器總成臺架相似，利用一個驅(qū)動測功機(jī)（Drive Prime）模擬發(fā)動機(jī)，2個負(fù)載測功機(jī)（Load Dyno.）模擬車輪。由于通過皮帶或鏈條箱等增速機(jī)構(gòu)會導(dǎo)致效率或精度的損失，所以高性能試驗(yàn)一般在驅(qū)動測功機(jī)與變速器直連的臺架上進(jìn)行，但所需的緊湊型驅(qū)動測功機(jī)成本較高。

傳統(tǒng)變速器只有發(fā)動機(jī)一個動力源，在變速器臺架只需要控制驅(qū)動測功機(jī)模擬發(fā)動機(jī)進(jìn)行加載，同時利用通訊工具監(jiān)測變速器控制器TCU的狀態(tài)即可。而EDU內(nèi)部還集成了2個電機(jī)，臺架控制系統(tǒng)還必須與真實(shí)控制器（HCU和PEB）進(jìn)行交互，根據(jù)測試工況發(fā)送相應(yīng)的指令信號，使得EDU進(jìn)入特定的模式、扭矩、轉(zhuǎn)速和擋位等。所以與控制器交互的通訊模塊和臺架控制系統(tǒng)不再是各自獨(dú)立，必須高度集成才能實(shí)現(xiàn)實(shí)時和自動測試。

3.5 ePT混動動力總成測試平臺

ePT混動動力總成測試是實(shí)車試驗(yàn)前的最后一個驗(yàn)證環(huán)節(jié)，重點(diǎn)考核發(fā)動機(jī)、變速器（含電機(jī)）、電池、電控系統(tǒng)的協(xié)同和整體性能。由于采用了真實(shí)發(fā)動機(jī)，其測試平臺只需要2個負(fù)載測功機(jī)（Load Dyno.）來模擬車輪載荷。但因?yàn)闇y試對象較多，需監(jiān)測的信號較復(fù)雜，臺架主控需要能夠與試驗(yàn)件的電控系統(tǒng)實(shí)時交互，以便及時了解試驗(yàn)件狀態(tài)，控制試驗(yàn)進(jìn)度和系統(tǒng)安全。圖6為ePT混動動力總成自動化測試平臺。

通過增加NI和ETAS等第三方輔助工具，可以將一個傳統(tǒng)車輛的動力總成試驗(yàn)臺升級為ePT混動動力總成自動化測試平臺。其中NI工具主要用于信號轉(zhuǎn)換（如將測功機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為車速等）和自動監(jiān)測，ETAS工具主要用于與被試件系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換（向控制器發(fā)送指令、監(jiān)測被控對象的溫度和壓力等）。圖7為應(yīng)用Labview軟件設(shè)計(jì)的系統(tǒng)操作顯示界面。

傳統(tǒng)臺架的發(fā)動機(jī)一般只需要配備冷卻系統(tǒng)，對于混動臺架上的發(fā)動機(jī)溫控設(shè)備應(yīng)具備加熱功能，以避免純電動工況下因發(fā)動機(jī)停機(jī)而導(dǎo)致的水溫下降過快（臺架溫控回路比實(shí)車長很多），從而不能按試驗(yàn)規(guī)范要求迅速進(jìn)入下一工況。同時，傳統(tǒng)車的臺架試驗(yàn)起動后發(fā)動機(jī)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，而混動臺架發(fā)動機(jī)時停時動，因此其臺架燃油供給系統(tǒng)的管路設(shè)計(jì)必須相應(yīng)優(yōu)化，以避免產(chǎn)生大負(fù)荷發(fā)動機(jī)起動瞬間管路擁塞等問題。

如果配備了輔助工具，該測試平臺上還可以進(jìn)行NVH測評、動力總成適配（如不同的發(fā)動機(jī)與EDU組合）、整車故障模擬復(fù)現(xiàn)排查、匹配標(biāo)定等其它工作。如發(fā)動機(jī)停機(jī)時間過長，會導(dǎo)致催化轉(zhuǎn)換器溫度過低使轉(zhuǎn)換效率下降，停機(jī)時間過短又會導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)性下降。如果在催化轉(zhuǎn)換器前、后各增加一路排放數(shù)據(jù)采集，就可以在試驗(yàn)臺架上進(jìn)行優(yōu)化標(biāo)定，找到停機(jī)時間的最佳平衡點(diǎn)。

3.6 實(shí)車測試平臺

新能源汽車實(shí)車測試平臺與傳統(tǒng)車測試平臺差異不大，但在高壓電安全、NVH、充電配套等方面需要增加一些輔助設(shè)施。同時，由于增加了電機(jī)、電池等全新試驗(yàn)對象，整車數(shù)據(jù)采集（如振動、溫度）的通道數(shù)必須有所增加，盡量全面獲知試驗(yàn)件狀態(tài)，以便進(jìn)行產(chǎn)品性能分析、改進(jìn)設(shè)計(jì)方案和驗(yàn)證方法。

4 結(jié)束語

新能源汽車尚處于產(chǎn)業(yè)化初期，其試驗(yàn)方法仍處于摸索階段，測試工具和測試平臺的功能決定了測試進(jìn)度、深度和精度，需要用戶和設(shè)備供應(yīng)商聯(lián)合開發(fā)。本文所述測試平臺是在上汽榮威550插電式混合動力汽車動力總成系統(tǒng)開發(fā)過程中建立的，通過測試平臺的開發(fā)建設(shè)，建立并完善了上汽新能源汽車動力總成系統(tǒng)試驗(yàn)室，形成了一系列相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)，2013年底該車型成功上市銷售。

1邢進(jìn)進(jìn).新能源汽車動力總成臺架設(shè)計(jì)與集成.上海汽車. 2013（11）:7～10.

2朱軍.新能源汽車動力系統(tǒng)控制原理及應(yīng)用.上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社，2013.

3陳全世.新能源汽車技術(shù)創(chuàng)新及標(biāo)準(zhǔn)解析.新能源汽車政策暨產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與相關(guān)法規(guī)專題研討會，杭州，2014.

4李孟良.電動汽車示范運(yùn)行與測試評價.國際電動汽車及關(guān)鍵部件測評研討會，常州，2014.

（責(zé)任編輯文楫）

修改稿收到日期為2014年7月21日。

Test System Platform of New Energy Vehicle Pow rtrain

Fan Xiaosong,Shao Hua,Xing Jinjin
（SAICMotor Technical Center）

In this paper,we take Roewe 550PHEV（plug-in hybrid）car as an example and develop the powertrain test platform with different functions according to features and requirement in different test stages of hybrid vehicle powertrain.Powertain configuration and main test stages of Roewe 550PHEV,function requirement,configuration plan, special test equipment,communication interface aswell as precautions are introduced in the paper.

HEV,Powertrain,Test system

混合動力汽車動力總成測試系統(tǒng)

U469.72

A

1000-3703（2014）09-0039-04