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浅析混合动力电动汽车相关测试方法

2019-01-01 14:27:49·  来源:EV test EV测试汇  
 
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引言:在满足常规车辆测试指标的前提下,混合动力汽车能更好地体现节能减排的优势。根据动力总成结构特点和布置方式的不同,介绍了混合动力汽车(HEV)串联式、并
引言:在满足常规车辆测试指标的前提下,混合动力汽车能更好地体现节能减排的优势。根据动力总成结构特点和布置方式的不同,介绍了混合动力汽车(HEV)串联式、并联式和混联式3种类型的工作原理,比较分析了混合动力汽车4种常用的整车性能评价测试方法及试验内容。从整车和部件的角度出发,列举了混合动力汽车相关标准中规定的性能评价测试指标。指出混合动力汽车在整车和关键零部件测试时,应先满足常规性能要求,然后对排放和燃油经济性进行评价。

关键词:混合动力汽车;测试方法,动力总成

1、混合动力电动汽车的分类
   
混合动力汽车的动力总成主要包括发动机、发电机、电动机/发电机、蓄电池(电容)以及变速器等。按动力总成配置和部件的组合方式不同,HEV可以分为串联式、并联式以及混联式3种类型。传统内燃机动力总成和纯电动力总成之间的各种组合构造如下图:
1.1、串联式HEV
  串联式HEV的发动机仅仅用于驱动发电机发电,产生的电能供给电动机,由电动机提供动力满足汽车行驶要求。蓄电池(或电容)实际上起着平衡发动机输出功率和电动机输入功率的作用,当发电机的发电功率大于电动机所需的输入功率时,控制器控制发电机将额外功率向蓄电池充电;当发电机发出的功率低于电动机所需的功率时,蓄电池则向电动机提供额外的电能,结构示意图,如图所示。
1.2、并联式HEV
   并联式HEV可由发动机和电动机共同驱动或者各自单独驱动行驶。当电动机只是作为辅助驱动系统时,其输出功率可以较小,主要由发动机提供需求功率。与串联式结构相比,发动机通过机械传动机构直接驱动汽车,其能量的利用率相对较高,结构示意图,如图所示
1.3、混联式HEV
   混联式HEV综合了串联式与并联式的结构特点,如图所示,其发动机发出的功率一部分通过机械传动输送给驱动轮,保持较高的能量利用率;另一部分则驱动发电机进行发电。发电机发出的电能则由控制策略根据汽车行驶功率的需求控制电能输送给电动机或蓄电池,电动机产生的驱动力矩通过动力合成装置传送给驱动轮。在汽车低速行驶时,驱动系统主要以串联方式工作;当汽车高速稳定行驶时,则以并联工作方式为主。这种结构能较好地实现汽车的各项性能需求,发动机的工作不受汽车行驶状况的影响,总是在最高效率状态下工作,实现了低排放及超低油耗的目的,达到较好的环保和节能效果,但此类汽车的控制技术较为复杂,控制系统设计与制造要求较高,传动系布置也较为困难。

2、评价测试方法
2.1、道路测试法
   道路测试法是基于整车的测试方法,通过在实际道路进行实车测试来评价混合动力汽车性能的优劣。道路测试分为安全性测试、噪声测试、动力性测试、能耗和排放测试(车载测试),这些测试均需要在专用试验场地上按规定的试验方法完成。道路测试方法比较简单、直观,试验结果可以很快地评价整车性能的优劣,为试验样车的参数标定、控制策略优化以及新样车的开发提供可靠的试验依据,但是受温度和风速等外界干扰因素影响较大,道路测试方法的可控性和重复性较差。
2.2、底盘测功机测试法
   底盘测功机试验也是从整车角度出发的测试方法,它首先通过负荷设定来精确模拟汽车在实际道路上的行驶阻力,从而实现其道路行驶阻力在底盘测功机上的再现,这也是底盘测功机试验的关键,将直接影响汽车的动力性和能耗排放等性能的研究。在此基础之上,参考标准试验程序进行汽车性能的测试评价,混合动力汽车在底盘测功机上的排放试验。与道路测试法相比,底盘测功机试验能够控制室内环境等可变因素,可以精确模拟多种典型行驶状况,试验结果重复性好,但是试验需要昂贵的试验设备,这对处于研发阶段的企业来说成本较高。
2.3、台架测试
  台架测试是把发动机、电动机/发电机、蓄电池及变速器等总成部件按照混合动力总成布置方案安装在发动机台架上,利用CAN总线把台架测试控制系统与整车多能源控制器和各总成部件ECU连接起来,实时测量混合动力总成的各项参数,控制动力总成的运行状态,并借助相关测试设备(如油耗仪、排放分析仪及电功率计等)完成动力性、燃油经济性、排放及噪声等整车性能测试试验。并联式动力总成台架能耗排放试验示意图,例图所示。
  台架试验受外界自然环境的限制较少,并可以使各零部件的布置不受整车总布置的限制。此外,台架测试还可以利用不同总成部件的模块化设计进行高效率的安装和调试,不仅减少了开发成本,而且大大缩短了混合动力总成的研发周期。
2.4、整车模拟法
   整车模拟法是在台架测试系统基础之上,利用硬件在环仿真法(HIL)转换测试循环来对汽车整车性能进行评估的方法。HIL模拟的示意图,如图所示。
   该方法首先把整车速度测试循环转化为发动机转速测试循环,并建立电动机/发电机、发动机、蓄电池或超级电容等部分的数字信号处理(DSP)模型。根据各总成部件控制系统的控制信号,DSP模型模拟出汽车各总成部件的运行状态。在得出发动机的转速一转矩关系之后,利用发动机的效率MAP图来计算HEV在测试循环下的燃油经济性,并依据转换的发动机测试循环在台架上进行发动机试验,可测量得出HEV在测试循环下的排放特性。整车模拟法是传统台架测试方法的改进,解决了发动机测试工况与整车行驶工况脱离的问题,测量精度较高。缺点是在采用HIL模拟中缺乏混合动力各总成部件的标准模型,通用性较差。

