CN106596008B - 一种模拟实际驾驶工况的车载燃料电池振动试验系统 - Google Patents

一种模拟实际驾驶工况的车载燃料电池振动试验系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种模拟实际驾驶工况的车载燃料电池振动试验系统，用于模拟实际驾驶工况下车载燃料电池振动状态的复现，该系统包括垂向振动信号实时发生单元、振动执行单元、数据采集单元和控制单元，所述的垂向振动信号实时发生单元模拟在不同车速及路面不平度状态下车载燃料电池的垂向振动目标信号，所述的振动执行单元产生垂向振动，所述的数据采集单元采集振动执行单元的垂向振动实际信号，所述的控制单元根据所述的垂向振动目标信号和垂向振动实际信号对振动执行单元进行跟踪控制，进而振动执行单元对所述的垂向振动目标信号进行振动复现。与现有技术相比，本发明实用性强、操作简洁、不受气候环境限制的影响，并且可以对真实驾驶情况进行复现。

Description

一种模拟实际驾驶工况的车载燃料电池振动试验系统
技术领域
本发明涉及一种车载燃料电池振动试验系统，尤其是涉及一种模拟实际驾驶工况的车载燃料电池振动试验系统。
背景技术
燃料电池汽车由于其高效率、零排放等优势，成为了未来汽车工业发展的一个重要方向。国内外学者在研究中发现燃料电池汽车的道路行驶环境的适应性问题，即实际道路行驶工况下，由于路面的不平度激励、行驶车速的变化等因素，对燃料电池系统整体及其部件的性能等产生了较为显著的影响，与试验室内静态测试结果相比车辆经济性、动力性产生明显的衰退。针对实车测试容易受到外界干扰、试验的重复性差、成本高的现状，有必要设计一个燃料电池系统的振动试验系统，用于模拟其在路面激励下各种行驶工况中的振动情况，从而便于对车载燃料电池在道路行驶振动环境下的性能变化情况进行研究。
当前传统的道路模拟的控制方法属于随机振动控制，以RPC(远程参数控制)技术为代表的采用离线迭代的方式，需要在正式试验前花较长时间来迭代计算目标振动信号对应的驱动信号，这种控制策略不具有实时性，对于系统可能存在的时变和非线性的适应效果较差；其次，传统随机振动控制策略采用频谱均衡的思想，无法对非平稳信号实现在线分析和实时复现。再者，这种振动复现方法没有考虑车辆和路面模型，往往需要提前采集振动信号并进行分析处理，无法在试验室内任意的变化车速，与实际的驾驶情况有较大出入。
专利CN101498615A展示了一种电动式道路模拟试验台，其采用伺服电机的旋转运动作为驱动源，由丝杠转化为直线运动模拟垂向振动，结构较为复杂，而且无法实现任意车速下实时振动环境的模拟。
专利CN102788702A展示了一种用于整车试验的道路模拟试验台，其研究目标是传统汽车在温度湿度气压及路面振动的环境下的整车的可靠性试验，无法进行车用燃料电池系统的振动复现的试验。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种模拟实际驾驶工况的车载燃料电池振动试验系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种模拟实际驾驶工况的车载燃料电池振动试验系统，用于模拟实际驾驶工况下车载燃料电池振动状态的复现，该系统包括垂向振动信号实时发生单元、振动执行单元、数据采集单元和控制单元，所述的垂向振动信号实时发生单元模拟在不同车速及路面不平度状态下车载燃料电池处的垂向振动目标信号，所述的振动执行单元产生垂向振动，所述的数据采集单元采集振动执行单元的垂向振动实际信号，所述的控制单元根据所述的垂向振动目标信号和垂向振动实际信号对振动执行单元进行跟踪控制，进而振动执行单元对所述的垂向振动目标信号进行振动复现。
所述的垂向振动信号实时发生单元包括驾驶模拟器和上位机，所述的驾驶模拟器连接所述的上位机，所述的驾驶模拟器用于驾驶模拟操作，所述的上位机设有车速计算模块、路面不平整度储存模块和垂向振动目标信号计算模块，所述的车速计算模块根据驾驶模拟器的驾驶状态信息计算实时车速，所述的路面不平整度储存模块存储路面不平整度信息，所述的垂向振动目标信号计算模块根据实时车速和当前路面不平整度信息计算车载燃料电池处的垂向振动目标信号。
所述的驾驶状态信息包括驾驶模拟器采集的油门开度和制动踏板力度。
垂向振动目标信号计算模块根据实时车速和当前路面不平整度信息计算垂向振动目标信号具体为：垂向振动目标信号计算模块根据实时车速和当前路面不平整度信息获取前轮的垂向位移激励和后轮的垂向位移激励，进而将垂向位移激励和后轮的垂向位移激励作为车辆垂向振动模型输入信号，通过车辆垂向振动模型得到所述的车载燃料电池处的垂向振动目标信号。
所述的振动执行单元包括电动振动台和用于固定车载燃料电池的辅助台面，所述的辅助台面设置在电动振动台上，所述的车载燃料电池固定安装在所述的辅助台面上。
所述的数据采集单元包括设置在振动执行单元上的位移传感器、加速度传感器和数据采集卡，所述的位移传感器和加速度传感器连接至数据采集卡，所述的数据采集卡连接至控制单元。
所述的控制单元包括控制器和功率放大器，控制器输入端连接所述的垂向振动信号实时发生单元和数据采集单元，控制器输出端连接所述的功率放大器输入端，功率放大器输出端连接所述的振动执行单元；
