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配BSG的動力系統(tǒng)測試評價(jià)關(guān)鍵技術(shù)研究

2020-04-06 13:09:13·  來源：電動學(xué)堂  
　
作者單位：比亞迪汽車工業(yè)有限公司引言由于汽車保有量的逐年增加,交通擁堵現(xiàn)象愈發(fā)嚴(yán)重?導(dǎo)致汽車在城市中運(yùn)行時,怠速停車工況的占比越來越高?這不僅會導(dǎo)致車輛
作者單位：比亞迪汽車工業(yè)有限公司
 
引言
由于汽車保有量的逐年增加,交通擁堵現(xiàn)象愈發(fā)嚴(yán)重?導(dǎo)致汽車在城市中運(yùn)行時,怠速停車工況的占比越來越高?這不僅會導(dǎo)致車輛的經(jīng)濟(jì)性下降,還會使其排放惡化?面對環(huán)境和能源的雙重壓力,以及越來越嚴(yán)格的法規(guī)要求,我國各大汽車廠家及科研單位加大了對汽車新技術(shù)的研發(fā)?目前,由于結(jié)構(gòu)簡單?開發(fā)周期短?節(jié)能減排效果明顯,配BSG的動力系統(tǒng)廣受汽車廠商的歡迎?
 
部分國產(chǎn)汽車企業(yè),以及法雷奧?博世和大陸等國外零配件商多研發(fā)或應(yīng)用帶BSG的48V弱混系統(tǒng),而應(yīng)用帶BSG的高壓弱混系統(tǒng)的廣商極少?配BSG后,發(fā)動機(jī)可實(shí)現(xiàn)自動起停,并具有助力?爬行和能量回饋等功能?該系統(tǒng)可降低能耗?降低排放?提升加速性能?優(yōu)化駕駛性及NVH,是一種很有前景的方案?
 
針對配BSG的動力系統(tǒng)測試評價(jià)無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),而BSG全新關(guān)鍵產(chǎn)品的開發(fā)需要進(jìn)行全面系統(tǒng)考核及充分驗(yàn)證,確保其性能及可靠性滿足使用要求?如何進(jìn)行試驗(yàn)工程設(shè)計(jì),配合研發(fā)節(jié)點(diǎn),兼顧試驗(yàn)的合理性和規(guī)范性,既是重點(diǎn)也是難點(diǎn)?鑒于此,本文將開展配BSG的動力系統(tǒng)測試評價(jià)的關(guān)鍵技術(shù)研究?
 
1 BSG系統(tǒng)概述
1.1 BSG系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
BSG即帶驅(qū)動一體化起動/發(fā)電機(jī),可在傳統(tǒng)車輛基礎(chǔ)上取消起動機(jī),將傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)更換為BSG?它主要由BSG電機(jī)?高壓蓄電池包?電控單元?逆變器及DC/DC變換器等組成?BSG電機(jī)通過傳動帶與發(fā)動機(jī)相連?逆變器控制BSG電機(jī)的放電和發(fā)電功能:放電時,逆變器把動力蓄電池的直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電,驅(qū)動BSG電機(jī);發(fā)電時,逆變器把從BSG電機(jī)輸入的三相交流電轉(zhuǎn)換為直流電輸出?DC/DC變換器向車載附件（包括空調(diào)壓縮機(jī)?動力轉(zhuǎn)向泵等）提供電能,并保證常規(guī)12V電源的電量?系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示?
 
1.2 BSG系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)
配BSG系統(tǒng)的車輛相比于傳統(tǒng)車輛具有一定的優(yōu)越性,在動力性?經(jīng)濟(jì)性?排放及駕駛性等方面具有一定的優(yōu)勢,可降能耗?降排放?提升NVH性能?優(yōu)化駕駛性?提升加速性能等,行業(yè)內(nèi)也在大力推進(jìn)BSG系統(tǒng)的研發(fā)?
1.3 BSG系統(tǒng)的工作模式
BSG系統(tǒng)一般具有以下工作模式:
12V由機(jī)啟動?自動停機(jī)?自動起動?電爬行?電助力?離合器提前閉鎖?智能充電?制動能量回饋?滑行能量回饋?離合器解鎖等（圖2）?上述離合器指連接液力變矩器泵輪和渦輪的離合器,可根據(jù)不同條件以不同模式工作?
 
