CN106878062A - 一种燃料电池汽车动力性能测试系统的多网冗余方法 - Google Patents

一种燃料电池汽车动力性能测试系统的多网冗余方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池汽车动力性能测试系统的多网冗余方法，包括以下步骤：1)建立燃料电池汽车动力性能测试系统的通讯网络；2)采用双网络冗余的方式构建冗余通信网络，包括主通讯网络和备份通讯网络，燃料电池汽车动力性能测试系统的通讯网络中的通信节点上的网卡和集线器均设有主备两套，并且分别通过每套网卡和集线器与主通讯网络或备份通讯网络通信。与现有技术相比，本发明具有冗余双网络、负荷平衡、可靠度高、应用范围广等优点。

Description

一种燃料电池汽车动力性能测试系统的多网冗余方法
技术领域
本发明涉及整车性能测试系统网络通信技术领域，尤其是涉及一种燃料电池汽车动力性能测试系统的多网冗余方法。
背景技术
燃料电池汽车，由于其具有零排放、高效、清洁燃料可再生等优势，被作为汽车工业可持续发展的重要研发方向。在燃料电池汽车研发过程中，需要对其环境适应性、道路行驶工况适应性、动力系统耐久可靠性以及整车综合性能等进行测试，考虑实车试验风险高、投入大且试验重复性较差，因此，需要一套集燃料电池发动机(包括单体、堆等)被测部件、实车核心动力部件，以及实车道路环境模拟系统为一体的实验室测试设备，用以实现对被测燃料电池发动机主要运行工况的模拟，取得被测系统在车辆各种行驶工况下的完整数据，从而获得燃料电池发动机及其附件系统的全面工作性能参数，为燃料电池汽车动力系统验证提供试验支撑。
上述燃料电池汽车动力系统测试系统通过以太网控制所有功能模块的业务执行，并根据测试要求给各个功能模块发送指令，控制及监测整个系统的测试过程，因此需要选择最合适的冗余网络结构，构建基于以太网的现场控制网络。
专利CN102801542A公开了一种基于通讯网管的通讯冗余容错系统，该系统包括上行汇聚网络、上位机以及通讯网关等设备。当任何一个网关、端口、线路出现故障时，其备份网关、端口、线路均可以自动被投入使用，而无需在PC端应用软件上做任何的配置或改变。
专利102710484A公开了一种环形冗余的实时以太网通讯方法，它通过通讯末节点的自动仲裁机制兼容链状网络，采用冗余数据发送的方式降低误码传输带来的影响，并且在中间网络断开或节点故障之后能自动组成两个链状网络维持系统的正常运行，从而大大提高系统的可靠性。
专利CN103401696A公开了一种工业设备中的双网络冗余通讯系统及通讯方法，该冗余通讯系统包含多个主、备控制系统，并均设有冗余处理模块，用于冗余网络通讯状态的监控、冗余仲裁、主从通讯链路的自动切换和网络故障消除后的自愈。解决现有工业设备领域冗余通讯方式成本高、网络介质局限性大的问题。
专利CN1915703公开了一种具有冗余容错的燃料电池汽车动力驱动系统，冗余双动力驱动模式由两套组成完全相同，并联运行驱动车辆行驶的动力源组成，车辆控制器用以实现动力系统的功率平衡控制和容错控制。
以上专利均没有涉及燃料电池汽车动力系统或仅仅针对燃料电池汽车驱动系统的冗余容错方法，同时也并未涉及燃料电池汽车动力系统测试的通讯架构冗余技术。
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冗余双网络、负荷平衡、可靠度高、应用范围广的燃料电池汽车动力性能测试系统的多网冗余方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种燃料电池汽车动力性能测试系统的多网冗余方法，包括以下步骤：
1)建立燃料电池汽车动力性能测试系统的通讯网络；
2)采用双网络冗余的方式构建冗余通信网络，包括主通讯网络和备份通讯网络，燃料电池汽车动力性能测试系统的通讯网络中的通信节点上的网卡和集线器均设有主备两套，并且分别通过每套网卡和集线器与主通讯网络或备份通讯网络通信。
