CN101751034A - 混合动力客车气压与再生制动协调控制系统试验台 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种混合动力客车气压与再生制动协调控制系统试验台。该试验台包括气压和再生制动控制协调控制试验系统、气压制动试验系统、数据处理系统、模型仿真实验系统和电机制动试验系统。其中气压制动试验系统中的气压制动系统和制动气压调节装置是试验对象，可以更换不同的压力调节装置进行特性试验；电机制动试验系统中电机和电池为试验对象，可以实现制动时回收能量，对电池组充电；传感器信号经数据处理系统输入模型仿真实验系统的车辆模型中，车辆模型根据所采集的信息对电机和电磁阀发出控制指令，使电机和电磁阀处于所期望的状态。试验台能够对包括硬件及控制策略在内的混合动力客车的气压和再生制动协调控制系统进行整体性能测试。

Description

混合动力客车气压与再生制动协调控制系统试验台

技术领域

本发明涉及一种混合动力客车气压与再生制动协调控制系统的试验装置，更确切的说是一种混合动力客车的气压与再生制动协调控制系统的硬件在回路试验台。

背景技术

随着全球能源危机及环境污染，混合动力汽车的节能作用日益凸显，在混合动力其汽车的各项节能技术中，再生制动能量回收技术是混合动力汽车的关键技术之一。混合动力客车的气压与再生制动协调控制系统要保证具有显著的能量回收率、稳定的制动性能、舒适的制动感觉以及优异的安全性能等，在其研究开发过程中就需要一种有效的试验装置，对协调控制系统从硬件到软件进行严格的测试及试验，保证协调控制系统具有足够高的性能和指标。本发明所述的硬件在回路试验台就是根据这一需求自主研制开发的混合动力客车气压与再生制动协调控制系统的试验测试平台，通过混合动力客车气压与再生制动协调控制系统的硬件在回路试验台，可以在一定程度上掌握气压与再生制动协调控制系统的工作原理、技术关键和试验标准，同时为我国的企业和科研机构在进行混合动力客车气压与再生制动协调控制系统和混合动力客车气压与再生制动协调控制系统的硬件在回路试验台两方面的研究工作打下一定的基础。

经检索，有以下八个专利申请与本发明相关。

其一为日产自动车株式会社的“车辆制动控制系统”，专利申请号为200320128501。该专利涉及的制动控制系统主要有一个制动方式选择部分。不同的制动方式有不同的控制方法优先级。

其二为中国第一汽车集团公司的“提高混合动力汽车制动能量回收的控制方法”，申请号为200510016977。该专利仅仅通过整车控制器在加速踏板处于关闭时控制离合器断开发动机与传动系的联结，同时指令电机进行再生制动。

其三为中国第一汽车集团公司的“混合动力汽车下坡时制动能量回收的控制方法”，申请号为200510016980。该专利主要根据车速和加速度2个参数确定电机的再生制动力矩，保持车速稳定为目的。

其四为吉林大学的“混合动力商用汽车的气压制动防抱死控制系统”，申请号为200610017245。该专利涉及整车的再生制动与气压的协调控制问题。

其五为清华大学的“混合动力车串联式制动系统”，申请号为200510001757。

其六为韩国现代自动车株式会社的“用于混合动力汽车的制动系统及其控制方法”，申请号为200710139814。该专利通过计算最大再生制动力矩来调节液压制动力矩，以满足目标主动转矩，所适用的对象为混合动力轿车，且未涉及试验装置。

其七为美国环球技术公司的“在混合动力电动车辆中延长再生制动的系统和方法”，申请号为200810124959。该专利通过调节电动机的转矩输出，来满足车辆的制动和能量的回收，电池组电量超过阈值时，通过调节发电机的工作效率来消耗回收的电能和电池组的电能。

其八为吉林大学的“混合动力轿车再生制动与防抱死集成控制系统”，申请号为200710055687。该专利的适用对混合动力轿车，所涉及的为液压制动控制系统，也并没有涉及试验测试装置。

