CN103776638A - 一种模拟混合动力汽车起动及再生制动特性的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟混合动力汽车起动及再生制动特性的装置及方法，该装置包括四象限运行电机、四象限运行电机控制器、转速转矩传感器、起发一体机、测控仪和上位机。四象限运行电机通过转速转矩传感器与起发一体机连接，四象限运行电机控制器与四象限运行电机相连，测控仪与四象限运行电机控制器相连，测控仪、四象限运行电机控制器、起发一体机、转速转矩传感器均通过CAN总线与上位机进行通讯。该方法是：四象限运行电机在上位机控制下模拟混合动力汽车发动机起动及再生制动特性，起发一体机在上位机控制下周期运行。通过该方法对起发一体机的起动及再生制动性能进行试验，试验结果接近实物系统，且具有系统结构简单、节能环保的优点。

Description

一种模拟混合动力汽车起动及再生制动特性的装置及方法

技术领域

本发明涉及混合动力汽车动力特性测试技术领域，特别涉及一种模拟混合动力汽车起动及再生制动特性的装置及方法。

背景技术

目前，对混合动力汽车的起发一体机进行试验时，主要有以下方法：一是采用包含发动机在内的完整的动力总成进行试验，这样做的优点是试验结果的真实度较高；缺点是试验过程需要消耗燃油，成本高，污染大，再生制动工况无法进行试验。二是采用液压加载机，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，阻力转矩反应不灵敏，因此这种方案需要采用两套系统分别模拟起发一体机系统发电工况和电动工况，针对一套起发一体机系统，实现电动起动与回馈发电之间循环转换较困难。

因此，寻求一种成本低、节能环保，且能够对混合动力汽车发动机起动过程和再生制动过程均能够进行模拟，并对起发一体机的起动和再生制动特性进行测试的控制方法和装置具有重要实用意义。

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，提供一种模拟混合动力汽车起动及再生制动特性的方法，该方法中通过四象限运行电机真实地模拟发动机起动过程和再生制动过程，试验结果接近实际系统，使半实物仿真系统的试验具有工程价值。

本发明还提供了一种采用上述方法的装置，该装置中采用的电机为具备四象限运行功能的电机，且该电机用来模拟发动机，不仅结构简单，且节能环保。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种模拟混合动力汽车起动及再生制动特性的装置，包括四象限运行电机、四象限运行电机控制器、转速转矩传感器、起发一体机、测控仪和上位机，转速转矩传感器分别与四象限运行电机和起发一体机相连，四象限运行电机控制器与四象限运行电机相连，测控仪与四象限运行电机控制器相连，测控仪、四象限运行电机控制器、起发一体机、转速转矩传感器均通过CAN总线与上位机进行通讯。

优选的，所述四象限运行电机为交流异步电机或永磁同步电机。

优选的，所述四象限运行电机控制器为ABB-ACS800，功率15KW，四象限运行（能量反馈上网的方式）。

更进一步的，所述四象限运行电机控制器还与电网连接，在四象限运行电机模拟混合动力汽车起动时，四象限运行电机产生的电力通过该控制器回馈到电网。

优选的，所述起发一体机为BSG或者ISG电机。

一种基于上述装置的模拟混合动力汽车起动及再生制动特性的方法，包括步骤：在模拟混合动力汽车起动工况时，用四象限运行电机模拟发动机，根据预设的发动机起动过程中阻力力矩/速度曲线及转动发动机惯量，四象限运行电机作为负载，根据起发一体机实际产生的力矩与发动机启动需要的力矩的关系，确定起动是否成功；在发动机起动完成后，四象限运行电机根据预设的发动机的动力及转速变化，模拟发动机驱动起发一体机发电；在模拟混合动力汽车再生制动过程时，四象限运行电机模拟汽车惯性推动起发一体机发电，起发一体机反过来对汽车产生制动转矩，根据系统模拟汽车需要的制动转矩与起发一体机实际产生的制动转矩的关系，确定再生制动是否成功。

具体的，在模拟起发一体机起动混合动力汽车时，上位机通过CAN总线对四象限运行电机和起发一体机进行控制，结合起发一体机在不同速度时的转矩、混合动力汽车发动机起动过程中阻力力矩/速度曲线及发动机转动惯量，对四象限运行电机的速度、加速度和运行时间进行控制，模拟混合动力汽车的起动特性，对起发一体机的起动性能进行试验，具体如下：

（1-1）控制四象限运行电机的转速为0转/分；起动起发一体机；

（1-2）上位机通过转矩转速传感器检测起发一体机的转速和转矩，如果当前起发一体机的转矩M_e0在规定时间内达到预设的启动转矩M₀，则四象限运行电机开始转动，进入步骤（1-3）；如果没有在规定时间内达到M₀，则表示此次测试中起发一体机起动发动机失败；

