CN107145082A - 一种插电式混合动力汽车整车控制器仿真平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种插电式混合动力汽车整车控制器仿真平台，包括测功机系统、数据处理模块、模拟整车系统和模拟环境系统；所述数据处理模块分别与测功机系统和模拟整车系统连接，用来为测功机系统和模拟整车系统提供实时数据交换；所述模拟环境系统与模拟整车系统连接；所述测功机系统用于得到真实电动机与真实发动机的特性参数；所述模拟环境系统用于提供外部环境信息和路况信息给模拟整车系统。该仿真平台可以对整车控制器进行与真实环境完全一致的仿真测试，通过测试发现存在的硬件设计和控制算法问题，减少整车控制器在实际调试中遇到的问题，提高整车控制器的开发效率，减少上车失误率，降低试验成本，提高产品质量，缩短HCU的开发周期。

Description

一种插电式混合动力汽车整车控制器仿真平台

技术领域

本发明涉及混合动力汽车领域，具体是一种插电式混合动力汽车整车控制器仿真平台。

背景技术

近年来，随着环境污染与能源紧缺问题的加剧，机动车尾气排放问题越来越受到人们的关注。同时，石油属于不可再生资源，如何减少汽车对传统石油燃料的依赖，对于建设资源节约型社会至关重要。因此，面对环境污染和资源日益短缺的双重压力，新能源汽车成为国内外研究的重点。新能源汽车包括纯电动汽车、增程式电动汽车、混合动力汽车、燃料电池电动汽车、氢发动机汽车和其他新能源汽车等。目前我国研究的主要方向是混合动力汽车和纯电动汽车。但是，由于目前纯电动汽车存在充电时间长、行驶里程短、充电桩配套设备不完善等问题，使得电动汽车在短期内很难广泛普及。在此情况下，能够降低油耗同时减少尾气排放的混合动力电动汽车异军突起，成为国内外企业开发的热点。

混合动力汽车整车控制器(HCU)通过采集混合动力汽车加速踏板、档位、制动踏板等信号来判断驾驶员的驾驶意图，监测车辆状态(车速、扭矩等)信息并做出判断处理，向其他车辆系统控制器发送控制指令，决定车辆运行模式。混合动力汽车整车控制器是混合动力汽车的核心部件，对汽车的安全、稳定、可靠运行起着至关重要的作用。

目前在整车控制器开发过程的中存在的一个问题是使用传统的手写代码开发模式，这种开发模式需要大量地反复修改代码，造成资源浪费且繁琐，目前国际上先进的研发团队已经抛弃传统开发模式，转用更为科学，有效的“V”字型开发流程。“V”字型开发流程中良好的仿真平台对开发阶段的模型搭建、模型离线仿真定标、优化以及测试阶段的硬件在环测试都有着至关重要的作用。目前的仿真平台大都只能用于HIL测试，且发动机及电动机模型构造复杂，测试效率低。环境搭建不完善，无法覆盖全部测试点，例如申请号201511009983.6公开了一种插电式混合动力汽车能量管理策略硬件在环仿真平台，该专利通过MATLAB\Simulink模型建立整车模型，但没有考虑插电式混合动力汽车的环境模型，尤其没有考虑插电式混合动力汽车所特有的充电桩环境模型，存在不能完整实现整车控制器仿真环境的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种插电式混合动力汽车整车控制器仿真平台。该仿真平台可以对整车控制器进行与真实环境完全一致的仿真测试，通过测试发现存在的硬件设计和控制算法问题，减少整车控制器在实际调试中遇到的问题，提高整车控制器的开发效率，同时可实现特殊工况下对HCU的功能测试，在一定程度上解决整车控制器设计难的问题。减少上车失误率，降低试验成本，提高产品质量，缩短HCU的开发周期。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种插电式混合动力汽车整车控制器仿真平台，其特征在于该平台包括测功机系统、数据处理模块、模拟整车系统和模拟环境系统；所述数据处理模块分别与测功机系统和模拟整车系统连接，用来为测功机系统和模拟整车系统提供实时数据交换；所述模拟环境系统与模拟整车系统连接；所述测功机系统用于得到真实电动机与真实发动机的特性参数；所述模拟环境系统用于提供外部环境信息和路况信息给模拟整车系统。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

1)降低了整车控制器软硬件开发的难度，缩短了整车控制器软硬件的开发周期，提高了整车控制器软硬件的性能。在一定程度上解决了不能频繁进行实车实验的问题。

2)平台具有通用性，可以根据需要进行不同的仿真测试，并不局限于整车控制器的开发，具有广泛的应用前景。

3)运用测功机系统，可以快速准确的得到电动机及发动机特性，无需搭建复杂的电动机和发动机模型，具有精度高，响应速度快的优点

4)构建模拟环境模型，增加充电机模块，驾驶员模块以及道路模块，更符合插电式混合动力汽车的实际情况，充电机模块的加入，使本仿真平台更完善，有利于覆盖被测整车控制器的全部功能。