以上相关专利主要是研究重点是系统组成和控制策略，没有设计混合动力客车气压与再生制动协调控制的硬件在回路试验装置，可以说，目前混合动力客车气压与再生制动协调控制系统硬件在回路试验台在国内属于空白。

发明内容

本发明的目的在于利用自己搭建的混合动力客车整车动力写模型和控制器模型，提供一种混合动力客车气压与再生制动协调控制系统试验台，用于研究检测混合动力客车气压与再生制动协调控制系统，满足研究机构和企业对这方面的需求。

为了实现上述目的，本发明是按如下技术方案实现的，结合附图说明如下：

一种混合动力客车气压与再生制动协调控制系统试验台，包括气压和再生制动控制协调控制试验系统、气压制动试验系统、数据处理系统、模型仿真试验系统和电机制动试验系统，所述的气压和再生制动协调控制试验系统、气压制动试验系统和电机制动试验系统中的传感器信号输入到数据处理系统中，经过信号调理后输入模型仿真试验系统中，模型仿真试验系统发出的控制指令也通过数据处理系统放大后驱动气压和再生制动协调控制试验系统、气压制动试验系统和电机制动试验系统的执行部件，实现包括硬件及控制策略在内的混合动力汽车的气压和再生制动协调控制系统进行整体性能测试。

所述的气压制动试验系统包括，制动踏板20受力后，储气筒19中的高压空气经制动管路进入左右前制动气室24，31、左右后制动气室12，7，分别对左右前轮鼓式制动器23，32、左右后轮鼓式制动器13，5进行制动，左右前制动气室压力传感器22，33、左右后制动气室压力传感器14，6分别对各个制动气室的压力进行测量，测量值输入数据处理系统，经滤波调理后输入模型仿真实验系统，模型仿真试验系统发出控制指令对左右前制动气压调节装置25，30、左右后制动气压调节装置11，8进行控制，实现制动压力的调节。

所述的数据处理系统34由信号处理电路2和电磁阀驱动电路35组成。信号处理电路2能够将左前制动气室压力传感器22、右前制动气室压力传感器33、左后制动气室压力传感器14、右后制动气室压力传感器6、前制动管路压力传感器29、后制动管路压力传感器10、踏板位移传感器21、电机控制器3、电池管理系统16的输入数据等模拟信号进行调理、滤波、限幅处理，并输入数据采集卡37，在数据采集卡37中将这些模拟信号转换为数字信号，输出到模型仿真试验系统中。电磁阀驱动电路35将控制器模型38输出的控制指令经数据采集卡37转换为5v的低压信号，用来经电机控制器3控制电机4的转速和输出扭矩，并通过电池管理系统16实现对电池组15的充放电管理；5v的低压信号经电磁阀驱动电路35的放大后成为24v的电压信号，驱动左前制动气压调节装置25、右前制动气压调节装置30、左后制动气压调节装置11、右后制动气压调节装置8、后制动管路常开电磁阀26、前制动管路常开电磁阀28。

所述的模型仿真试验系统由主机1、工控机36、数据采集卡37组成，数据采集卡37直接插在工控机的板卡插槽中，主机1用来运行整车动力学模型39和控制器模型38，工控机36用来运行生成的目标代码，主机1和工控机36之间网线连接，根据TCP/IP协议相互通讯。

所述的电机制动试验系统由电机4、电机控制器3、电池组15、电池管理系统16、制动阀20、踏板位移传感器21、后制动管路常开电磁阀26、后制动管路压力传感器10组成，当踩下制动踏板20后，主机1中的模型仿真试验系统的车辆模型开始制动，电机控制器3控制电机4切换为制动工作模式，并将制动能量转换为电能进行发电，电池管理系统16控制电池组15接收来自电机的发出的电能，电机制动时后制动管路常开电磁阀26关闭，后轴的制动全部由电机提供，后制动管路的压力由后制动管路压力传感器10来测量。

本发明的技术效果是：

1、本发明所述的混合动力客车气压与再生制动协调控制系统的硬件在回路试验台能够对混合动力客车气压与再生制动系统协调控制系统中的电磁阀和压力调节装置进行性能测试和试验。