控制器将数据采集单元采集的垂向振动实际信号与垂向振动信号实时发生单元产生的垂向振动目标信号进行对比，采用自适应逆控制方法产生振动驱动信号，功率放大器对振动驱动信号放大并驱动振动执行单元振动。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明通过振动信号实时发生单元模拟在不同车速及路面不平度状态下车载燃料电池的垂向振动目标信号，进而通过振动执行单元实现垂向振动目标信号的复现，实现了在任意车速和路面情况下的实时振动环境的模拟，为后续对车载燃料电池在道路行驶振动环境中性能研究提供试验基础；
(2)本发明采用驾驶模拟器便于在实验时实验人员进行实际驾驶，从而根据驾驶模拟器的驾驶状态信息对不同车速进行实时计算，实现了任意车速的模拟实验，操作方便，及时性强；
(3)本发明通过燃料电池车辆垂向振动模型对任意车速和路面状态下的垂向振动目标信号进行计算，精确度高，进而提高后续对实际振动状态的可靠复现；
(4)本发明采用数据采集单元对振动执行单元中的电动振动台的垂向振动实际信号进行实时采集，并通过控制器进行自适应逆控制，使得振动执行单元的垂向振动实际信号稳定可靠地跟踪垂向振动目标信号，进而实现垂向振动目标信号的精确复现，提高整个系统的精确性；
(5)本发明的试验系统结构简单、操作方便、不受气候环境限制的影响。
附图说明
图1为本发明模拟实际驾驶工况的车载燃料电池振动试验系统的结构框图。
图中，1为振动信号实时发生单元，2为振动执行单元，3为数据采集单元，4为控制单元，11为驾驶模拟器，12为上位机，41为控制器，42为功率放大器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1所示，一种模拟实际驾驶工况的车载燃料电池振动试验系统，用于模拟实际驾驶工况下车载燃料电池振动状态的复现，该系统包括垂向振动信号实时发生单元1、振动执行单元2、数据采集单元3和控制单元4，垂向振动信号实时发生单元1模拟在不同车速及路面不平度状态下车载燃料电池处的垂向振动目标信号，振动执行单元2产生垂向振动，数据采集单元3采集振动执行单元2的垂向振动实际信号，控制单元4根据垂向振动目标信号和垂向振动实际信号对振动执行单元2进行跟踪控制，进而振动执行单元2对垂向振动目标信号进行振动复现。
垂向振动信号实时发生单元1包括驾驶模拟器11和上位机12，驾驶模拟器11连接上位机12，驾驶模拟器11用于驾驶模拟操作，上位机12设有车速计算模块、路面不平整度储存模块和垂向振动目标信号计算模块，车速计算模块根据驾驶模拟器11的驾驶状态信息计算实时车速，路面不平整度储存模块存储路面不平整度信息，垂向振动目标信号计算模块根据实时车速和当前路面不平整度信息计算车载燃料电池处的垂向振动目标信号。其中，驾驶状态信息包括驾驶模拟器11采集的油门开度和制动踏板力度。垂向振动目标信号计算模块根据实时车速和当前路面不平整度信息计算垂向振动目标信号具体为：垂向振动目标信号计算模块根据实时车速和当前路面不平整度信息获取前轮的垂向位移激励和后轮的垂向位移激励，进而将垂向位移激励和后轮的垂向位移激励作为车辆垂向振动模型输入信号，通过车辆垂向振动模型得到车载燃料电池处的垂向振动目标信号。
垂向振动目标信号计算模块通过燃料电池车辆垂向振动模型计算垂向振动目标信号。具体地：路面不平整度信息用Zroad＝Z(s)表示，则车辆行进到T时刻的垂向位移激励可以表示为
其中，Zr1为前轮的垂向位移激励，Zr2为后轮的垂向位移激励，lab为前后轮之间的轴距，Z(s0)为起始位置处的路面不平度，v(t)为实时车速，通过实时车速和路面不平整度信息得到位移激励Zr：
将位移激励Zr作为输入，通过车辆垂向振动模型可以实时计算得到车载燃料电池处的垂向振动目标信号。车辆垂向振动模型为现有的车辆多自由度模型，具体为：
其中，M为质量矩阵，C为阻尼矩阵，K为刚度矩阵，P为对应于位移激励的等效刚度矩阵，则等式右端项表示对应于位移激励的等效输入力，Z为车载燃料电池处的垂向位移，从而根据垂向位移得到车载燃料电池处的垂向振动目标信号。
振动执行单元2包括电动振动台和用于固定车载燃料电池的辅助台面，辅助台面设置在电动振动台上，车载燃料电池固定安装在辅助台面上。数据采集单元3包括设置在振动执行单元2上的位移传感器、加速度传感器和数据采集卡，位移传感器和加速度传感器连接至数据采集卡，数据采集卡连接至控制单元4。数据采集单元3集成在电动振动台控制仪中，负责实时监测电动振动台台面的位移和振动响应信号，对振动台过位移、过载荷等情况起到保护作用；同时将实测振动响应数据与目标信号作对比，调整控制参数。控制单元4包括控制器41和功率放大器42，控制器41输入端连接垂向振动信号实时发生单元1和数据采集单元3，控制器41输出端连接功率放大器42输入端，功率放大器42输出端连接振动执行单元2；控制器41将数据采集单元3采集的垂向振动实际信号与垂向振动信号实时发生单元1产生的垂向振动目标信号进行对比，采用自适应逆控制方法产生振动驱动信号，功率放大器42对振动驱动信号放大并驱动振动执行单元2振动。控制器41将时域的振动信号转化为驱动电动振动台的电信号，通过功率放大器42驱动电动振动台作动，对振动控制采用自适应逆控制的方法，以振动台待复现的振动信号作为输入信号，通过设计滤波器配合LMS算法得到振动系统逆模型，计算得到振动系统的驱动信号；同时，振动系统的逆传递特性需要进行实时更新，使其对系统的时变性和非线性具有良好的适应性；电动振动台系统需要满足一定的频率范围，以满足路面振动引起燃料电池系统的振动响应的频率范围，一般来说频率下限需要2Hz以下，频率上限500Hz以上。