（1-3）在起动四象限运行电机后，对于阻力力矩/速度曲线上一点X（M_x/n_x），设起发一体机的力矩为Me_x，有以下三种可能：

(1-3-1)若Me_x>M_x，表示起发一体机能起动发动机，转速超过nx，转速继续增加；

(1-3-2)若Me_x<M_x，表示起发一体机不能起动发动机超过点X，起动失败；

(1-3-1)若Me_x=M_x，表示起发一体机能起动发动机到点X并匀速运转，不能继续加速，若此时n_x≧点火时的转速，则表示起动成功，如果n_x<点火时的转速，起动失败。

更进一步的，所述步骤（1-2）中，四象限运行电机的转矩M_e0达到预设的启动转矩M₀的时间限定在10ms。

更进一步的，所述步骤（1-3）中，四象限运行电机在起动过程中的加速时间t_x是由起发一体机的力矩和四象限运行电机的转矩的差值(Me_x-M_x)、被模拟混合动力汽车发动机转动惯量J确定的，若差值(Me_x-M_x)越大，转动惯量J越小，则t_x越小，反之，t_x越大；若t_x超过设定的限值，则起动失败；

$t_x={\&Integral;}_{{\mathrm{\&omega;}}_x}^{{\mathrm{\&omega;}}_{x+1}}J/({\mathrm{Me}}_x-\mathrm{Mx})\mathrm{d\&omega;};$

其中，ω表示起发一体机的角速度，ω_x表示起发一体机在X点的角速度，ω_x+1表示起发一体机在X+1点的角速度。

具体的，在模拟混合动力汽车再生制动特性时，通过上位机设定模拟的发动机再生制动过程中阻力力矩/速度曲线及转动发动机惯量，然后通过CAN总线对四象限运行电机的速度进行控制，这一过程中推动起发一体机发电，并反过来对汽车产生制动转矩；再生制动时汽车呈减速状态，设四象限运行电机模拟汽车在阻力力矩/速度曲线上X+1点需要的制动为M_x+1，起发一体机在该点产生的制动转矩为Me_x+1，有以下三种可能：

（2-1）若Me_x+1>M_x+1,表示起发一体机产生了过大的制动力矩，汽车转速从点X+1减速到点X的时间过短，超过了汽车控制要求，制动失败；

（2-2）若Me_x+1<M_x+1,表示起发一体机产生了过小的制动力矩，汽车转速从点X+1减速到点X的时间加长，超过了汽车控制要求，制动失败；

（2-3）若Me_x+1=M_x+1,表示起发一体机产生的制动力矩与汽车控制要求一致，汽车转速从点X+1减速到点X的时间正常，满足汽车控制要求，制动成功。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明装置通过四象限运行电机模拟混合动力汽车发动机起动过程和再生制动过程，起动过程试验效果与发动机配套试验相当，还解决了发动机配套试验时不能进行再生制动的试验问题。

2、本发明方法不使用燃油，四象限运行电机可以在模拟混合动力汽车起动过程中发电，然后通过四象限运行电机控制器将电力回馈到电网，降低了试验过程的能量消耗，非常适合进行混合动力汽车动力系统电气部件的寿命试验。

3、本发明采用四象限运行电机混合动力汽车发动机起动过程和再生制动过程，不存在发动机配套试验过程的机械磨损，降低了试验中设备使用成本。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图；

图2是实施例1中发动机阻力力矩/速度曲线示意图；

图3是实施例1中起动过程处理流程框图；

图4是实施例1中再生制动过程处理流程框图。

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，本实施例所述的模拟混合动力汽车起动及再生制动特性的装置包括四象限运行电机、四象限运行电机控制器、转速转矩传感器、起发一体机、测控仪和上位机，测控仪、四象限运行电机控制器、起发一体机、转速转矩传感器均通过CAN总线与上位机进行通讯，四象限运行电机控制器用于根据上位机和测控仪的控制信号对四象限运行电机的转速、转矩进行控制，转速转矩传感器用于采集当前的起发一体机的转速和转矩并发送到上位机；起发一体机通过转速转矩传感器与四象限运行电机相连，起发一体机在上位机控制下周期运行，四象限运行电机在上位机控制下模拟混合动力汽车发动机起动和再生制动特性。

