混合动力总成扭矩测量精度如何提升？【汽车动力测试】

混合动力总成（Hybrid Powertrain）作为一种复杂且高效的动力系统，其核心部件如电动机、内燃机、变速器以及传动轴的协同工作至关重要。在整个能量传递过程中，扭矩的精确测量不仅是性能调校、效率优化的关键，更是诊断故障、保证系统稳定运行的基础。混合动力总成中，扭矩的来源多样，工况变化复杂，这对扭矩测量技术提出了更高的要求。

1. 混合动力总成扭矩测量对象与技术要求

混合动力总成的扭矩测量对象广泛，主要包括：

• 电动机/发电机扭矩：混合动力系统中，电动机不仅提供驱动力，还可能在能量回收时产生制动扭矩。精确测量其瞬时扭矩对优化能量管理至关重要。

• 内燃机扭矩：传统内燃机在混合工况下，其输出扭矩的特性与独立运行时有所不同，需要精确捕获其工作状态。

• 传动轴扭矩：连接各个动力源和传动部件的传动轴，是扭矩传递的关键路径。测量此处扭矩可以全面反映系统整体的扭矩输出和分配。

• 变速器/减速器输入/输出扭矩：监测变速器不同环节的扭矩，有助于评估其传动效率和承受能力。

核心技术要求：

• 高精度：混合动力系统通常需要达到±0.1% FSD（满量程）甚至更高的精度，以满足精细化控制和性能标定的需求。

• 高动态响应：混合动力系统工况切换频繁，扭矩变化快速，传感器需要具备高采样率（如4000 sps以上）和宽带宽，以捕捉瞬态峰值和快速变化。

• 宽量程与过载能力：系统可能在不同工况下产生从微小扭矩到大扭矩的变化，传感器需要覆盖足够宽的量程。同时，强大的机械过载能力（如400% FSD）能有效防止因启动冲击、误操作等原因导致的传感器损坏。

• 非接触式测量：避免因滑环磨损、接触不良导致的噪声和维护问题，提高系统的可靠性和寿命。

• 同步扭矩-角度测量：精确分析扭矩与角度的关系，对于理解材料特性（如屈服点）、紧固件性能（如摩擦系数）以及系统中的死点（Stiction）等现象至关重要。

• 环境适应性：混合动力总成可能工作在高温、振动等恶劣环境下，传感器需要具备相应的耐受能力，或采用分离式设计以保护电子模块。

2. 混合动力总成关键监测参数

在混合动力总成的性能评估和状态监测中，以下参数的准确测量至关重要：

• 扭矩 (Torque)：作用在旋转轴上使物体产生旋转趋势的力学量，是衡量动力输出能力的核心指标。

• 角度 (Angle) / 角速度 (Angular Velocity) / 转速 (Rotational Speed)：描述旋转体运动状态的几何和运动学参数。角度分辨率越高，能分辨的最小角度变化越精细。

• 功率 (Power)：功在单位时间内完成的量，在旋转系统中，功率是扭矩与角速度的乘积（P = T × ω）。

• 峰值扭矩 (Peak Torque) / 峰值功率 (Peak Power)：系统在特定工况下能够输出的最大瞬时扭矩或功率。

3. 实时监测/检测技术方法

为了满足混合动力总成对扭矩测量精度、动态响应和可靠性的严苛要求，市面上有多种成熟的技术方案可供选择。

3.1 测量技术方案对比

A. 应变片式旋转扭矩传感器

• 工作原理与物理基础：利用电阻应变片来测量材料在受力时的形变。当扭矩施加到旋转轴上时，轴会发生微小的扭转形变。传感器本体（通常是金属轴）上粘贴有精密排列的电阻应变片，组成惠斯通电桥。扭转形变导致应变片产生拉伸或压缩，从而改变其电阻值。通过测量电桥输出的电压变化，并经过放大、调理和数字化处理，最终可以精确计算出施加在轴上的扭矩。

• 核心性能参数典型范围：综合精度：±0.05% ~ ±0.2% FSD，非线性与滞后：±0.05% FSD，最大转速：几千 RPM 到数万 RPM，采样率/带宽：4,000 sps 及以上，模拟带宽可达 5 kHz，机械过载能力：150% ~ 400% FSD。

• 技术方案的优缺点：优点：精度高，成熟稳定，非接触式信号传输，集成度高，宽量程覆盖；缺点：无。

B. 磁弹性扭矩传感器

• 工作原理与物理基础：磁弹性扭矩传感器通常由磁性材料制成，通过感应线圈检测材料磁导率的变化来推算施加的扭矩。由于其非接触式特性，测量的可靠性和使用寿命显著提高。