3、HEV测试指标
  根据标准中规定的试验程序进行试验,并确定不同的测试指标来对HEV进行性能评价。
3.1、整车测试指标
  与传统汽车类似,HEV整车评价的测试指标主要包括安全性、噪声、动力性、经济性和排放特性等。
(1) 安全性测试指标主要从汽车结构和功能安全要求及故障维护等方面进行不同项目的检验,相应的评价指标在GB/T19751—2005标准中进行了详细的规定。
(2) 噪声测试同传统汽车一样,参照标准中规定方法进行,主要包括加速噪声、车内噪声、汽车定置噪声、匀速行驶噪声、轮胎噪声及发动机噪声等,车辆各种噪声是否达标,相应标准中都有限值要求。
(3) 动力测试指标参照GB/T19752混合动力电动汽车动力性能试验方法进行,测试指标包括:混合动力模式下的最高车速、0~100km/h或0~50km/h的加速时间、30min的最高车速、爬坡车速、坡道起步能力以及最大爬坡车速;纯电动模式下的最高车速、0~50km/h的加速时间、爬坡车速及坡道起步能力。
(4) 能量消耗量测试主要包括燃油消耗和电能量消耗的测试,在测试中获得的蓄电池的电能量消耗量要转化成相应的油耗量,换算关系为:1L柴油大约等于3.02kW·h电量;对于混合动力汽车能耗值的大小,国家标准中没有明确规定,只是作为汽车定型的参考。
(5) 排放测试主要指的是对常规污染物(CO,CO,,TCH,NOx和颗粒物PM)的测量。目前,对于HEV的尾气污染物排放限值没有明确规定,轻型混合动力汽车参照了传统轻型汽车的排放限值,而重型混合动力汽车的排放标准还没有出台,仍处于探索研究阶段。
3.2、I-IEV的部件评价指标
   除了混合动力整车测试外,还需进行动力总成部件的测试,主要包括电池系统评价、电机及其控制器的评价、发动机性能评价等。
(1) HEV电池系统的检验类型主要有出厂检验和型式检验,又根据蓄电池不同的类型(主要分为铅酸蓄电池、镍氢电池、锂电子蓄电池和锌空气蓄电池)进行不同的评价测试项目(如外观、质量及放电容量等)
(2) 电机及其控制器的检验类型主要有常规检验和型式检验,不同检验类型又包括不同的评价测试项目,例如:常规检验进行电机空载转速、耐电压、噪声、控制器过载能力及电压波动等项目,型式检验进行温度、湿度、温升及最高工作转速等检验项目。
(3) 发动机作为动力总成的主要部件,其性能的好坏在很大程度上影响了整车的评价性能,其评价测试指标主要包括净功率、最大功率、外特性、负荷特性、油耗、ESC或ETC下常规排放污染物的测量以及ELR烟度试验等。在整车控制系统、电机控制系统、电池控制系统以及发动机控制系统的协同作用下,HEV各个部件高效运转,能量得到最佳分配,发动机的工作状态也得到优化并始终工作在高效区域。与常规车辆相比,在不丧失动力性的条件下具有更好的排放效果和燃油经济性。因此,在对HEV进行性能评价测试时,混合动力总成首先在安全性和动力性方面达到法规要求,同时各个部件也要分别达到各件测试标准,在此基础之上再对其排放和燃油经济性能进行评价,确定其在节能减排方面的优劣。

4、结论
(1)和传统汽车一样,HEV整车测试和关键零部件测试都有相应的技术要求,在其满足常规性能要求
之后,再对其排放和燃油经济性能进行评价,从而确定其在节能减排方面的优劣;
(2)由于HEV具有独特的技术特点和运行方式,需要区别于常规车辆的测试方法。目前,适用于HEv测试技术的试验方法较多,国家相关测试标准还没有明确规定采用那种测试方法,还需要通过大量试验来做进一步的研究。
(3)台架测试设备尽可能使用高度集成化仪器;对所有测试单元之间的连线减少到最少,增强抗电磁干扰能力,确保系统精度;确保所有测量信号的同步性;现场连线简化到最少,可高效便捷的完成相关测试任务。