配BSG的动力系统测试评价关键技术研究

2020-04-06 13:09:13·  来源:电动学堂  
 
作者单位:比亚迪汽车工业有限公司引言由于汽车保有量的逐年增加,交通拥堵现象愈发严重、导致汽车在城市中运行时,怠速停车工况的占比越来越高。这不仅会导致车辆
作者单位:比亚迪汽车工业有限公司
 
引言
由于汽车保有量的逐年增加,交通拥堵现象愈发严重、导致汽车在城市中运行时,怠速停车工况的占比越来越高。这不仅会导致车辆的经济性下降,还会使其排放恶化。面对环境和能源的双重压力,以及越来越严格的法规要求,我国各大汽车厂家及科研单位加大了对汽车新技术的研发。目前,由于结构简单、开发周期短、节能减排效果明显,配BSG的动力系统广受汽车厂商的欢迎。
 
部分国产汽车企业,以及法雷奥、博世和大陆等国外零配件商多研发或应用带BSG的48V弱混系统,而应用带BSG的高压弱混系统的广商极少。配BSG后,发动机可实现自动起停,并具有助力、爬行和能量回馈等功能。该系统可降低能耗、降低排放、提升加速性能、优化驾驶性及NVH,是一种很有前景的方案。
 
针对配BSG的动力系统测试评价无相关标准,而BSG全新关键产品的开发需要进行全面系统考核及充分验证,确保其性能及可靠性满足使用要求。如何进行试验工程设计,配合研发节点,兼顾试验的合理性和规范性,既是重点也是难点。鉴于此,本文将开展配BSG的动力系统测试评价的关键技术研究。
 
1 BSG系统概述
1.1 BSG系统结构
BSG即带驱动一体化起动/发电机,可在传统车辆基础上取消起动机,将传统发电机更换为BSG。它主要由BSG电机、高压蓄电池包、电控单元、逆变器及DC/DC变换器等组成。BSG电机通过传动带与发动机相连。逆变器控制BSG电机的放电和发电功能:放电时,逆变器把动力蓄电池的直流电转换为三相交流电,驱动BSG电机;发电时,逆变器把从BSG电机输入的三相交流电转换为直流电输出。DC/DC变换器向车载附件(包括空调压缩机、动力转向泵等)提供电能,并保证常规12V电源的电量。系统结构如图1所示。
 
1.2 BSG系统优点
配BSG系统的车辆相比于传统车辆具有一定的优越性,在动力性、经济性、排放及驾驶性等方面具有一定的优势,可降能耗、降排放、提升NVH性能、优化驾驶性、提升加速性能等,行业内也在大力推进BSG系统的研发。
1.3 BSG系统的工作模式
BSG系统一般具有以下工作模式:
12V由机启动、自动停机、自动起动、电爬行、电助力、离合器提前闭锁、智能充电、制动能量回馈、滑行能量回馈、离合器解锁等(图2)。上述离合器指连接液力变矩器泵轮和涡轮的离合器,可根据不同条件以不同模式工作。
 
2 混合动力系统现有主要测试评价方法
2.1 现有标准方法总体概述
现有混合动力系统的主要测试评价方法有GB/T18488—2015《电动汽车用驱动电机系统》、QC/T1069—2017《电动汽车用永磁同步驱动电机系统》、GB/T18297—2001《汽车发动机性能试验方法》和GB/T19055—2003《汽车发动机可靠性试验方法》等。
2.2 现有标准方法适应性分析
1)BSG系统的工作方式、产品特性等与传统电动汽车用驱动电机系统存在一定差别,需要在参考现有标准的基础上,开展相关测试评价关键技术的研究,建立相应的测试评价方法。
2)尽管我国分别在2001年和2003年建立了发动机性能和可靠性试验国家标准,但随着发动机技术的不断进步,汽车质保时间或使用寿命的加长,发动机实际行驶的工况更加复杂多变,标准能否有效对现有发动机进行可靠性考核是值得商榷的。另外,配备BSG系统后,发动机的运行特性、工作方式等均有所变化,需要建立相应的性能及可靠性试验方法。
3)为使BSG系统特定功能更接近实车状态,其功能实现需要与不同系统进行耦合,例如起停功能需要与发动机系统耦合,换档辅助功能需要与动力总成系统耦合,制动能量回馈功能需要在整车上开展等。因此,针对BSG系统非常有必要开展相关的测试评价关键技术研究,实现产品的全面系统考核和充分验证。
3 配BSG的动力系统测试评价关键技术研究
3.1 不同角度测评及系统解耦
3.1.1 背景
BSG系统作为全新开发的关键产品,功能多,牵涉的系统多(零部件-系统-整车),若不考虑系统集成考核,按照传统的方法进行单一测试评价,则不能保证产品全面考核及充分测评。
3.1.2 技术研究
为进行BSG产品全面考核及充分测评,研究了其使用特性(包含工作环境、工作方式、功能特点和设计寿命等),重点从试验考核角度出发,建立7大维度进行测评,通过4大系统开展实施(图3)。
 
(1)7大测评维度7大测评维度包含化学类测评、环境适应性测评、功能及安全测评、耐久性测评、机械性能测评、性能测评和EMC测评(表1),每个维度里又包含多个试验项目,力争可完整拟盖产品的各种特性。
 
 
(2)4大解耦系统实施根据BSG实现的功能或控制策略需要耦合的动力总成的不同,以及考核覆盖点的不同,将其划分为4大系统(表2)。实现了部件-系统-整车的产品测试链,既考虑了产品本身的特性,也考虑了集成系统后的特性。各解耦系统测评维度有所侧重,BSG系统分别考核BSG电机、BSG电控以及BSG系统,覆盖所有7大测评维度。配BSG的发动机系统,起停、助力等功能的实现需要与发动机系统耦合,要进行起停、发电耐久及性能考核。配BSG的动力总成系统,换档辅助等功能的实现需要与动力总成系统耦合,主要进行綜合耐久及性能考核。配BSG的整车,制动能量回馈等功能的实现需要在整车上开展,主要进行性能考核。
 
