CN101738320A - 具有工况和惯性模拟功能的混合动力汽车动力总成试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有工况和惯性模拟功能的混合动力汽车动力总成试验系统，它包括操作控制台、台架控制与测量中心管理器、试验模式控制系统单元、动态模拟系统单元、驾驶功能控制器单元、测功机及测功机控制器单元、数据采集系统单元和试验条件控制系统单元。利用该系统可以进行混合动力汽车动力总成的性能开发试验；该台架试验可以替代产品开发过程中的大部分道路试验和整车转毂试验；同时，对于混合动力汽车动力系统的早期开发，可将动力系统的总成部件灵活搭配，组成不同的电机和发动机的耦合形式进行开发研究；与以往的研发试验手段相比，该试验系统可大大提高混合动力汽车动力总成及其关键技术的研发试验水平，并可大大缩短动力总成及相关零部件的研发周期。

Description

具有工况和惯性模拟功能的混合动力汽车动力总成试验系统

技术领域

本发明属于车辆动力总成试验装置，具体涉及一种混合动力汽车动力总成试验系统

背景技术

在混合动力汽车开发过程中需要进行大量的试验。目前由于条件所限，往往只能在室内进行以稳态试验为主的单项总成部分试验，虽然传统的发动机动态试验台已日渐普及，但它无法完成混合动力汽车动力总成的特有试验(如能量回馈等)。混合动力及其管理系统的大量试验还靠整车道路试验来完成。如此，准确地再现某工况性能、准确完整地测试系统相关参数就较困难。加上天气和操纵的差异，道路现场问题的处理等等都有很大局限性，研发质量的提高也受到限制，试验人员的工作条件和安全性也难以保证。另外，混合动力总成或某个部件的改进效果均需在整车平台上及整个系统内考核，也使研发改进受到局限。如此研发试验手段的采用，使研发周期大大延长，使我们研发工作水平的提升也受到较大的影响，使混合动力汽车的研发和产业化的推进存在巨大的技术障碍。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适于混合动力汽车动力总成测试的具有工况和惯性模拟功能的混合动力汽车动力总成试验系统，从而实现对混合动力汽车动力总成的各项性能的综合测试及分析，以解决上述问题。

本发明的技术方案为：混合动力汽车动力总成试验系统，它包括操作控制台、台架控制与测量中心管理器、试验模式控制系统单元、动态模拟系统单元、驾驶功能控制器单元、测功机及测功机控制器单元、数据采集系统单元和试验条件控制系统单元；

所述台架控制与测量中心管理器，用于对台架实行自动和手动操作，它采用CAN总线形式连接所有的单元，它采集所有的数据，控制所有的单元；

所述试验模式控制系统，用于混合动力整车开发的由用户定义的用于驾驶循环模拟的闭环试验，和由用户定义的对整车驾驶模拟系统进行控制模拟的开环试验；

所述驾驶功能控制器单元，用于模拟不同驾驶习惯的驾驶员的驾驶行为；

动态模拟系统单元，用于混合动力车辆行驶状态的动态模拟；

试验条件控制系统单元，用于接收来自台架控制与测量中心管理器的给定值，控制发动机冷却液、燃油、变速箱冷却油、试验室环境及发动机进气等的温度、压力；

数据采集系统单元，用于检测数据信号的采集及将采集的输入信号转换为数字信号，通过CAN总线送到管理中心；

测功机及测功机控制器单元，用于在稳态试验中，作为动力系统的动力吸收或动力输出单元；在动态模拟试验中，它既作为车辆运动时的惯量与阻力模拟单元，也作为制动中制动力模拟单元；测功机控制器用于对测功机的底层控制，通过通讯接口与台架控制与测量中心管理器进行数据交换，带有手动和自动给定功能；