2、本发明所述的混合动力客车气压与再生制动协调控制系统的硬件在回路试验台能够对混合动力客车气压与再生制动协调控制系统的电机的能量回收效果进行测试和试验。

3、本发明所述的混合动力客车气压与再生制动协调控制系统的硬件在回路试验台能够对混合动力客车的气压与再生制动系统控制系统的控制策略进行测试和试验。

附图说明

图1为混合动力客车气压与再生制动协调控制系统的硬件在回路试验台结构示意图；

图2为混合动力客车气压与再生制动协调控制系统的硬件在回路试验台气压试验系统示意图；

图3为混合动力客车气压与再生制动协调控制系统的硬件在回路试验台模块框图；

图4为混合动力客车气压与再生制动协调控制系统的硬件在回路试验台整车动力学模型框图。

图1中1为主机，2为信号处理电路，3为电机控制器，4为电机安装有扭矩传感器和电压电流传感器，5为右后鼓式制动器，6为右后制动气室压力传感器，7为右后制动气室，8为右后制动气压调节装置，9为快放阀，10后制动管路压力传感器，11为左后制动气压调节装置，12为左后制动气室，13为左后鼓式制动器，14为左后制动气室压力传感器，15为电池组，16为电池管理系统，17为空气压缩机，18为湿储气筒，19为储气筒，20为制动踏板制动阀，21为踏板位移传感器，22为左前制动气室压力传感器，23为左前鼓式制动器，24为左前制动气室，25为左前制动气压调节装置，26为后制动管路常开电磁阀，27为三通，28为前制动管路常开电磁阀，29前制动管路压力传感器，30为右前制动气压调节装置，31为右前制动气室，32为右前鼓式制动器，33为右前制动气室压力传感器，34为数据处理系统，35为电磁阀驱动电路，36为工控机，37为数据采集卡，38为控制器模型，39为整车动力学模型。

具体实施方式

以下对优选实施方式的说明仅仅是示范性的，它决不用于限制本发明及其使用或应用。

一种用于后轮驱动的混合动力客车的气压与再生制动协调控制系统的硬件在环试验台，它由以下部分组成：

一个气压和再生制动控制协调控制系统，用于协调气压制动力和再生电机制动力的关系；

一个气压制动试验系统，用于测试混合动力汽车气压制动系统的特性和电磁阀的特性；

一个数据处理系统，用于处理传感器的输入信号，并将控制器输出的控制指令放大后驱动电磁阀，或输出到电机控制器；

一个模型仿真实验系统，用来运行整车动力学模型和控制器模型，采集传感器的输入信息，并根据控制器模型的判断输出控制指令；

一个电机制动试验系统，测试驱动轮电机制动时能量回收的效果。

其中气压与再生制动协调控制系统设定前后轴制动力的分配并设定所需的目标再生制动力矩，当前电机转速下，对电机所能提供的最大制动扭矩能够满足后轴所需制动扭矩时，后轴制动扭矩全部由电机提供，如果电机提供的制动扭矩不能满足后轴所需的制动扭矩时，对电机制动扭矩和气压制动扭矩进行动态协调控制。

所说的协调控制系统能够通过电池管理系统16获取电池组的当前状态，通过点击控制器及电机的相关传感器获取电机的状态信息；协调控制系统通过模型仿真试验系统的整车动力学模型获取车轮的轮速、通过前后轴的压力传感器获取前后轴的当前气压制动压力、通过踏板位移传感器获取驾驶员的制动需求信息。

所说的踏板位移传感器21安装在硬件在回路试验台的制动踏板20下，测量制动踏板20的行程，以确定驾驶员的制动需求，踏板位移传感器的信号输出端与数据处理系统(34)连接。

所说的气压与再生制动协调控制系统在电机输出扭矩稳定之前，根据前后制动力分配系数计算出前后轴所需的制动扭矩，电机输出扭矩与后轴需求扭矩之间的差值由气压制动扭矩来补偿；电机输出扭矩稳定之后，根据电机当前的电流和电压计算出电机稳定状态下的实际输出扭矩，实际输出扭矩与电机目标输出扭矩进行对比，电机的稳态误差由气压制动扭矩来补偿。