所述的步骤1)中，燃料电池汽车动力性能测试系统的通讯网络为星形分布式通讯网络，包括系统协调管理子网、核心测试业务子网、数据传输及处理子网、车载兼容子网和测试设备控制局域网，所述的系统协调管理子网采用以太网通讯，核心测试业务子网采用MODBUS通讯，数据传输及处理子网采用反射内存交换机通讯，车载兼容子网采用CAN通讯，测试设备控制局域网通过EtherCat通讯。
所述的燃料电池汽车动力性能测试系统的通讯网络中的通信节点包括：
燃料电池发动机整车测试模块监控计算机、燃料电池系统仿真模块计算机、燃料电池系统仿真模块执行计算机、燃料电池发动机整车测试模块电源控制机柜、综合仪器主控模块计算机、数据库工作站、综合仪器主控模块模型执行实时执行计算机、综合仪器主控模块总线数据处理执行计算机、燃料电池发动机整车测试模块执行计算机、电驱动匹配测试模块计算机、燃料电池发动机匹配测试与附件测试模块执行计算机、电堆匹配测试模块计算机、噪声环境模块计算机、振动环境模块计算机、温度湿度压力环境模块计算机、燃料电池发动机匹配测试与附件测试模块模型执行实时计算机和燃料电池发动机整车测试模块EtherCAT通讯实时计算机。
所述的数据库工作站通过以太网分别与燃料电池发动机整车测试模块监控计算机、燃料电池系统仿真模块计算机、燃料电池系统仿真模块执行计算机、综合仪器主控模块计算机、综合仪器主控模块模型执行实时执行计算机、综合仪器主控模块总线数据处理执行计算机、燃料电池发动机匹配测试与附件测试模块模型执行实时计算机、电堆匹配测试模块计算机、噪声环境模块计算机、振动环境模块计算机和温度湿度压力环境模块计算机通讯，所述的电驱动匹配测试模块计算机与测功机、燃料电池发动机匹配测试与附件测试模块模型执行实时计算机与燃料电池发动机匹配测试与附件测试模块执行计算机之间均通过MODBUS通讯，所述的燃料电池发动机匹配测试与附件测试模块执行计算机与附件测试试验台传感器、燃料电池系统仿真模块执行计算机与燃料电池汽车车载传感器之间均通过CAN通讯，所述的反射内存交换机分别与综合仪器主控模块模型执行实时执行计算机、燃料电池系统仿真模块执行计算机、燃料电池发动机整车测试模块执行计算机和燃料电池发动机匹配测试与附件测试模块模型执行实时计算机通讯，所述的电驱动匹配测试模块计算机与综合仪器主控模块总线数据处理执行计算机、燃料电池发动机整车测试模块执行计算机与和燃料电池发动机整车测试模块EtherCAT通讯实时计算机之间通过EtherCat通讯。
当燃料电池汽车动力性能测试系统的冗余通信网络中通信节点的主网卡、主集线器或主通讯网络发生故障时，通信节点则判定不可用，切换至备网卡、备集线器或备份通讯网络进行通信。
所述的主通讯网络和备份通讯网络之间采用负载平衡避免网络拥塞。
所述的燃料电池汽车动力性能测试系统的通讯网络根据通讯内容分别设置优先级为：
业务/任务调度与通讯：Ethernet高于ModBUS；
系统控制通讯指令：ModBUS高于Ethernet；
系统运行通讯状态：ModBUS高于反射内存高于Ethernet；
低速实验数据交互：反射内存高于ModBUS和EtherCAT；
高速实验数据交互：反射内存；
车载总线通讯：CAN；
设备控制通讯：EtherCAT。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、冗余双网络：通过使用双网络结构，单个元件的失效不会影响到整个系统，因此从通信设备的角度，消除了可靠性瓶颈，可以实现整个系统长时间地连续可靠运行；
二、负荷平衡：通过在两个网络之间采用负荷平衡机制，可以有效减少网络承载，避免网络拥塞；
三、可靠度高：针对燃料电池汽车动力系统性能测试系统，其网络部件均由硬件构成，可靠性较高，因此相较于单网卡和双网卡的网络架构，双网络结构的可靠度更高；
四、应用范围广：适用于所有种类的燃料电池汽车动力系统关键部件以及整套系统测试，应用范围广泛。
附图说明
图1燃料电池汽车动力系统动态性能测试系统的通讯架构示意图。
图2双网络冗余结构示意图。
