一种弱混合动力汽车动力系统电气部件的测试系统及方法

摘要

本发明公开了一种弱混合动力汽车动力系统电气部件的测试系统及方法，该系统包括：BSG电机模块，包括BSG电机及BSG电机控制器；测功机模块，包括测功机、测控仪和转速转矩传感器，以及变频器或逆变器；动力电源模块，包括动力蓄电池、电池管理系统、程控电源及程控电源控制器；附属电气系统负载模拟模块，包括DC/DC变换器和附属电气系统负载等；上位机模块。该方法采用半实物仿真的原理，测功机模拟发动机对BSG电机模块进行试验测试，实现对弱混合动力系统电气部件在BSG电机起动发动机、发动机带动BSG电机发电、再生制动、怠速停车时电池单独供电驱动负载等各种工况下的寿命实验，可降低试验成本，缩短整车性能的试验周期，提高产品开发的速度。

说明书

技术领域

本发明属于弱混合动力汽车试验测试技术领域，具体涉及一种弱混合动力 汽车动力系统电气部件的测试系统及方法。

背景技术

弱混合动力汽车与传统燃油汽车的最大区别是在车辆满足停机条件时，发 动机断油停机，而在加速踏板再次踩下时，BSG电机或智能起停电机便会自动 启动发动机，从而减小车辆怠速阶段的油耗和排放，改善发动机的起动性能， 达到节能环保的目的。因此，与传统汽车的研发相比，弱混合动力汽车的研发 和试验主要集中在电机及其控制、动力电池、制动能量回收、传动系统及整车 匹配等方面。

与传统汽车相比，弱混合动力汽车上动力系统关键部件的要求非常高，例 如电机、电池和皮带要通过50万次和24万公里的寿命试验，如果完全采用传 统的试验测试方法，会导致产品开发周期和成本非常高，因此在整车和零部件 开发生产过程中，急需一种模拟试验设备来提高开发速度，降低开发成本。

目前公开号为CN101261190的中国发明专利公开了一种混合动力汽车控制 器寿命测试系统及测试方法，在该测试系统中，BSG控制器被置于高湿度和高 低温循环的环境中接受寿命测试，BSG控制器的供电电压也将在一个很宽的范 围内进行循环波动。这样，通过对BSG控制器一个相对较短时间的测试，能够 估算出BSG控制器的潜在工作寿命。但是，该专利仅在设计验证和生产验证阶 段对控制器寿命进行测试，无法进行控制系统性能测试，无法实现为控制系统 设计提供设计依据和进行设计验证，以达到降低设计风险的目的。

另外，公开号为CN102023635A的中国发明专利公开了一种微混合动力汽 车控制器性能测试方法及系统，其以计算机控制采集BSG控制器和程控电源的 电信号以及通过液压装置施加在BSG电机的阻转矩的信号，对BSG电机特性进 行测试。该发明便于在微混合动力汽车的研发过程中对研发的技术方案进行检 验，实现为控制系统设计提供设计依据和进行设计验证，以达到降低设计风险 的目的。但是该液压加载机构控制系统复杂，液压系统控制精度有限，阻转矩 反应不灵敏，因此该发明适合采用两套系统分别模拟BSG电机系统发电工况和 电动工况，但针对一套BSG电机系统，实现电动起动与回馈发电之间循环转换 较困难。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种弱混合动力 汽车动力系统电气部件的测试系统，该系统不消耗燃油，不排放尾气，具有成 本低、节能环保的优点，根据弱混合动力系统及关键部件的工作原理和特点， 通过模拟发动机工作情况，进行BSG电机系统性能测试和试验，可以缩短整车 性能的试验周期，提高产品开发的速度。