操作控制台，用于对混合动力汽车动力总成试验系统整体控制及操作。

本发明混合动力汽车动力总成试验系统，以传统的发动机试验台为基础，采用测功机，加设汽车行驶阻力和整车惯量模拟系统及驾驶模拟系统，为被试对象——混合动力总成——创造了一个道路试验的环境，对于混合动力汽车动力总成的包括能量回馈在内的性能及可靠性进行试验研究。利用该系统可以进行混合动力汽车动力总成的常规试验，包括混合动力汽车能量回馈性能的试验；该台架试验可以替代产品开发过程中的大部分道路试验和整车转毂试验；它可以不依赖于整车平台而以动力系统的形式在室内进行。同时，对于混合动力汽车动力系统的早期开发，可将动力系统的总成部件灵活搭配，组成不同的电机和发动机的耦合形式进行开发研究；尤其是当某些被试对象不完整时，可以利用仿真工具建立的零部件模型参与试验，进行混合动力汽车动力总成的开发。本发明大大降低研发试验成本、减去了整车改装的工作量；人工设定自动控制、可消除路试人员实车驾驶操作的不可避免的工况控制差异，工况控制准确、试验条件控制严格(油温、水温、气温、气压、湿度等)，可在室内再现设定路试工况，确保了试验结果的同一性、可比性；加之可以采用在户外路试难以采用的仪器，排除了户外路试的种种外界干扰，增加了研发所需数据参数的采集量及其准确性，这就极大地提高了研发试验水平；可针对某一参数或结构、程序的改变无需搭载于整车而随时在室内进行试验，与以往的研发试验手段相比，该试验系统可大大提高混合动力汽车动力总成及其关键技术的研发试验水平，并可大大缩短动力总成及相关零部件的研发周期。

附图说明

图1本发明系统示意图。

具体实施方式

如图1所示，台架控制与测量中心管理器是完成混合动力总成台架试验的综合系统，主要组成包括：操作控制台、台架控制与测量中心管理器、试验模式控制系统、动态模拟系统、驾驶功能控制器、测功机及测功机控制器、数据采集系统、试验条件控制系统等。

台架控制与测量中心管理器可对台架实行自动和手动操作。系统采用CAN总线形式连接所有的设备，它采集所有的数据，控制所有的设备。

台架控制与测量中心管理器与被试车辆的整车控制器HCU之间连接用户计算机，用于将台架的相关数据与整车HCU的相关数据进行实时比较分析，也便于将不同的HCU的通讯协议“翻译”后能与台架进行数据交换，为被试车辆的整车控制器HCU保密并且使台架系统适应不同的整车控制器HCU通讯协议的变化。

试验台架和被试车辆的电控系统之间，如整车控制器HCU和变速箱控制器等之间，具有CAN信息通讯的能力和功能；这样可以实现车辆的电控系统如整车控制器HCU和变速箱控制器，与台架之间的信息通讯，可以使用台架信息用于整车控制，也可以使用整车信息进行台架控制，使产品开发工作更方便。

台架控制与测量中心管理器还可设有排放分析仪接口，配备排放分析仪系统还可进行混合动力汽车动力系统的台架排放测试。

测功机在稳态试验中，它是动力系统的动力吸收或动力输出单元；在动态模拟试验中，它既是车辆运动时的惯量与阻力模拟单元，也是制动中制动力模拟单元。测功机控制器用于对测功机的底层控制，通过通讯接口与台架控制与测量中心管理器进行数据交换，带有手动和自动给定功能。

试验模式控制系统定义了台架试验的试验内容，该控制系统包含了混合动力整车开发的由用户定义的用于驾驶循环模拟的闭环试验，和由用户定义的对整车驾驶模拟系统进行控制模拟的开环试验；也定义了动力系统中变速箱类型，如MT变速箱、AMT变速箱、AT变速箱等形式；也定义了起动发动机的方式，如起动机起动或驱动电机起动等。

闭环试验主要是给定试验循环，由驾驶功能控制器根据计算模型，以实际车速、理论车速的实时数据、驾驶员对速度需求的驾驶行为参数为基础，计算出踏板和档位的输入数值，并通过踏板和换档的控制系统进行控制，整车控制器HCU和变速箱控制器根据这些输入参量，进行整车动力系统的控制，完成整个试验循环的测试，闭环试验主要是根据指定的试验循环进行混合动力控制策略的研发。

开环试验主要是给定整车驾驶模拟系统的踏板和档位的输入数值，并通过踏板和换档的控制系统进行控制，整车控制器HCU和变速箱控制器根据这些输入参量，进行整车动力系统的控制，完成试验测试，开环试验主要是针对混合动力的动力性和制动能量回馈性能展开专项试验研究。

试验台架的动力总成可以包含实际的加速踏板、制动踏板、离合器踏板、换档手柄，也可以使用虚拟的踏板、手柄。

驾驶功能控制器外接油门踏板执行器及控制系统、换档执行器及控制系统、制动踏板执行器及控制系统、离合器踏板执行器及控制系统，驾驶功能控制器，组成整车驾驶模拟系统。踏板和换档执行器包括伺服电机及推动踏板或换档执行器的机械系统。油门踏板执行器可以采用步进电机及推动油门踏板的滚珠丝杠；换档执行器可以采用步进电机及推动换档杆的滚珠丝杠；制动踏板执行器可以采用步进电机及推动制动踏板的滚珠丝杠；离合器踏板执行器可以采用步进电机及推动离合器踏板的滚珠丝杠。