图3业务信令收发策略示意图。
图4实验数据收发策略示意图。
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：
本发明提供一种燃料电池汽车动力系统动态性能测试系统的多网络可靠性通讯机制设计，燃料电池汽车动力系统动态性能测试系统的通讯网络结构如图1所示，内部的节点名称及功能如表1所示，燃料电池汽车动力系统动态性能测试系统的通讯网络结构的双网络冗余结构如图2所示。
表1燃料电池汽车动力性能测试系统通讯网络内部的节点名称及功能
本发明包含业务信令收发策略和实验数据收发策略。
业务信令属于事件触发型，通过EtherNET网络(优选网络)向目标系统发出业务信令，得到应答后再发送业务操作数据，过程如图3“情况1”所示。
当出现无法收到应答信息的情况时，说明业务通讯出现异常(阻塞或者不在线)，在既定时间(死线时间)会触发“重发机制”，再次向向目标系统发出业务信令，如果在既定时间收到回复信息则继续运行其他程序，并记录重发事件，过程如图3“情况2”所示。
当出现重发无法修复问题，通过其他状态获取系统仍然在线时，启动备用信道发送业务指令。同时启动原信道故障报警模式。过程如图3“情况3”所示。
双冗余模式下系统的纠错能力和可靠性在非实时信令发送的过程中效果十分明显。
实验数据属于时间驱动型数据，并发性强而且很难纠错。对于状态数据或者模型数据我们设计的多网冗余技术可以校验系统数据的有效性。
如图4“情况1”：数据正常更新于两个同速率不同介质的网络中。
如图4“情况2”：当次要数据网络出现异常，系统将忽略异常信息；当主要数据网络异常，系统将条件性跳转到次要数据网络的数据中。
如图4“情况3”：当数据网络出现异常判定条件是基于系统授时后的“绝对时间”和心跳脉冲。当心跳脉冲有效时，数据网络中的数据参数按照预先优先级提供给系统，网络优先级定义如表2所示：
·业务/任务调度与通讯：Ethernet>＝ModBUS(空闲/负荷优先)
·系统控制通讯(指令)：ModBUS>Ethernet
·系统运行通讯(状态)：ModBUS>R-Memory>Ethernet
·实验数据交互(低速)：R-Memory>ModBUS/EtherCAT
·实验数据交互(高速)：R-Memory
·车载总线通讯：CAN
·设备控制通讯：EtherCAT
设置网络优先级能够在利用通讯冗余提高系统可靠性的同时，保证数据传输过程中的实时性和同步性。
如图4“情况4”：当心跳脉冲失效或者绝对时间超出允许偏差时，系统将进入故障诊断状态。数据业务的仲裁由通讯处理主机完成。
表2通讯结构中冗余设计的优先级

Claims (7)

1.一种燃料电池汽车动力性能测试系统的多网冗余方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)建立燃料电池汽车动力性能测试系统的通讯网络；
2)采用双网络冗余的方式构建冗余通信网络，包括主通讯网络和备份通讯网络，燃料电池汽车动力性能测试系统的通讯网络中的通信节点上的网卡和集线器均设有主备两套，并且分别通过每套网卡和集线器与主通讯网络或备份通讯网络通信。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池汽车动力性能测试系统的多网冗余方法，其特征在于，所述的步骤1)中，燃料电池汽车动力性能测试系统的通讯网络为星形分布式通讯网络，包括系统协调管理子网、核心测试业务子网、数据传输及处理子网、车载兼容子网和测试设备控制局域网，所述的系统协调管理子网采用以太网通讯，核心测试业务子网采用MODBUS通讯，数据传输及处理子网采用反射内存交换机通讯，车载兼容子网采用CAN通讯，测试设备控制局域网通过EtherCat通讯。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池汽车动力性能测试系统的多网冗余方法，其特征在于，所述的燃料电池汽车动力性能测试系统的通讯网络中的通信节点包括：