本发明的另一个目的在于提供一种基于上述弱混合动力汽车动力系统电气 部件的测试系统的测试方法。该方法采用半实物仿真的原理，能够实现对弱混 合动力系统电气部件在BSG电机起动发动机、发动机带动BSG电机发电、再生 制动、怠速停车时电池单独供电驱动附属电气系统负载等各种工况下的寿命实 验。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种弱混合动力汽车动力系统电 气部件的测试系统，包括BSG电机模块、测功机模块、动力电源模块和上位机 模块，其中BSG电机模块、测功机模块、动力电源模块均分别通过数据线与上 位机模块进行通讯；所述BSG电机模块包括BSG电机和BSG电机控制器；所 述测功机模块包括测功机和测控仪，BSG电机一端的带轮通过传动皮带与测功 机输出轴的带轮连接，测控仪用于对测功机的工作模式进行控制，测功机用于 模拟发动机对BSG电机模块进行试验测试；所述动力电源模块包括动力蓄电池、 电池管理系统，用于为测试系统进行供电；所述上位机模块用于接收各模块传 来的工作参数，对参数进行处理，然后通过数据线向各模块输出控制指令。本 发明利用测功机模拟发动机对BSG电机模块进行试验测试，不需要将BSG电机 安装在真实发动机上，从而避免在试验测试过程中产生大量的燃油消耗和废气 排放，实现节能环保的目的。

优选的，所述测试系统还包括附属电气系统负载模拟模块，该模块包括 DC/DC变换器和附属电气系统负载，附属电气系统负载通过DC/DC变换器与动 力电源模块相连，用来模拟怠速停车时由动力电源模块供电的附属电气系统负 载工作情况。

优选的，所述BSG电机模块、测功机模块、动力电源模块、附属电气系统 负载模拟模块均通过CAN总线与上位机模块进行通讯。从而使各模块之间协调 工作，大大减少连接线束的数量，避免信号干扰对测试结果的影响，使试验测 试结果更加精确。当然，在实际应用中，各模块也可以根据需要通过RS232、 RS485、LIN线或硬线等现有的连接方式连接上位机。

优选的，所述动力电源模块还包括程控电源和程控电源控制器，动力蓄电 池通过共直流母线的方式与程控电源连接；所述程控电源控制器用于对程控电 源的输出电压、电流进行控制，模拟不同规格的动力蓄电池。在测试过程中， 程控动力电源和动力蓄电池均可作为测试系统的供电电源。这一功能在仅针对 BSG电机进行测试，并且被测的各BSG电机工作电压规格不同时非常有用，因 为不需要花高额的费用购买相应规格的动力蓄电池及电池管理系统。

优选的，所述测功机为电力测功机，通过变频器或逆变器连接到电网上。 在测功机由BSG电机起动时，测功机工作在发电状态时，产生的电经变频器或 逆变器转换后回馈电网。在测功机驱动BSG电机发电时，测功机工作在电动状 态，测功机由交流电网供电。

更进一步的，所述测功机模块还包括一个转速转矩传感器，用于实时监测 测功机输入或输出的转速和转矩。

一种基于上述测试系统的测试方法，测功机模拟发动机对BSG电机模块进 行试验测试，动力电源模块为测试系统进行供电，上位机模块通过数据线将预 设的测功机的目标转速、目标转矩、目标负荷发送到测控仪，测控仪对测功机 的工作模式进行控制，测功机输出轴的带轮通过传动皮带带动BSG电机一端的 带轮转动，从而实现BSG电机起动发动机、测功机模拟发动机带动BSG电机发 电、再生制动工况的测试。

具体的，所述BSG电机起动发动机的工况测试，测试方法是：

（1-1）上位机模块预先设置测功机模拟发动机工作在起动工况下的阻转矩 曲线和起动结束转速，并传输到测功机模块的测控仪；

（1-2）BSG电机上电工作，拖动测功机运转，测控仪根据阻转矩曲线调节 测功机模拟发动机在起动工况下的阻转矩，模拟汽车起动过程；

（1-3）一旦当前测功机的阻转矩与阻转矩曲线相符，则进一步判断当前测 功机转速是否大于起动结束转速，如果是，则说明起动成功，结束测试，否则， 说明起动失败，结束测试。