3.2 各解耦系统测试评价方法
3.2.1 测试评价方法建立原则
1)各解耦系统单独进行测评。
2)多维度组合测试,以缩短测评考核时间,更接近真实应用条件,易于发现产品风险点。
3)各解耦系统考核的维度有所侧重。
4)单独进行各解耦系统及各维度试验的评价。
3.2.2 BSG系统
(1)温变循环耐久试验单维度分别考核试验时间长,考虑如何在环境适应性、机械性能及耐久性等复合维度下,进行BSG电机+BSG电控+轮系的组合考核。
a.考虑BSG的特性,需要同步考虑起动机、发电机和轮系原有的特性。
b.综合考虑环境温度(温湿度)、冷却液温度及流量电机的转速及转矩特性、转矩加载及卸载的斜率。
c.建立温变循环耐久试验方法,单个试验循环12h,总时间800hQ控制环境条件如图4所示,运行工况如图5所示。
 
 
(2)测试评价BSG系统分为BSG电机控制器、BSG电机和BSG系统三类开展测试评价,覆盖零部件到系统,共7大试验维度,82个试验项目。
3.2.3 配BSG的发动机系统
(1)发电耐久试验BSG系统的发电是其主要功能之一,功能的实现需要与发动机耦合,与传统的发动机搭配发电机和起动机存在很大赋别,考虑如何对BSG系统发电可靠性进行有效考核。
a.结合发电控制策略,综合考虑从加速加矩、加速减矩、减速加矩及减速减矩等四个方面,以及在发动机加减速过程中发动机的负荷(加速加负荷、减速减负荷、恒速满负荷等)变化情况,并增加高速交变部分(重点考核发机)。
b.制定发电耐久试验(工况如图5所示),其中电机冷却液温度及流量按技术要求确定。
(2)起动性能试验驾驶性提升及降油耗是BSG系统的优点,考虑如何在装车前提供台架试验,判断BSG系统驾驶性及油耗的优劣性。
传统起动机有相关的试验方法,以评价起动性能的好坏。对于BSG的起动,结合其特性,提炼了若干指标作为其起动性能的评价,图6所示。
 
(3)测试评价本解耦系统重点进行发电耐久试验及起停耐久试验,其中性能初复试性能项目分别有10项和8项。通过样品故障状态和性能劣化率两个角度进行评价。
3.3 台架可靠性里程等效研究
通过分析疲劳过程中的外在表现情况(张紧器的加速度/位移),结合疲劳损伤理论,计算台架工况相对路试工况的加速因子。建立了一套台架完整的可靠性等效计算方法流程(定义系统目标-数据/信息收集-建立FP文件-可靠性分可靠性评估-等效计算-校核修正),如图7所示。
 
3.3.1系统分析
1)失效的主要位置一张紧器。
2)BSG系统最薄弱点-集中表现为张紧器最早失效(断裂、变形)。
3)失效对系统的影响-前端轮系(图8)无法正常。
4)失效的内因-张紧器受到交变循环应力的不断作用,产生周期疲劳。
5)损伤的外在表现形式-张紧器的振动(加速度/位移)。
 
3.3.2 计算建模
(1)数据的收集—不同工况下张紧器振动加速度和位移台架工况(以配BSG的发动机系统,发电耐久试验工况为名)和路试7种工况:景区严重拥堵工况、鹅公岩工况、城市中度拥堵工况、韶关山路、城市快速路工况、韶关高速工况、城市轻度拥堵工况。
(2)数据的处理—基于雨流计数法的伪损伤计算通过雨流计数法提取出不同工况的载荷谱,线性累加损伤实现台架工况和路谱工况的等效。
3.3.3 等效分析及结果评估
 
经过雨流计数法的处理,可以对不同工况的强度进行分析(表3)。进一步通过对不同道路工况的占比进行分配,计算出综合道路工况的强度,与台架工况强度进行对比,计算出实际等效值一km数。
1)台架工况相对于其他路试工况组合的综合工况的加速因子为4.07。
2)台架工况在台架上的耐久试验共进行了890h,81.19km/h,相当于率实际行驶的距离为4.07·890h·81.19km/h=29.41万km。
3)台架可靠性考核与设计的使用里程等效。
 
4 结论
BSG系统作为全新开发的关键产品,需要配合研发节点,开展测试评价关键技术研究,兼顾试验的合理性和规范性,提升系统试验的协同匹配能力,高效进行试验资源、方法、计划的准备和实施,建立测试评价体系,实现产品的全面考核和充分验证。
关于配BSG的动力系统测试评价关键技术研究,本文主要有以下三个方面的结论:
1)通过对BSG产品不同角度测评及系统解耦,可以完整覆盖产品的各种特性,以及各种解耦系统功能实现的台架验证与考核。
2)对于BSG产品的测试评价,需要通过试验研究及试验设计,实现多维度组合测试,以缩短测评考核时间,更接近真实应用条件,易于发现产品风险点。
3)通过台架可靠性里程等效研究及计算,可以校核台架耐久试验工况与整车设计使用里程的吻合度,避免由于欠考核造成产品使用时间不满足设计要求,或者由于过考核造成试验成本提高。
研究结果的应用可以实现产品的全面考核和充分验证,助力研发快速推进,提升产品品质。同时建立测试评价体系,对后续相关全新动力系统产品具有重要指导意义。
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