所述驾驶功能控制器单元，也可以是没有物理实体的用于模拟驾驶操作动作的虚拟的执行器及控制系统。所述驾驶功能控制器单元，也可以是直接由驾驶员进行踏板和换档手柄的控制。

驾驶功能控制器，可以选择模拟不同驾驶习惯的驾驶员的驾驶行为，根据目标车速和驾驶员对速度需求的不同反映，通过驾驶员模型，计算出当前时刻的踏板位置和档位选择，再通过驾驶功能控制模型把计算出的目标踏板位置和目标档位传递给踏板控制系统和变速箱换档控制系统，通过这些控制系统控制踏板和变速箱的档位来模拟实际驾驶员的动作和操作行为。驾驶功能系统的控制与采集的数据也可以实时传到用户计算机和整车控制器HCU。整车控制器HCU采集整车动力系统的踏板和档位信息，实现对整车动力系统的控制，完成驾驶模拟和工况控制。

各系统也实时将自己的执行情况(位置信号)反馈到驾驶功能控制器，以便进行下一个动作位置计算。通过驾驶功能控制器的控制和整车控制器HCU对混合动力整车动力系统的控制，台架可以模拟不同驾驶习惯的整车起步、加速、匀速、减速、滑行、制动等行驶状态。

混合动力汽车动力总成试验系统所使用的踏板信号可以来源于硬件实物，也可以使用模拟电信号；踏板执行器可以是驱动物理存在的真实的踏板的踏板执行器，也可以是驱动虚拟踏板的模拟信号执行器。在没有混合动力整车踏板与档位传感器硬件实物时，HCU可以通过用户计算机借用台架系统中踏板信号，实现对整车动力系统的动力分配、换档策略及制动能量回馈的研究。这种方式在混合动力产品的先导开发中作用非常显著。

试验开始之前，通过试验模式控制系统可以选择不同的试验模式如：1)开环试验与闭环试验；2)变速箱类型：MT、半AMT、AMT、AT等；3)起动发动机的方式：起动机起动发动机、电机起动发动机。不同的试验模式，决定了驾驶员模型中的不同的操作动作。

动态模拟系统由计算机硬件和模拟软件组成。根据汽车动力学原理，使用设定的整车质量、各部件的旋转惯量、道路滚动阻力系数、车辆迎风面积及风阻系数、坡道系数、相对风速、变速箱及主减速器速比、轮胎直径等车型参数和工况参数，再根据实时采集的车速及测功机端扭矩仪测得的扭矩等数据，实时计算出滚动阻力、空气阻力、坡度阻力、加速阻力和制动力并求和，得出应该在测功机端施加的理论扭矩并把该数值实时传递给测功机控制器，控制测功机输出工作状态来完成混合动力车辆的动态模拟。

数据采集系统，配备相应的传感器、测量仪、接口模块及模数转换模块、数据采集软件等，将输入信号转换为数字信号，通过CAN总线送到管理中心，测量参数包括温度、压力、转速、扭矩、燃油消耗量等传统发动机试验台测控参数，还包括排放数据、整车行驶参数、电能储存和消耗工作元件的电压、电流与电能量、电功率等参数。其中包括多个扭矩仪，分别测量电机和变速箱等的扭矩与转速。其中可采用高精度的速度传感器用以实时检测发动机、电机等的转速，采用角加速度传感器和振动传感器，可测试换档及工况变化的操作平顺性。以及排放分析仪接口，使本系统与排放分析仪能够同步测量数据。本台架特别要求的参数有：①整车行驶参数：车速、行驶距离、时间、加(减)速度、制动距离、累计里程、踏板力·行程·时间、换档力特性曲线等；②电机与电池工作参数：以电力计测得的动力电池(该电池可以是被试车用动力电池，也可以是模拟电池)的电流、电压、电功率等。