参考图1，所示为混合动力客车气压与再生制动协调控制系统的硬件在回路试验台示意图，试验台的混合动力客车原型为后轮驱动，只在后轮进行再生制动。但本发明不局限于后轮驱动的混合动力客车类型，同样适用于其他类型的混合动力汽车。

试验操作人员踩下制动踏板20后，踏板位移传感器21测量出制动踏板20的开度，数据处理系统34将此数据滤波后，经数据采集卡37输入模型仿真系统中的控制器模型38中，控制器模型38计算出操作人员所需的制动强度，并根据制动强度分配前后轴的制动力。

当后轴的制动力能够全部由电机4提供时，控制器模型38发出控制指令，控制指令经数据采集卡37输入给电磁阀驱动电路35和电机控制器3。电磁阀驱动电路35驱动后制动管路常开电磁阀26，将其关闭，关闭进入后轴制动管路的制动气压。电机控制器3控制电机4产生相应的制动扭矩，制动扭矩的大小通过电机扭矩传感器测得，并通过信号处理电路2和数据采集卡37反馈回控制器模型38，调节电机的输出扭矩，以达到所需的制动扭矩。前轴制动扭矩全部由气压制动提供，储气筒19前腔中的高压制动气体经制动踏板20下腔、前制动管路常开电磁阀28、三通27分别进入左前制动气压调节装置25和右前制动气压调节装置30，然后进入左前制动气室24触动左前制动鼓动作、右前制动气室31触动右前制动鼓动作。进入前轴的制动压力由前制动管路压力传感器29测得，并经信号处理电路2和数据采集卡37输入到整车动力学模型39中，计算出当前前轴压力下所能提供的前轴制动力，当计算的制动扭矩大于分配到前轴所需的制动扭矩时，关闭前制动管路常开电磁阀28，切断储气筒19到制动气室24、31的气压通道，使前轴的制动扭矩保持不变。

当电机提供的扭矩不能满足需求的制动扭矩时，电机控制器3控制电机4输出最大制动扭矩，不足部分由气压制动力提供。首先根据电机4中的电流和电压传感器的信号，计算出电机4当前状态下所能提供的最大力矩和需要施加的气压制动力矩，当所需的气压制动力矩达到要求时，控制器模型38发出控制指令，经过数据采集卡37和电磁阀驱动电路35关闭后制动管路常开电磁阀26。对于前轴，跟前面所述的电机制动扭矩能够满足所需的制动扭矩时的情况一样，这里不再重复。

电池管理系统16采集电池组15的当前状态信息，通过信号处理电路2和数据采集卡37输入到控制器模型38中，控制器模型38根据电池组15的状态确定制动时是否向电池组15充电。当电池组15当前的荷电状态高出一定阈值时，不充电，而低于一定阈值时才向电池组15充电。电池组15荷电状态的变化可以通过电池管理系统16输入到整车动力学模型39中，并将数据保存在主机1中，以便试验完成后查看。

参考图2，所示为混合动力汽车气压与再生制动协调控制系统的硬件在回路试验台的气压制动试验系统布置图。由左前轮鼓式制动器23、右前轮鼓式制动器32、左后轮鼓式制动器13、右后轮鼓式制动器5、左前制动气室压力传感器22、右前制动气室压力传感器33、左后制动气室压力传感器14、右后制动气室压力传感器6、左前制动气压调节装置25、右前制动气压调节装置30、左后制动气压调节装置11、右后制动气压调节装置8、制动踏板20、踏板位移传感器21、空气压缩机17、湿储气筒18、储气筒19组成，前轴制动管路中还串联了前制动管路常开电磁阀28和前制动管路压力传感器29，后轴制动管路中串联了后制动管路常开电磁阀26和后制动管路压力传感器10。