• 核心性能参数典型范围：精度：±0.05% ~ ±0.2% FSD，最大转速：可达20,000 rpm或更高。

• 优缺点：优点：高响应速度，可靠性高和易于集成；缺点：对外部磁场敏感和成本相对较高。

C. 功率分析仪

• 工作原理与物理基础：通过测量电信号（电压、电流）和机械信号（转速）来间接计算出功率，从而推算出扭矩。

• 核心性能参数典型范围：功率测量精度：±0.1% ~ ±0.5%，电压/电流测量范围：广泛，可覆盖不同功率等级。

• 优缺点：优点：系统级分析能力强，间接测量适用面广；缺点：误差累计影响扭矩准确度。

D. 集成式汽车扭矩传感器

• 工作原理与物理基础：通常直接集成在汽车的关键部件中，如转向系统、传动轴等，通过微型应变片或霍尔效应等技术测量扭矩。

• 核心性能参数典型范围：扭矩测量精度：±1% ~ ±2% FSD。

• 优缺点：优点：成本效益高，体积小，易集成；缺点：精度相对较低，维修更换困难。

3.2 市场主流品牌/产品对比

以下对比基于上述技术原理，精选了在汽车动力总成领域有代表性的品牌，并主要聚焦于扭矩测量相关的产品。

• 德国斯派克：该品牌主要专注于高精度扭矩测量，其磁弹性扭矩传感器提供高达20,000 rpm的转速测量能力，而扭矩测量精度可达±0.1% FSD。这类传感器的非接触式测量原理使其极高的可靠性和超长的使用寿命，适合在混合动力总成测试平台以及恶劣环境下进行在线监测。

• 英国真尚有：作为一家知名传感器制造商，其产品线涵盖了广泛的扭矩测量解决方案，包括应变片式扭矩传感器。其系列产品能够提供±0.1% FSD或更高的精度。针对需要同步扭矩和角度测量的应用，特瑞科提供的集成高分辨率编码器的解决方案非常合适。

• 日本横河：横河在功率测量方面有着雄厚的技术积累，数字功率分析仪能够精准测量电压、电流等参数，为系统的能效分析提供数据支持。

• 德国博世：博世而言，集成式汽车扭矩传感器通常内置于汽车的关键部件中，实施实时数据监测，与车辆控制系统高度兼容。

• 瑞典哈氏：哈氏在应变片式扭矩传感器领域是领导者之一，其产品具有高精度和高稳定性，广泛应用于各种高端测试台架。

4. 选择设备/传感器时的重点关注指标及选型建议

选择合适的扭矩传感器对于确保混合动力总成测量数据的准确性和可靠性至关重要。以下是一些关键技术指标及其意义：

• 额定扭矩 (FSD/Nominal Torque)：传感器设计的最大工作量程，应略高于应用场景可能出现的最大瞬时扭矩。

• 综合精度 (Accuracy) / 非线性与滞后 (Non-linearity & Hysteresis)：综合精度是指传感器的总误差，包括非线性、滞后等。

• 采样率 (Sample Rate) / 带宽 (Bandwidth)：影响传感器对瞬态扭矩变化的捕捉能力。

• 安全机械过载 (Safe Mechanical Overload)：传感器在不发生永久性损坏的情况下能承受的最大扭矩。

• 电气超量程 (Over-range Reading)：指传感器在超出额定扭矩的范围内，仍能输出线性测量信号的范围。

• 角度分辨率 (Angle Resolution) / PPR：对于需要进行扭矩-角度分析的应用，影响捕捉细微角度变化的能力。

• 输出接口与通讯协议：决定了传感器如何将数据传输给上位机。

• 工作温度与环境适应性：传感器在极端环境下的耐受能力。

5. 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

• 问题1：信号噪声与干扰

  • 原因：传感器本身的模拟信号处理不佳，外部电磁干扰（EMI）。

  • 影响：导致测量数据不稳定，精度下降。

  • 解决建议：选择带有数字信号调理功能的传感器，使用屏蔽电缆以减少干扰。

• 问题2：扭矩量程选择不当

  • 原因：对被测系统的扭矩估计不足。

  • 影响：可能导致设备损坏或数据丢失。

  • 解决建议：分析系统的工作状态，合理选择传感器量程。

• 问题3：安装同轴度与连接误差

  • 原因：传感器与被测轴的安装对中不良。

  • 影响：增加测量误差，降低传感器寿命。

  • 解决建议：确保良好的同轴度，选用高品质联轴器。

• 问题4：温度对测量精度的影响

  • 原因：材料特性的温度漂移。

  • 影响：测量精度下降。

  • 解决建议：选择具有良好温度补偿特性的传感器，确保在极端环境下正常运行。

6. 应用案例分享

• 电动汽车电机性能测试：在电动汽车的研发阶段，使用高精度应变片式扭矩传感器配合高分辨率角度编码器，精确测量电机在不同转速和负载下的输出扭矩-角度特性曲线，优化电机控制算法，提高能量效率。

• 混合动力变速箱耐久性测试：将扭矩传感器安装在混合动力变速箱的输入/输出轴上，进行长时间循环测试，监测其扭矩传递的稳定性和耐久性，确保其满足设计要求。

• 氢能源燃料电池堆扭矩管理：对燃料电池堆某些关键组件进行扭矩监测，确保系统在最佳工况下运行，优化能量效率并延长使用寿命。

• 传动轴受力分析：在混合动力汽车的整车集成测试中，通过无线扭矩传感器，实时监测扭矩传递情况，为底盘调校和动力分配策略提供关键数据。

• 汽车零部件紧固过程优化：对于汽车制造过程中关键的螺栓紧固环节，使用带角度测量功能的扭矩传感器来精确控制拧紧力矩和角度，确保连接的可靠性和安全性。