2 混合動力系統(tǒng)現(xiàn)有主要測試評價(jià)方法
2.1 現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)方法總體概述
現(xiàn)有混合動力系統(tǒng)的主要測試評價(jià)方法有GB/T18488—2015《電動汽車用驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)》?QC/T1069—2017《電動汽車用永磁同步驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)》?GB/T18297—2001《汽車發(fā)動機(jī)性能試驗(yàn)方法》和GB/T19055—2003《汽車發(fā)動機(jī)可靠性試驗(yàn)方法》等?
2.2 現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)方法適應(yīng)性分析
1）BSG系統(tǒng)的工作方式?產(chǎn)品特性等與傳統(tǒng)電動汽車用驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)存在一定差別,需要在參考現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,開展相關(guān)測試評價(jià)關(guān)鍵技術(shù)的研究,建立相應(yīng)的測試評價(jià)方法?
2）盡管我國分別在2001年和2003年建立了發(fā)動機(jī)性能和可靠性試驗(yàn)國家標(biāo)準(zhǔn),但隨著發(fā)動機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步,汽車質(zhì)保時間或使用壽命的加長,發(fā)動機(jī)實(shí)際行駛的工況更加復(fù)雜多變,標(biāo)準(zhǔn)能否有效對現(xiàn)有發(fā)動機(jī)進(jìn)行可靠性考核是值得商榷的?另外,配備BSG系統(tǒng)后,發(fā)動機(jī)的運(yùn)行特性?工作方式等均有所變化,需要建立相應(yīng)的性能及可靠性試驗(yàn)方法?
3）為使BSG系統(tǒng)特定功能更接近實(shí)車狀態(tài),其功能實(shí)現(xiàn)需要與不同系統(tǒng)進(jìn)行耦合,例如起停功能需要與發(fā)動機(jī)系統(tǒng)耦合,換檔輔助功能需要與動力總成系統(tǒng)耦合,制動能量回饋功能需要在整車上開展等?因此,針對BSG系統(tǒng)非常有必要開展相關(guān)的測試評價(jià)關(guān)鍵技術(shù)研究,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的全面系統(tǒng)考核和充分驗(yàn)證?
3 配BSG的動力系統(tǒng)測試評價(jià)關(guān)鍵技術(shù)研究
3.1 不同角度測評及系統(tǒng)解耦
3.1.1 背景
BSG系統(tǒng)作為全新開發(fā)的關(guān)鍵產(chǎn)品,功能多,牽涉的系統(tǒng)多（零部件-系統(tǒng)-整車）,若不考慮系統(tǒng)集成考核,按照傳統(tǒng)的方法進(jìn)行單一測試評價(jià),則不能保證產(chǎn)品全面考核及充分測評?
3.1.2 技術(shù)研究
為進(jìn)行BSG產(chǎn)品全面考核及充分測評,研究了其使用特性（包含工作環(huán)境?工作方式?功能特點(diǎn)和設(shè)計(jì)壽命等）,重點(diǎn)從試驗(yàn)考核角度出發(fā),建立7大維度進(jìn)行測評,通過4大系統(tǒng)開展實(shí)施（圖3）?
 
（1）7大測評維度7大測評維度包含化學(xué)類測評?環(huán)境適應(yīng)性測評?功能及安全測評?耐久性測評?機(jī)械性能測評?性能測評和EMC測評（表1）,每個維度里又包含多個試驗(yàn)項(xiàng)目,力爭可完整擬蓋產(chǎn)品的各種特性?
 
 
（2）4大解耦系統(tǒng)實(shí)施根據(jù)BSG實(shí)現(xiàn)的功能或控制策略需要耦合的動力總成的不同,以及考核覆蓋點(diǎn)的不同,將其劃分為4大系統(tǒng)（表2）?實(shí)現(xiàn)了部件-系統(tǒng)-整車的產(chǎn)品測試鏈,既考慮了產(chǎn)品本身的特性,也考慮了集成系統(tǒng)后的特性?各解耦系統(tǒng)測評維度有所側(cè)重,BSG系統(tǒng)分別考核BSG電機(jī)?BSG電控以及BSG系統(tǒng),覆蓋所有7大測評維度?配BSG的發(fā)動機(jī)系統(tǒng),起停?助力等功能的實(shí)現(xiàn)需要與發(fā)動機(jī)系統(tǒng)耦合,要進(jìn)行起停?發(fā)電耐久及性能考核?配BSG的動力總成系統(tǒng),換檔輔助等功能的實(shí)現(xiàn)需要與動力總成系統(tǒng)耦合,主要進(jìn)行綜合耐久及性能考核?配BSG的整車,制動能量回饋等功能的實(shí)現(xiàn)需要在整車上開展,主要進(jìn)行性能考核?
 