具体的，所述测功机模拟发动机带动BSG电机发电工况测试，测试方法是：

（2-1）上位机模块预先设置测功机模拟发动机工作在发电工况下的驱动转 矩和转速曲线、BSG电机输出电压和电流的限值，并将驱动转矩和转速曲线传 输到测功机模块的测控仪；

（2-2）测控仪驱动测功机按照设定的驱动转矩和转速曲线运转，进而经由 皮带驱动BSG电机发电；

（2-3）BSG电机通过动力电池模块中的BSG电机放电回路将电能输入动 力电池模块，上位机检测动力电池模块中电源的放电电流和电压，并与预设的 BSG电机输出电压和电流的限值比较，如果超过限值，则切断BSG电机放电回 路，结束测试，否则，重复步骤（2-2）。

具体的，所述再生制动工况测试，测试方式是：

（3-1）上位机模块预先设置测功机模拟发动机工作在制动工况下的惯性转 矩曲线、测功机模拟发动机开始制动前的驱动转速和制动时的惯性转矩、BSG 电机输出电压和电流的限值，并将惯性转矩曲线传输到测功机模块的测控仪；

（3-2）测控仪驱动测功机按照设定的开始制动前的驱动转速稳定运转若干 分钟；

（3-3）测控仪驱动测功机按照惯性转矩曲线运转，同时经由皮带驱动BSG 电机发电；

（3-4）BSG电机通过动力电池模块中的BSG电机放电回路将电能输入动 力电池模块，上位机检测动力电池模块中电源的放电电流和电压，并与预设的 BSG电机输出电压和电流的限值比较，如果超过限值，则切断BSG电机放电回 路，结束测试，否则，重复步骤（3-3）。

具体的，所述测试方法还包括怠速停车时，动力电源模块对附属电气系统 负载模拟模块进行单独供电的测试，测试方法是：

（4-1）设置动力电源模块的工作方式，即选择采用程控电源单独工作或者 动力蓄电池单独工作；

（4-2）若采用动力蓄电池进行单独供电测试：动力蓄电池向附属电气系统 负载供电，上位机模块控制附属电气系统负载工作，DC/DC变换器反馈附属电 气系统负载工作电流和电压数据给上位机模块，同时上位机模块也采集动力蓄 电池当前的SOC值；一旦动力蓄电池的SOC(State of Charge，荷电状态)降低到 预设值，则关闭附属电气系统负载，停止测试，记录测试持续的时间及测试过 程中附属电气系统负载工作电流和电压曲线；

（4-3）若采用程控电源进行单独供电测试：设定程控电源每循环模拟电池 能量衰减系数、循环次数和循环终止条件，程控电源模拟动力蓄电池向附属电 气系统负载供电，上位机模块控制附属电气系统负载工作，DC/DC变换器反馈 附属电气系统负载工作电流和电压数据给上位机模块，同时上位机模块也采集 程控电源所模拟的动力蓄电池当前的SOC值；一旦程控电源循环次数、循环终 止条件符合设定的条件，且程控电源所模拟的动力电池的SOC降低到预设值， 则关闭附属电气系统负载，停止测试，记录测试持续的时间及测试过程中附属 电气系统负载工作电流和电压曲线。

更进一步的，所述程控电源内带有放电电阻及放电控制开关，上位机模块 通过程控电源控制器获取程控电源的工作状态、设置程控电源的电压和电流、 程控电源的开闭、程控电源中放电控制开关的开闭，上位机通过电池管理系统 获取动力蓄电池的工作状态，设置动力蓄电池的充放电终止条件、电压限额、 电流限额和温度限额，打开和关闭电池的放电电路；当采用程控电源作为BSG 电机的供电电源时，BSG电机工作在发电模式时，闭合放电控制开关，通过放 电电阻释放电能；当采用程控电源和动力蓄电池共同作为供电电源时，断开放 电控制开关，BSG电机工作在发电模式时，所发出电量由动力蓄电池回收。从 而不仅可以对BSG电机的能量进行有效的回收，还能够满足不同工作电压规格 的BSG电机及其控制器的测试用电需求，实现检验BSG电机模块与动力电源模 块是否匹配的目的。