Claims (6)

1.一种模拟实际驾驶工况的车载燃料电池振动试验系统，用于模拟实际驾驶工况下车载燃料电池振动状态的复现，其特征在于，该系统包括垂向振动信号实时发生单元(1)、振动执行单元(2)、数据采集单元(3)和控制单元(4)，所述的垂向振动信号实时发生单元(1)模拟在不同车速及路面不平度状态下车载燃料电池处的垂向振动目标信号，所述的振动执行单元(2)产生垂向振动，所述的数据采集单元(3)采集振动执行单元(2)的垂向振动实际信号，所述的控制单元(4)根据所述的垂向振动目标信号和垂向振动实际信号对振动执行单元(2)进行跟踪控制，进而振动执行单元(2)对所述的垂向振动目标信号进行振动复现；
所述的垂向振动信号实时发生单元(1)包括驾驶模拟器(11)和上位机(12)，所述的驾驶模拟器(11)连接所述的上位机(12)，所述的驾驶模拟器(11)用于驾驶模拟操作，所述的上位机(12)设有车速计算模块、路面不平整度储存模块和垂向振动目标信号计算模块，所述的车速计算模块根据驾驶模拟器(11)的驾驶状态信息计算实时车速，所述的路面不平整度储存模块存储路面不平整度信息，所述的垂向振动目标信号计算模块根据实时车速和当前路面不平整度信息计算车载燃料电池处的垂向振动目标信号。
2.根据权利要求1所述的一种模拟实际驾驶工况的车载燃料电池振动试验系统，其特征在于，所述的驾驶状态信息包括驾驶模拟器(11)采集的油门开度和制动踏板力度。
3.根据权利要求1所述的一种模拟实际驾驶工况的车载燃料电池振动试验系统，其特征在于，所述的垂向振动目标信号计算模块根据实时车速和当前路面不平整度信息计算垂向振动目标信号具体通过下述方式实现：垂向振动目标信号计算模块根据实时车速和当前路面不平整度信息获取前轮的垂向位移激励和后轮的垂向位移激励，进而将前轮的垂向位移激励和后轮的垂向位移激励作为车辆垂向振动模型输入信号，通过车辆垂向振动模型得到车载燃料电池处的垂向振动目标信号。
4.根据权利要求1所述的一种模拟实际驾驶工况的车载燃料电池振动试验系统，其特征在于，所述的振动执行单元(2)包括电动振动台和用于固定车载燃料电池的辅助台面，所述的辅助台面设置在电动振动台上，所述的车载燃料电池固定安装在所述的辅助台面上。
5.根据权利要求1所述的一种模拟实际驾驶工况的车载燃料电池振动试验系统，其特征在于，所述的数据采集单元(3)包括设置在振动执行单元(2)上的位移传感器、加速度传感器和数据采集卡，所述的位移传感器和加速度传感器连接至数据采集卡，所述的数据采集卡连接至控制单元(4)。
6.根据权利要求1所述的一种模拟实际驾驶工况的车载燃料电池振动试验系统，其特征在于，所述的控制单元(4)包括控制器(41)和功率放大器(42)，控制器(41)输入端连接所述的垂向振动信号实时发生单元(1)和数据采集单元(3)，控制器(41)输出端连接所述的功率放大器(42)输入端，功率放大器(42)输出端连接所述的振动执行单元(2)；
控制器(41)将数据采集单元(3)采集的垂向振动实际信号与垂向振动信号实时发生单元(1)产生的垂向振动目标信号进行对比，采用自适应逆控制方法产生振动驱动信号，功率放大器(42)对振动驱动信号放大并驱动振动执行单元(2)振动。
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