试验操作人员踩下制动踏板20后，制动踏板20上、下腔与前后制动气室24、31、12、7联通。对前制动管路，储气筒19前腔中的高压气体通过制动踏板20的的下腔、前制动管路常开电磁阀28、三通27、左右前制动气压调节装置25、30进入左前制动气室24和右前制动气室31，促动左前鼓式制动器23和右前鼓式制动器32动作；对后制动管路，储气筒19后腔中的高压气体通过制动阀20的上腔、后制动管路常开电磁阀26、快放阀9、右后制动气压调节装置8、左后制动气压调节装置11进入右后制动气室7和左后制动气室12，促动右后鼓式制动器5和左后鼓式制动器13动作。各制动器建立的制动气压，由左前制动气室压力传感器22、右前动气室压力传感器33、左后动气室压力传感器14、右后动气室压力传感器6采集得到，并输入数据处理系统34，经滤波整形之后输入数据采集卡37，成为整车动力学模型的输入。整车动力学模型将制动气室的压力通过一定的换算公式转换成车轮的制动力，是车辆模型制动，控制器模型38根据车轮的制动情况，发出控制指令，控制指令经数据采集卡37输出到电磁阀驱动电路35驱动左前制动气压调节装置25、右前制动气压调节装置30、左后制动气压调节装置11、右后制动气压调节装置8，完成对制动压力的调节。测试气压制动系统时可以对压力调节器进行不同的控制或不进行控制以测试混合动力客车气压制动系统的各种特性和制动压力调节器、常开电磁阀的特性。

参考图3，所示为混合动力客车气压与再生制动协调控制系统硬件在回路试验台的电机制动试验系统的示意图。电机制动试验系统完全采用电机制动，左前制动器23和右前制动器32不参与制动，前轴制动管路常开电磁阀28处于关闭状态。电机制动试验系统测试小踏板开度下的制动。

试验操作人员踩下制动踏板20后，踏板位移传感器21测量出制动踏板20的开度，并输入到控制器模型38中，控制器模型38计算出所需的制动强度，并根据制动强度计算后轴所需的制动力矩。

当所需的制动力矩能够全部由电机4提供时，控制器模型38发出控制指令，将后制动管路常开电磁阀26关闭，并要求电机控制器3输出相应大小的制动力矩。电机制动扭矩的大小通过电机4中的扭矩传感器测得，并反馈给控制器模型38，及时调整电机的输出扭矩。

当所需的制动力矩不能全部由电机提供时，电机控制器3控制电机4输出最大制动扭矩，不足部分由气压制动力提供。后制动管路压力传感器10根据所采集的后轴当前的压力状态计算出当前气压制动力矩，当所需的气压制动力矩达到要求时，控制器模型38发出控制指令，关闭后制动管路常开电磁阀26，保持当前制动强度下的制动总力矩。

电池管理系统16采集电池组15的当前状态信息，通过信号处理电路2和数据采集卡37输入到控制器模型38中，控制器模型38根据电池管理系统16测得的电池组15状态确定制动时是否向电池组15充电，并将电池组15的荷电状态的时间历程保存在主机1中，以便试验完成后查看。

参考图3所示，踏板位移传感器21、压力传感器包括左前制动气室压力传感器22、右前制动气室压力传感器33、左后制动气室压力传感器14、右后制动气室压力传感器6、前制动管路压力传感器29、后制动管路压力传感器10、电机4中的扭矩传感器、电流和电压传感器、电池管理系统16的信号经过信号处理电路2输入数据采集卡37。控制器模型38输出的左前制动气压调节装置25、右前制动气压调节装置30、左后制动气压调节装置11、右后制动气压调节装置8、前制动管路常开电磁阀28、后制动管路常开电磁阀26的控制指令经数据采集卡37和电磁阀驱动电路(35)驱动各制动气压调节装置和常开电磁阀。数据采集卡安装在工控机36中，与主机1通过TCP/IP协议进行通讯。主机1中运行整车动力学模型39和控制器模型38。