试验条件控制系统接收来自台架控制与测量中心管理器的给定值，控制发动机冷却液、燃油、变速箱冷却油、试验室环境及发动机进气等的温度、压力。

试验条件控制系统主要是用来控制发动机的冷却液温度、燃油温度、及发动机的进气温度等。试验条件控制系统单元包括发动机冷却液温度控制系统、燃油温度控制系统、变速箱温度控制系统、环境及发动机进气参数控制系统。试验条件控制系统中有两套装置，一是加热装置(直接加热目标)，另一个是冷却装置(用另外一种冷却液来冷却目标)，当系统接收来自中心管理器的给定值后，与当前的测量值进行比较，从而决定加热装置或冷却装置工作；当测量值与目标值接近时，运用PID调节加热装置的加热功率或冷却装置中冷却液的流量，达到目标要求。

在一个运转试验中，可设定不同的滚动阻力系数、相对风速、坡度等道路条件参数；可设定整车质量、轮胎半径、迎风面积、模拟台架上不存在的部件包括车轮、半轴、差速器、传动轴等部件的旋转惯量；可设定车辆起步、加速、匀速、滑行、减速、制动、驻车的起始点和终止点等行驶工况；可设定温度、压力、湿度等试验条件控制参数；可设定需要采集的测量参数。所有参数的设定、显示、记录等均在操作控制台上进行。

混合动力汽车动力总成试验系统可以配有第二台测功机接口，该测功机可吸收分动箱或电动机的输出功率，实现功能扩充，使本混合动力总成试验台架适用于四轮驱动混合动力汽车动力系统的试验。

该混合动力汽车动力总成试验系统，除能完成传统发动机性能试验台所能进行的全部试验外，尚可无需整车搭载平台、无需进行整车道路行驶和整车转毂试验的前提下完成混合动力汽车下列试验：

·整车控制器HCU、AMT控制器TCU、发动机控制器ECU、电机及其控制器MCU、电池及管理系统的联合调试，完成混合动力总成综合性能匹配优化试验；

·整车控制策略(能量分配)的研究、开发试验；

·制动能量回馈试验；

·整车动力性模拟试验；

·选定工况循环下整车燃油经济性模拟试验；

·整车驾驶性模拟试验；

·离合器、变速箱换档平顺性试验；

·变速箱控制策略开发和优化试验；

·变速箱操纵机构的开发和优化试验；

·电机性能试验；

·混合动力汽车仿真设计快速验证试验；

·模拟整车排放分析试验；

·功能扩展后，完成四轮驱动混合动力汽车的上述试验。

以下是利用本试验系统进行混合动力汽车动力总成综合性能试验和匹配优化试验的一个实例：

搭建混合动力汽车动力系统试验系统，安装好动力总成，连接测试仪器和线路；

在动态模拟系统中输入混合动力整车运行需要的整车参数，如整车质量、各部件的旋转惯量、道路滚动阻力系数、迎风面积及风阻系数、坡道系数、相对风速、变速箱及主减速器变比、轮胎直径等数据；

在试验模式控制系统中选择试验模式及试验循环数据文件；

在驾驶功能控制器中设定驾驶员模型需要的驾驶意图参数，如柔和型驾驶行为参数、粗暴型驾驶行为参数；

设定整车控制器的工作方式，是通过用户计算机采集的台架信息作为HCU的控制输入变量，还是HCU直接采集真实的驾驶员信息作为HCU的控制输入变量；

在试验条件控制系统中输入控制条件：试验环境温度、冷却水温度、燃油温度、燃油压力等数据；

台架循环预运转调试；

开始正式试验；

利用试验模式控制系统，选择试验项目和内容；利用动态模拟系统，使用整车参数进行混合动力系统动态惯量的模拟；利用驾驶功能控制器，根据驾驶员模型的输入参数计算踏板和换档执行器的输入量，使用执行机构实现信号的物理控制；利用试验条件控制系统，根据输入的环境控制条件，控制混合动力汽车动力链系统的环境状况；利用台架控制与测量中心管理器，对台架试验中的数据进行交换和存储，实现试验控制；

利用高精度的转速传感器测量发动机的转速；利用油耗仪测量发动机的燃油消耗量；利用电功率计测量电池的能量变化；利用测功机上的扭矩仪测量动力总成的输出扭矩与输出轴转速；利用另外的扭矩仪测量混合动力系统电动助力和能量回馈的扭矩与转速；利用温度与压力传感器测量需要测量部位的温度与压力等；

利用数据采集系统采集的数据进行分析，评价混合动力的控制策略：包含能量分配策略、驾驶员意图策略、电池SOC的平衡策略、制动能量回馈策略等；

优化、改进混合动力的整车控制策略，反复进行同样的试验、分析、优化、改进过程，直至得到较理想的燃油经济性、尾气排放、平顺性与动力性的控制策略。

Claims (10)