优选的，所述测功机的工作模式包括正转模式或反转模式、恒转矩模式或 恒转速模式、启动和停止。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明采用半实物仿真的原理，实现对弱混合动力系统电气部件在BSG 电机起动发动机、发动机带动BSG电机发电、再生制动、怠速停车时电池单独 供电驱动附属电气系统负载等各种工况下的寿命实验，本发明可直接对弱混合 动力汽车各种工况下的电气部件性能进行全面的试验测试，同时也可对弱混合 动力汽车动力系统关键部件单独试验测试，降低与发动机一起进行试验的高成 本，缩短整车性能的试验周期，提高了产品开发的速度。

2、本发明装置中利用测功机模拟发动机对BSG电机模块进行试验测试， 不需要将BSG电机安装在真实发动机上，从而避免在试验测试过程中产生大量 的燃油消耗和废气排放，改善了试验环境。而现有技术将BSG电机装配到发动 机上进行试验测试，造成燃油消耗和废气污染问题。

3、本发明不仅可以对BSG电机及其控制器进行试验测试，还可以检验BSG 电机模块与动力电源模块的匹配情况，甚至还可以对动力电源模块进行单独的 试验测试，检验动力电源模块是否满足BSG电机模块对动力电源的功率、寿命、 充电性能和放电性能等性能参数的要求。现有技术仅对BSG电机及其控制器进 行测试，而未对与之关系密切的动力电池模块进行匹配测试，BSG电机的选型 设计与测试和动力电池模块的选型、设计与测试分别进行，容易导致后期整车 测试时两个模块不匹配的风险较高。

4、本发明中上位机模块通过CAN总线与测功机模块、BSG电机模块、动 力电源模块进行连接，使各模块之间协调工作，同时大大减少了连接线束的数 量，进而避免信号干扰对测试结果的影响，试验测试结果更加精确。现有技术 或者直接采用导线连接，或者采用多种总线系统连接，系统线束数量多，干扰 严重。

5、本发明中采用程控电源及其控制器、动力蓄电池及其管理系统作为动力 电源模块，其中程控电源可满足不同工作电压规格的BSG电机的实验测试需求， 程控电源和动力蓄电池采用共直流母线的方式连接，通过断开程控电源的放电 开关，利用蓄电池回收BSG电机发电时释放的能量，从而实现能量回收，达到 节能的效果。现有技术或者仅有程控电源，从而不能对BSG电机的能量进行有 效的回收，不能进行动力蓄电池与BSG电机的匹配测试；或者仅有动力蓄电池， 从而不能满足不同工作电压规格的BSG电机及其控制器的测试用电需求。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图；

图2是BSG电机起动发动机的工况测试流程图；

图3是测功机模拟发动机带动BSG电机发电工况测试流程图；

图4是再生制动工况测试流程图；

图5是动力电源模块对附属电气系统负载模拟模块进行单独供电的测试流 程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方 式不限于此。

实施例1

如图1所示，一种弱混合动力汽车动力系统电气部件的测试系统包括（1） BSG电机模块，包括BSG电机及BSG电机控制器；（2）测功机模块，包括电 力测功机、变频器/逆变器、测控仪和转速转矩传感器。（3）动力电源模块，包 括动力蓄电池、电池管理系统、程控电源及程控电源控制器。(4)附属电气系统 负载模拟模块，包括DC/DC变换器和电动空调压缩机（附属电气系统负载）等。 （5）上位机模块，用于进行数据采集、数据处理、控制输出和显示输出。