参考图4所示，整车动力学模型39由发动机模型、传动系模型、轮胎模型、整车模型、转向系统模型和模型的输入输出端组成。

整车动力学模型39和控制器模型38在Matlab/Simulink环境下建立，软件和模型运行在主机1中，模型所需的整车参数和控制参数也在主机1内运行。利用Matlab软件自带的代码生成工具生成目标代码，然后通过网线下载到工控机36的xPC实时内核中，模型的输入输出部分在实时内核中与数据采集卡37相连，采集信号处理电路2的输入数据，输出控制器模型38的控制指令。

Claims (5)

1.一种混合动力客车气压与再生制动协调控制系统试验台，包括气压和再生制动控制协调控制试验系统、气压制动试验系统、数据处理系统、模型仿真试验系统和电机制动试验系统，其特征在于所述的气压和再生制动协调控制试验系统、气压制动试验系统和电机制动试验系统中的传感器信号输入到数据处理系统中，经过信号调理后输入模型仿真试验系统中，模型仿真试验系统发出的控制指令也通过数据处理系统放大后驱动气压和再生制动协调控制试验系统、气压制动试验系统和电机制动试验系统的执行部件，实现包括硬件及控制策略在内的混合动力汽车的气压和再生制动协调控制系统进行整体性能测试。

2.根据权利要求1所述的混合动力客车气压与再生制动协调控制系统试验台，其特征在于，所述的气压制动试验系统包括，制动踏板(20)受力后，储气筒(19)中的高压空气经制动管路进入左右前制动气室(24，31)、左右后制动气室(12，7)，分别对左右前轮鼓式制动器(23，32)、左右后轮鼓式制动器(13，5)进行制动，左右前制动气室压力传感器(22，33)、左右后制动气室压力传感器(14，6)分别对各个制动气室的压力进行测量，测量值输入数据处理系统，经滤波调理后输入模型仿真实验系统，模型仿真试验系统发出控制指令对左右前制动气压调节装置(25，30)、左右后制动气压调节装置(11，8)进行控制，实现制动压力的调节。

3.根据权利要求1所述的混合动力客车气压与再生制动协调控制系统试验台，其特征在于，所述的数据处理系统(34)由信号处理电路(2)和电磁阀驱动电路(35)组成，信号处理电路(2)能够将左右前制动气室压力传感器(22，33)、左右后制动气室压力传感器(14，6)、前后制动管路压力传感器(29，10)、踏板位移传感器(21)、电机控制器(3)、电池管理系统(16)的输入数据的模拟信号进行调理、滤波、调幅处理，并输入数据采集卡(37)进行模拟信号转换为数字信号，输出到模型仿真试验系统中，将控制器模型(38)输出的控制指令经电磁阀驱动电路(35)驱动左右前制动气压调节装置(25，30)、左右后制动气压调节装置(11，8)、前后制动管路常开电磁阀(28，26)，经电机控制器(3)控制电机(4)的转速和输出扭矩，并通过电池管理系统(16)实现对电池组(15)的充放电管理。

4.根据权利要求1所述的混合动力客车气压与再生制动协调控制系统试验台，其特征在于，所述的模型仿真试验系统由主机(1)、工控机(36)、数据采集卡(37)组成，数据采集卡(37)直接插在工控机的板卡插槽中，主机(1)和工控机(36)之间网线连接，根据TCP/IP协议相互通讯，主机(1)用于运行整车动力学模型(39)和控制器模型(38)，工控机(36)用于运行生成的目标代码。

5.根据权利要求1所述的混合动力客车气压与再生制动协调控制系统试验台，其特征在于，所述的电机制动试验系统由电机(4)、电机控制器(3)、电池组(15)、电池管理系统(16)、制动阀(20)、踏板位移传感器(21)、后制动管路常开电磁阀(26)、后制动管路压力传感器(10)组成，当踩下制动踏板(20)后，主机(1)中的模型仿真试验系统的车辆模型开始制动，电机控制器(3)控制电机(4)切换为制动工作模式，并将制动能量转换为电能进行发电，电池管理系统(16)控制电池组(15)接收来自电机的发出的电能，电机制动时后制动管路常开电磁阀(26)关闭，后轴的制动全部由电机提供，后制动管路的压力由后制动管路压力传感器(10)来测量。

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