3.2 各解耦系統(tǒng)測試評價(jià)方法
3.2.1 測試評價(jià)方法建立原則
1）各解耦系統(tǒng)單獨(dú)進(jìn)行測評?
2）多維度組合測試,以縮短測評考核時間,更接近真實(shí)應(yīng)用條件,易于發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)?
3）各解耦系統(tǒng)考核的維度有所側(cè)重?
4）單獨(dú)進(jìn)行各解耦系統(tǒng)及各維度試驗(yàn)的評價(jià)?
3.2.2 BSG系統(tǒng)
（1）溫變循環(huán)耐久試驗(yàn)單維度分別考核試驗(yàn)時間長,考慮如何在環(huán)境適應(yīng)性?機(jī)械性能及耐久性等復(fù)合維度下,進(jìn)行BSG電機(jī)+BSG電控+輪系的組合考核?
a.考慮BSG的特性,需要同步考慮起動機(jī)?發(fā)電機(jī)和輪系原有的特性?
b.綜合考慮環(huán)境溫度（溫濕度）?冷卻液溫度及流量電機(jī)的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩特性?轉(zhuǎn)矩加載及卸載的斜率?
c.建立溫變循環(huán)耐久試驗(yàn)方法,單個試驗(yàn)循環(huán)12h,總時間800hQ控制環(huán)境條件如圖4所示,運(yùn)行工況如圖5所示?
 
 
（2）測試評價(jià)BSG系統(tǒng)分為BSG電機(jī)控制器?BSG電機(jī)和BSG系統(tǒng)三類開展測試評價(jià),覆蓋零部件到系統(tǒng),共7大試驗(yàn)維度,82個試驗(yàn)項(xiàng)目?
3.2.3 配BSG的發(fā)動機(jī)系統(tǒng)
（1）發(fā)電耐久試驗(yàn)BSG系統(tǒng)的發(fā)電是其主要功能之一,功能的實(shí)現(xiàn)需要與發(fā)動機(jī)耦合,與傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)搭配發(fā)電機(jī)和起動機(jī)存在很大賦別,考慮如何對BSG系統(tǒng)發(fā)電可靠性進(jìn)行有效考核?
a.結(jié)合發(fā)電控制策略,綜合考慮從加速加矩?加速減矩?減速加矩及減速減矩等四個方面,以及在發(fā)動機(jī)加減速過程中發(fā)動機(jī)的負(fù)荷（加速加負(fù)荷?減速減負(fù)荷?恒速滿負(fù)荷等）變化情況,并增加高速交變部分（重點(diǎn)考核發(fā)機(jī)）?
b.制定發(fā)電耐久試驗(yàn)（工況如圖5所示）,其中電機(jī)冷卻液溫度及流量按技術(shù)要求確定?
（2）起動性能試驗(yàn)駕駛性提升及降油耗是BSG系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn),考慮如何在裝車前提供臺架試驗(yàn),判斷BSG系統(tǒng)駕駛性及油耗的優(yōu)劣性?
傳統(tǒng)起動機(jī)有相關(guān)的試驗(yàn)方法,以評價(jià)起動性能的好壞?對于BSG的起動,結(jié)合其特性,提煉了若干指標(biāo)作為其起動性能的評價(jià),圖6所示?
 
（3）測試評價(jià)本解耦系統(tǒng)重點(diǎn)進(jìn)行發(fā)電耐久試驗(yàn)及起停耐久試驗(yàn),其中性能初復(fù)試性能項(xiàng)目分別有10項(xiàng)和8項(xiàng)?通過樣品故障狀態(tài)和性能劣化率兩個角度進(jìn)行評價(jià)?
3.3 臺架可靠性里程等效研究
通過分析疲勞過程中的外在表現(xiàn)情況（張緊器的加速度/位移）,結(jié)合疲勞損傷理論,計(jì)算臺架工況相對路試工況的加速因子?建立了一套臺架完整的可靠性等效計(jì)算方法流程（定義系統(tǒng)目標(biāo)-數(shù)據(jù)/信息收集-建立FP文件-可靠性分可靠性評估-等效計(jì)算-校核修正）,如圖7所示?
 