燃料电池发动机整车测试模块监控计算机(DB01)、燃料电池系统仿真模块计算机(HB01)、燃料电池系统仿真模块执行计算机(HR01)、燃料电池发动机整车测试模块电源控制机柜(DP01)、综合仪器主控模块计算机(MB01-13)、数据库工作站(DA01)、综合仪器主控模块模型执行实时执行计算机(MR01-02)、综合仪器主控模块总线数据处理执行计算机(MR03)、燃料电池发动机整车测试模块执行计算机(DR01)、电驱动匹配测试模块计算机(AB01-02)、燃料电池发动机匹配测试与附件测试模块执行计算机(RR11-13)、电堆匹配测试模块计算机(FB01-02)、噪声环境模块计算机(WS01)、振动环境模块计算机(WS02)、温度湿度压力环境模块计算机(WS03)、燃料电池发动机匹配测试与附件测试模块模型执行实时计算机(RR01)和燃料电池发动机整车测试模块EtherCAT通讯实时计算机(DR02-03)。
4.根据权利要求3所述的一种燃料电池汽车动力性能测试系统的多网冗余方法，其特征在于，所述的数据库工作站(DA01)通过以太网分别与燃料电池发动机整车测试模块监控计算机(DB01)、燃料电池系统仿真模块计算机(HB01)、燃料电池系统仿真模块执行计算机(HR01)、综合仪器主控模块计算机(MB01-13)、综合仪器主控模块模型执行实时执行计算机(MR01-02)、综合仪器主控模块总线数据处理执行计算机(MR03)、燃料电池发动机匹配测试与附件测试模块模型执行实时计算机(RR01)、电堆匹配测试模块计算机(FB01-02)、噪声环境模块计算机(WS01)、振动环境模块计算机(WS02)和温度湿度压力环境模块计算机(WS03)通讯，所述的电驱动匹配测试模块计算机(AB01-02)与测功机、燃料电池发动机匹配测试与附件测试模块模型执行实时计算机(RR01)与燃料电池发动机匹配测试与附件测试模块执行计算机(RR11-13)之间均通过MODBUS通讯，所述的燃料电池发动机匹配测试与附件测试模块执行计算机(RR11-13)与附件测试试验台传感器、燃料电池系统仿真模块执行计算机(HR01)与燃料电池汽车车载传感器之间均通过CAN通讯，所述的反射内存交换机分别与综合仪器主控模块模型执行实时执行计算机(MR01-02)、燃料电池系统仿真模块执行计算机(HR01)、燃料电池发动机整车测试模块执行计算机(DR01)和燃料电池发动机匹配测试与附件测试模块模型执行实时计算机(RR01)通讯，所述的电驱动匹配测试模块计算机(AB01-02)与综合仪器主控模块总线数据处理执行计算机(MR03)、燃料电池发动机整车测试模块执行计算机(DR01)与和燃料电池发动机整车测试模块EtherCAT通讯实时计算机(DR02-03)之间通过EtherCat通讯。
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池汽车动力性能测试系统的多网冗余方法，其特征在于，当燃料电池汽车动力性能测试系统的冗余通信网络中通信节点的主网卡、主集线器或主通讯网络发生故障时，通信节点则判定不可用，切换至备网卡、备集线器或备份通讯网络进行通信。
6.根据权利要求1所述的一种燃料电池汽车动力性能测试系统的多网冗余方法，其特征在于，所述的主通讯网络和备份通讯网络之间采用负载平衡避免网络拥塞。
7.根据权利要求2所述的一种燃料电池汽车动力性能测试系统的多网冗余方法，其特征在于，所述的燃料电池汽车动力性能测试系统的通讯网络根据通讯内容分别设置优先级为：
业务/任务调度与通讯：Ethernet高于ModBUS；
系统控制通讯指令：ModBUS高于Ethernet；
系统运行通讯状态：ModBUS高于反射内存高于Ethernet；
低速实验数据交互：反射内存高于ModBUS和EtherCAT；
高速实验数据交互：反射内存；
车载总线通讯：CAN；
设备控制通讯：EtherCAT。
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