其中，BSG电机模块、测功机模块、动力电源模块均分别通过CAN总线与 上位机模块进行通讯。BSG电机一端的带轮通过传动皮带与测功机输出轴的带 轮连接，测控仪用于对测功机的工作模式进行控制，这里所述的工作模式包括 正转模式或反转模式、恒转矩模式或恒转速模式、启动和停止。测功机用于模 拟发动机对BSG电机模块进行试验测试。测功机为电力测功机，通过变频器连 接到电网上，由交流电网供电，或者将测功机工作在发电状态时产生的电经变 频器转换后回馈电网。测功机模块还包括一个转速转矩传感器，用于实时监测 测功机输入或输出的转速和扭矩。

所述动力电源模块用于为测试系统进行供电。动力蓄电池通过共直流母线 的方式与程控电源连接；所述程控电源控制器用于对程控电源的输出电压、电 流进行控制，模拟不同规格的动力蓄电池。在测试过程中，程控动力电源和动 力蓄电池均可作为测试系统的供电电源。所述程控电源内带有放电电阻及放电 控制开关，上位机模块通过程控电源控制器获取程控电源的工作状态、设置程 控电源的电压和电流、程控电源的开闭、程控电源中放电电阻的开闭，上位机 通过电池管理系统获取动力蓄电池的工作状态，设置动力蓄电池的充放电终止 条件、电压限额、电流限额和温度限额，打开和关闭电池的放电电路；当采用 程控电源作为BSG电机的供电电源时，闭合放电控制开关，BSG电机工作在发 电模式时，通过放电电阻释放电能；当采用程控电源和动力蓄电池共同作为供 电电源时，断开放电控制开关，BSG电机工作在发电模式时，所发出电量由动 力蓄电池回收。从而不仅可以对BSG电机的能量进行有效的回收，还能够满足 不同工作电压规格的BSG电机及其控制器的测试用电需求，实现检验BSG电机 模块与动力电源模块是否匹配的目的。

本实施例中基于上述测试系统的测试方法如下：测功机模拟发动机对BSG 电机模块进行试验测试，动力电源模块为测试系统进行供电，上位机模块通过 数据线将预设的测功机的目标转速、目标转矩、目标负荷发送到测控仪，测控 仪对测功机的工作模式进行控制，测功机输出轴的带轮通过传动皮带带动BSG 电机一端的带轮转动，从而实现BSG电机起动发动机、测功机模拟发动机带动 BSG电机发电、再生制动、怠速停车时电池单独供电驱动空调设备工况的测试。

如图2所示，所述BSG电机起动发动机的工况测试，测试方法是：

在上位机设置初始化参数，设置程控电源工作电压、测功机模拟发动机工 作在起动工况下的阻转矩曲线和起动结束转速、电池管理系统的保护参数，并 将初始化设置参数通过CAN总线方式传输到测功机模块的测控仪、动力电池模 块的程控电源控制器和电池管理系统。所述测控仪通过变频器调节电力测功机 模拟发动机在起动工况下的阻转矩。所述测功机通过机械连接装置连接一转速 转矩传感器和一个皮带轮，皮带轮通过皮带与BSG电机的皮带轮连接。所述转 速转矩传感器检测测功机模拟发动机的转速和施加在BSG电机皮带轮的阻转 矩，并将转速和转矩信号传递给上位机模块的数据采集和数据处理单元。BSG 电机上电工作，拖动测功机运转，模拟汽车起动过程。上位机根据测试目标和 数据处理结果，发出控制指令到测功机模块的测控仪，测控仪通过变频器来调 节电力测功机的输出转速和转矩，进而改变施加在BSG电机的负载大小，测试 中测功机在BSG电机拖动下转速逐渐上升到设定值，起动工况结束。