3.3.1系統(tǒng)分析
1）失效的主要位置一張緊器?
2）BSG系統(tǒng)最薄弱點(diǎn)-集中表現(xiàn)為張緊器最早失效（斷裂?變形）?
3）失效對系統(tǒng)的影響-前端輪系（圖8）無法正常?
4）失效的內(nèi)因-張緊器受到交變循環(huán)應(yīng)力的不斷作用,產(chǎn)生周期疲勞?
5）損傷的外在表現(xiàn)形式-張緊器的振動（加速度/位移）?
 
3.3.2 計(jì)算建模
（1）數(shù)據(jù)的收集—不同工況下張緊器振動加速度和位移臺架工況（以配BSG的發(fā)動機(jī)系統(tǒng),發(fā)電耐久試驗(yàn)工況為名）和路試7種工況:景區(qū)嚴(yán)重?fù)矶鹿r?鵝公巖工況?城市中度擁堵工況?韶關(guān)山路?城市快速路工況?韶關(guān)高速工況?城市輕度擁堵工況?
（2）數(shù)據(jù)的處理—基于雨流計(jì)數(shù)法的偽損傷計(jì)算通過雨流計(jì)數(shù)法提取出不同工況的載荷譜,線性累加損傷實(shí)現(xiàn)臺架工況和路譜工況的等效?
3.3.3 等效分析及結(jié)果評估
 
經(jīng)過雨流計(jì)數(shù)法的處理,可以對不同工況的強(qiáng)度進(jìn)行分析（表3）?進(jìn)一步通過對不同道路工況的占比進(jìn)行分配,計(jì)算出綜合道路工況的強(qiáng)度,與臺架工況強(qiáng)度進(jìn)行對比,計(jì)算出實(shí)際等效值一km數(shù)?
1）臺架工況相對于其他路試工況組合的綜合工況的加速因子為4.07?
2）臺架工況在臺架上的耐久試驗(yàn)共進(jìn)行了890h，81.19km/h，相當(dāng)于率實(shí)際行駛的距離為4.07·890h·81.19km/h=29.41萬km。
3）臺架可靠性考核與設(shè)計(jì)的使用里程等效?
 
4 結(jié)論
BSG系統(tǒng)作為全新開發(fā)的關(guān)鍵產(chǎn)品,需要配合研發(fā)節(jié)點(diǎn),開展測試評價(jià)關(guān)鍵技術(shù)研究,兼顧試驗(yàn)的合理性和規(guī)范性,提升系統(tǒng)試驗(yàn)的協(xié)同匹配能力,高效進(jìn)行試驗(yàn)資源?方法?計(jì)劃的準(zhǔn)備和實(shí)施,建立測試評價(jià)體系,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的全面考核和充分驗(yàn)證?
關(guān)于配BSG的動力系統(tǒng)測試評價(jià)關(guān)鍵技術(shù)研究,本文主要有以下三個方面的結(jié)論:
1）通過對BSG產(chǎn)品不同角度測評及系統(tǒng)解耦,可以完整覆蓋產(chǎn)品的各種特性,以及各種解耦系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的臺架驗(yàn)證與考核?
2）對于BSG產(chǎn)品的測試評價(jià),需要通過試驗(yàn)研究及試驗(yàn)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)多維度組合測試,以縮短測評考核時間,更接近真實(shí)應(yīng)用條件,易于發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)?
3）通過臺架可靠性里程等效研究及計(jì)算,可以校核臺架耐久試驗(yàn)工況與整車設(shè)計(jì)使用里程的吻合度,避免由于欠考核造成產(chǎn)品使用時間不滿足設(shè)計(jì)要求,或者由于過考核造成試驗(yàn)成本提高?
研究結(jié)果的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的全面考核和充分驗(yàn)證,助力研發(fā)快速推進(jìn),提升產(chǎn)品品質(zhì)?同時建立測試評價(jià)體系,對后續(xù)相關(guān)全新動力系統(tǒng)產(chǎn)品具有重要指導(dǎo)意義?
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