在本实施例中，可采用交流异步电机（额定功率11KW，额定扭矩70N.m,额定转速1500rpm,加载最高转速3000rpm，反拖最高转速6000rpm）作为四象限运行电机，起发一体机具体可采用BSG交流异步电机（额定功率5KW，最大功率10KW，额定扭矩32N.m，最大扭矩100N.m，额定转速1500rpm，最高转速5000rpm）。

为了达到节能的目的，本实施例中的四象限运行电机控制器还与电网连接，四象限运行电机在起发一体机的驱动下发电时，电力通过四象限运行电机控制器回馈到电网。本实施例中四象限运行电机控制器采用ABB-ACS800，功率15KW，四象限运行（能量反馈上网的方式）。

基于上述装置，本实施例的测试方法主要包括下面3个方面。

一、模拟起发一体机起动发动机过程

在这一过程中，四象限运行电机作为负载模拟发动机，通过上位机设定如图2所示的发动机起动过程阻力力矩/速度曲线，通过CAN总线对四象限运行电机的速度从0到800转/分按以下过程进行控制，流程图如图3所示：

（1）控制四象限运行电机的转速为0转/分；起动起发一体机；

（2）上位机通过转矩转速传感器检测起发一体机的转速和转矩，如果当前起发一体机的转矩

在规定时间内（t₀）达到预设的启动转矩M₀，则四象限运行电机开始转动，进入步骤（3）；如果四象限运行电机从转速n₀加速到n₁的时间t₀超过10ms时，Me₀仍然小于M₀，则表示此次测试中起发一体机起动发动机失败；

（3）在启动四象限运行电机后，对于阻力力矩/速度曲线上一点X（M_x/n_x），设起发一体机的力矩为Me_x，有以下三种可能（X的取值范围0-799）：

(3-1)若Me_x>M_x，表示起发一体机能起动发动机转速超过nx，转速继续增加；

(3-2)若Me_x<M_x，表示起发一体机不能起动发动机超过点X，起动失败；

(3-1)若Me_x=M_x，表示起发一体机能起动发动机到点X并匀速运转，不能继续加速，若此时n_x≧800转/分，则表示起动成功，如果n_x<800转/分，起动失败。由于传统内燃机汽车的发动机起动时，点火时的转速在50-200转/分，此时燃油效率低，排放高，环境污染严重。而采用起发一体机的混合动力汽车起动发动机时，点火时的转速就能够大于800转/分，因此提高了发动机的燃油效率，减少了排放。

矢量控制电机从点X加速到点X+1的时间t_x由Me_x-M_x的差值及发动机的转动惯量确定。差值越大，转动惯量越小，t_x越小，反之，t_x越大。例如如果从发动机从0到800转/分的时间超过3s，起动失败。

二、在模拟发动机起动完成后，四象限运行电机根据预设的发动机的动力及转速变化，模拟发动机驱动起发一体机发电。

三、模拟再生制动过程

按图2四象限运行电机模拟混合动力汽车再生制动时的汽车惯性推动起发一体机发电，起发一体机反过来对汽车产生制动转矩。过程如图4所示，再生制动时汽车呈减速状态，四象限运行电机模拟汽车在阻力力矩/速度曲线上X+1点需要的制动为M_x+1，起发一体机在该点产生的制动转矩Me_x+1，有以下三种可能：

（2-1）若Me_x+1>M_x+1,表示起发一体机产生了过大的制动力矩，汽车转速从点X+1减速到点X的时间过短，超过了汽车控制要求，制动失败；

（2-2）若Me_x+1<M_x+1,表示起发一体机产生了过小的制动力矩，汽车转速从点X+1减速到点X的时间加长，超过了汽车控制要求，制动失败；

（2-3）若Me_x+1=M_x+1,表示起发一体机产生的制动力矩与汽车控制要求一致，汽车转速从点X+1减速到点X的时间正常，满足汽车控制要求，制动成功。

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。

Claims (9)

1.一种模拟混合动力汽车起动及再生制动特性的装置，其特征在于：包括四象限运行电机、四象限运行电机控制器、转速转矩传感器、起发一体机、测控仪和上位机，转速转矩传感器分别与四象限运行电机和起发一体机相连，四象限运行电机控制器与四象限运行电机相连，测控仪与四象限运行电机控制器相连，测控仪、四象限运行电机控制器、起发一体机、转速转矩传感器均通过CAN总线与上位机进行通讯。