1.一种具有工况和惯性模拟功能的混合动力汽车动力总成试验系统，它包括操作控制台、台架控制与测量中心管理器、试验模式控制系统单元、动态模拟系统单元、驾驶功能控制器单元、测功机及测功机控制器单元、数据采集系统单元和试验条件控制系统单元；

所述台架控制与测量中心管理器，用于对台架实行自动和手动操作，它采用CAN总线形式连接所有的单元，它采集所有的数据，控制所有的单元；

所述试验模式控制系统，用于混合动力整车开发的由用户定义的用于驾驶循环模拟的闭环试验，和由用户定义的对整车驾驶模拟系统进行控制模拟的开环试验；

所述驾驶功能控制器单元，用于模拟不同驾驶习惯的驾驶员的驾驶行为；

动态模拟系统单元，用于混合动力车辆行驶状态的动态模拟；

试验条件控制系统单元，用于接收来自台架控制与测量中心管理器的给定值，控制发动机冷却液、燃油、变速箱冷却油、试验室环境及发动机进气等的温度、压力；

数据采集系统单元，用于检测数据信号的采集及将采集的输入信号转换为数字信号，通过CAN总线送到管理中心；

测功机及测功机控制器单元，用于在稳态试验中，作为动力系统的动力吸收或动力输出单元；在动态模拟试验中，它既作为车辆运动时的惯量与阻力模拟单元，也作为制动中制动力模拟单元；测功机控制器用于对测功机的底层控制，通过通讯接口与台架控制与测量中心管理器进行数据交换，带有手动和自动给定功能；

操作控制台，用于对混合动力汽车动力总成试验系统整体控制及操作。

2.如权利要求1所示具有工况和惯性模拟功能的混合动力汽车动力总成试验系统，其特征在于所述驾驶功能控制器单元，它包括具有物理实体的油门踏板及其油门踏板执行器及控制系统、换档手柄及其换档执行器及控制系统、制动踏板及其制动踏板执行器及控制系统、和/或离合器踏板及其离合器踏板执行器及控制系统。

3.如权利要求1所示具有工况和惯性模拟功能的混合动力汽车动力总成试验系统，其特征在于所述驾驶功能控制器单元，它包括没有物理实体的用于模拟驾驶操作动作的虚拟的踏板、换档手柄及其执行器及控制系统或驾驶功能控制器单元包括由试验驾驶员直接操纵踏板和换档手柄，而不需要台架使用物理的或虚拟的执行器及控制系统。

4.如权利要求1所示具有工况和惯性模拟功能的混合动力汽车动力总成试验系统，其特征在于所述闭环试验通过指定的试验循环进行混合动力控制策略分析。

5.如权利要求1所示具有工况和惯性模拟功能的混合动力汽车动力总成试验系统，其特征在于所述开环试验用于对混合动力的动力性和制动能量回馈性能等试验项目进行试验分析。

6.如权利要求1所示具有工况和惯性模拟功能的混合动力汽车动力总成试验系统，其特征在于所述数据采集系统单元包括各类传感器和测量仪，用于测量混合动力汽车动力系统中温度、压力、转速、扭矩、燃油消耗量、排放数据、整车行驶参数、电能储存和消耗工作元件的电压、电流与电能量、电功率参数；其中包括多个扭矩仪，可分别测量电机和变速箱等的扭矩与转速。

7.如权利要求1所示具有工况和惯性模拟功能的混合动力汽车动力总成试验系统，其特征在于台架控制与测量中心管理器与被试车辆的整车控制器HCU之间连接用户计算机。用于将台架的相关数据与整车HCU的相关数据进行实时比较分析，也便于将不同的HCU的通讯协议“翻译”后能与台架进行数据交换，为被试车辆的整车控制器HCU保密，并且使台架系统适应不同的整车控制器HCU通讯协议的变化。

8.如权利要求1所示具有工况和惯性模拟功能的混合动力汽车动力总成试验系统，其特征在于台架控制与测量中心管理器与被试车辆的电控系统之间通过CAN信息通讯实现数据通信。

9.如权利要求1所示具有工况和惯性模拟功能的混合动力汽车动力总成试验系统，其特征在于台架控制与测量中心管理器备有第二测功机接口。

10.如权利要求1所示具有工况和惯性模拟功能的混合动力汽车动力总成试验系统，其特征在于台架控制与测量中心管理器还包括有排放分析仪接口，配备排放分析仪系统还可进行混合动力汽车整车排放测试。

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