如图3所示，所述测功机模拟发动机带动BSG电机发电工况测试，测试方 法是：

在上位机设置初始化参数，设置程控电源工作电压、测功机模拟发动机工 作在发电工况下的驱动转矩和转速曲线、电池管理系统的保护参数，并将初始 化参数通过CAN总线方式传输到测功机模块的测控仪、动力电池模块的程控电 源控制器和电池管理系统。所述测控仪控制变频器驱动电力测功机模拟发动机 按照设定的转矩和转速运转，同时经由皮带驱动BSG电机发电。所述动力电池 模块中设有BSG电机放电回路，在BSG电机发电时，接通该回路，该回路与程 控电源和动力蓄电池分别相连。程控电源内部带有放电电阻及放电控制开关， BSG电机输出的电能通过BSG电机放电回路后，再经过程控电源的放电电阻进 行释放，通过程控电源控制器向上位机反馈放电电流和电压。也可以切断程控 电源，通过动力蓄电池吸收BSG电机输出的电能，由电池管理系统向上位机反 馈电池充电的电流和电压。无论采用两者之中任何一种方式，BSG电机输出的 电压和电流大小均受上位机的监控，当超出设定限值时，将切断BSG电机放电 回路，结束发电工况测试。

如图4所示，所述再生制动工况测试，测试方式是：

在上位机设置初始化参数，设置程控电源工作电压、测功机模拟发动机开 始制动前的驱动转速和制动时的惯性转矩、蓄电池管理系统的保护参数、测功 机模拟发动机工作在制动工况下的惯性转矩曲线，并将初始化参数通过CAN总 线方式传输到测功机模块的测控仪、动力电池模块的程控电源控制器和电池管 理系统。所述测控仪控制变频器驱动电力测功机模拟发动机按照设定的转速稳 定运转1～5分钟后模拟汽车制动时的惯性转矩逐渐降低转速，同时经由皮带驱 动BSG电机发电。所述程控电源内部带有放电电阻及放电控制开关，可将BSG 电机输出的电能通过控制程控电源的放电电阻进行释放，通过程控电源控制器 向上位机反馈放电电流和电压。也可以切断程控电源，通过动力蓄电池吸收BSG 电机输出的电能，由电池管理系统向上位机反馈电池充电的电流和电压。无论 采用两者之中任何一种方式，BSG电机输出的电压和电流大小均受上位机的监 控，当超出设定限值时，将切断BSG电机放电回路，结束再生制动工况测试。

如图5所示，所述怠速停车时，动力电源模块对附属电气系统负载模拟模 块进行单独供电的测试，测试方法是：

在上位机初始化参数设置，设置程控电源工作参数、动力电池工作及保护 参数。设置动力电源模块的工作方式，选择采用程控电源单独工作或者动力蓄 电池单独工作。

动力蓄电池单独供电测试：动力蓄电池经电池管理系统与DC/DC变换器连 接，DC/DC变换器与电动空调压缩机连接，上位机模块控制电动空调压缩机工 作，DC/DC变换器反馈电动空调压缩机工作电流和电压数据给上位机模块，，同 时上位机也采集动力蓄电池当前的SOC值。当电池的SOC降低到设定值时，关 闭电动空调压缩机，停止试验，记录试验持续的时间及试验过程中电动空调压 缩机工作电流和电压曲线。

程控电源单独供电测试：用程控电源模拟动力蓄电池向电动空调压缩机供 电，程控电源经电池管理系统与DC/DC变换器相连，DC/DC变换器与电动空调 压缩机连接，通过上位机模块控制电动空调压缩机工作，DC/DC变换器反馈电 动空调压缩机工作电流和电压数据给上位机模块，当电池的SOC降低到设定值 时，关闭空调压缩机，停止试验，记录试验持续的时间及试验过程中电动空调 压缩机工作电流和电压曲线。与采用动力蓄电池单独供电不同，采用程控电源 模拟动力电池供电进行附属电气系统负载模拟模块驱动能力测试时，可设定每 循环电池能量衰减系数、循环次数和循环终止条件，进而对蓄电池单独供电驱 动电动空调压缩机等附属电气系统负载的工作寿命进行模拟测试，避免了采用 实际的蓄电池进行测试时因需要对电池进行反复的充放电而可能导致的测试周 期过长、动力蓄电池损坏等问题，缩短了测试周期，节省了测试成本。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实 施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、 替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。