2.根据权利要求1所述的模拟混合动力汽车起动及再生制动特性的装置，其特征在于：所述四象限运行电机为交流异步电机或永磁同步电机。

3.根据权利要求1所述的模拟混合动力汽车起动及再生制动特性的装置，其特征在于：所述起发一体机为BSG电机或ISG电机。

4.根据权利要求1所述的模拟混合动力汽车起动及再生制动特性的装置，其特征在于：所述四象限运行电机控制器为ABB-ACS800，四象限运行；

所述四象限运行电机控制器还与电网连接，在四象限运行电机模拟混合动力汽车起动时，四象限运行电机产生的电力通过该控制器回馈到电网。

5.根据权利要求1-4任一项所述模拟混合动力汽车起动及再生制动特性的装置的方法，其特征在于：包括步骤：在模拟混合动力汽车起动工况时，用四象限运行电机模拟发动机，根据预设的发动机起动过程中阻力力矩/速度曲线及转动发动机惯量，四象限运行电机作为负载，根据起发一体机实际产生的力矩与发动机启动需要的力矩的关系，确定起动是否成功；在发动机起动完成后，四象限运行电机根据预设的发动机的动力及转速变化，模拟发动机驱动起发一体机发电；在模拟混合动力汽车再生制动过程时，四象限运行电机模拟汽车惯性推动起发一体机发电，起发一体机反过来对汽车产生制动转矩，根据系统模拟汽车需要的制动转矩与起发一体机实际产生的制动转矩的关系，确定再生制动是否成功。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：在模拟起发一体机起动混合动力汽车时，上位机通过CAN总线对四象限运行电机和起发一体机进行控制，结合起发一体机在不同速度时的转矩、混合动力汽车发动机起动过程中阻力力矩/速度曲线及发动机转动惯量，对四象限运行电机的速度、加速度和运行时间进行控制，模拟混合动力汽车的起动特性，对起发一体机的起动性能进行试验，具体如下：

（1-1）控制四象限运行电机的转速为0转/分；起动起发一体机；

（1-2）上位机通过转矩转速传感器检测起发一体机的转速和转矩，如果当前起发一体机的转矩M_e0在规定时间内达到预设的启动转矩M₀，则四象限运行电机开始转动，进入步骤（1-3）；如果没有在规定时间内达到M₀，则表示此次测试中起发一体机起动发动机失败；

（1-3）在起动四象限运行电机后，对于阻力力矩/速度曲线上一点X（M_x/n_x），设起发一体机的力矩为Me_x，有以下三种可能：

(1-3-1)若Me_x>M_x，表示起发一体机能起动发动机，转速超过nx，转速继续增加；

(1-3-2)若Me_x<M_x，表示起发一体机不能起动发动机超过点X，起动失败；

(1-3-1)若Me_x=M_x，表示起发一体机能起动发动机到点X并匀速运转，不能继续加速，若此时n_x≧点火时的转速，则表示起动成功，如果n_x<点火时的转速，起动失败。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述步骤（1-2）中，四象限运行电机的转矩M_e0达到预设的启动转矩M₀的时间限定在10ms。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述步骤（1-3）中，四象限运行电机在起动过程中的加速时间t_x是由起发一体机的力矩和四象限运行电机的转矩的差值(Me_x-M_x)、被模拟混合动力汽车发动机转动惯量J确定的，若差值(Me_x-M_x)越大，转动惯量J越小，则t_x越小，反之，t_x越大；若t_x超过设定的限值，则起动失败；

$t_x={\&Integral;}_{{\mathrm{\&omega;}}_x}^{{\mathrm{\&omega;}}_{x+1}}J/({\mathrm{Me}}_x-\mathrm{Mx})\mathrm{d\&omega;};$

其中，ω表示起发一体机的角速度，ω_x表示起发一体机在X点的角速度，ω_x+1表示起发一体机在X+1点的角速度。

9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：在模拟混合动力汽车再生制动特性时，通过上位机设定模拟的发动机再生制动过程中阻力力矩/速度曲线及转动发动机惯量，然后通过CAN总线对四象限运行电机的速度进行控制，这一过程中推动起发一体机发电，并反过来对汽车产生制动转矩；再生制动时汽车呈减速状态，设四象限运行电机模拟汽车在阻力力矩/速度曲线上X+1点需要的制动为M_x+1，起发一体机在该点产生的制动转矩为Me_x+1，有以下三种可能：

（2-1）若Me_x+1>M_x+1,表示起发一体机产生了过大的制动力矩，汽车转速从点X+1减速到点X的时间过短，超过了汽车控制要求，制动失败；

（2-2）若Me_x+1<M_x+1,表示起发一体机产生了过小的制动力矩，汽车转速从点X+1减速到点X的时间加长，超过了汽车控制要求，制动失败；

（2-3）若Me_x+1=M_x+1,表示起发一体机产生的制动力矩与汽车控制要求一致，汽车转速从点X+1减速到点X的时间正常，满足汽车控制要求，制动成功。

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