5)采用前向建模的方法，前向仿真建模需要建立驾驶员模型，模拟驾驶员做出加速或制动操作，模型输出加速踏板或制动踏板信号并计算整车需求转矩，再根据整车控制策略计算发动机驱动电机输出转矩。整个模型的能量传递方向是从动力源系统到车轮，使仿真平台更接近真实车辆，更符合实际行驶情况，提高了模型精度。弥补了后向仿真结构的不能直接用于整车控制策略的开发和测试，只能用于整车初始开发阶段对整车结构和动力系统参数进行初步验证和评估的缺点。

6)不同于部分专利使用advisor、cruise自带的整车模型，本专利通过MATLAB\Simulink建立整车模型，具有灵活使用，易于修改的特点。

附图说明

图1为本发明插电式混合动力汽车整车控制器仿真平台一种实施例的整体结构示意框图；

图2为本发明插电式混合动力汽车整车控制器仿真平台一种实施例的模拟整车系统结构示意框图(图中：1、测功机系统；2、数据处理模块；3、模拟整车系统；4、模拟环境系统；5、整车控制器；1.1、电动机测功系统；1.2、发动机测功系统；3.1、动力系统模型；3.2、驱动系统模型；3.3、车辆动力学模型；3.1.1、发动机模型；3.1.2、电动机模型；3.1.3、动力电池模型；3.2.1、离合器模型；3.2.2、变速器模型；3.2.3、主减速器模型；4.1、驾驶员模型；4.2、道路模型；4.3、充电机模型)

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

本发明提供了一种插电式混合动力汽车整车控制器仿真平台(参见图1-2，简称平台)，包括测功机系统1、数据处理模块2、模拟整车系统3和模拟环境系统4；所述数据处理模块2分别与测功机系统1和模拟整车系统3连接，用来为测功机系统1和模拟整车系统3提供实时数据交换；所述模拟环境系统4与模拟整车系统3连接；

所述测功机系统1包括电动机测功系统1.1和发动机测功系统1.2；所述测功机系统1用于得到真实电动机与真实发动机的特性参数；所述电动机测功系统1.1包括真实电动机和电动机测功机，电动机测功机连接真实电动机，用于得到真实电动机的特性参数；所述发动机测功系统1.2包括真实发动机和发动机测功机，发动机测功机与真实发动机连接，用于得到真实发动机的特性参数；

电动机测功机连接真实电动机，真实电动机运行得到电动机的扭矩和转速曲线；通过数据处理模块2将此电动机的扭矩和转速曲线存储到电动机模型3.1.2中，通过查表的方式在整车控制器5发出的期望转速和期望扭矩命令下直接输出电动机的实际转速与实际扭矩。发动机测功机与真实发动机连接，真实发动机运行得到发动机的扭矩和转速曲线；通过数据处理模块2将此发动机的扭矩和转速曲线存储到发动机模型3.1.1中，通过查表的方式在整车控制器5发出的期望转速和期望扭矩命令下直接输出发动机的实际转速与实际扭矩。

所述数据处理模块2用于对所述电动机测功机和发动机测功机进行相应的控制，如对电动机测功机和发动机测功机的启停控制，并通过数据处理模块2将电动机和发动机运行特性存储到模拟整车系统3的电动机模型3.1.2和发动机模型3.1.1中，以形成电动机和发动机的特性曲线MAP图；所述数据处理模块2还用于实时监控在环试验台的运行状况；

所述模拟整车系统3用于通过动力系统模型3.1、驱动系统模型3.2和车辆动力学模型3.3构建插电式混合动力汽车的虚拟整车模型；所述模拟整车系统3包括动力系统模型3.1、驱动系统模型3.2和车辆动力学模型3.3；所述动力系统模型3.1包括发动机模型3.1.1、电动机模型3.1.2和动力电池模型3.1.3；所述发动机模型3.1.1和电动机模型3.1.2均通过数据处理模块2得到特性曲线，通过需求扭矩与油门踏板开度得到实际输出扭矩和实际转速MAP图，得到实际输出扭矩和实际转速；发动机模型3.1.1由MATLAB/SIMULINK中“look-up”模块构成，内置发动机的万有特性图，输入为需求转矩与需求扭矩，查表后得到相对应的实际转矩与实际扭矩；电动机模块3.1.2由MATLAB/SIMULINK中“look-up”模块构成，内置电动机的万有特性图，输入为需求转矩与需求扭矩，查表后得到相对应的实际转矩与实际扭矩。所述动力电池模型3.1.3通过Thevenin模型建立，其中最大电池容量、电池质量、额定总电压、工作温度范围等电池参数可根据实际项目设定；所述驱动系统模型3.2包括离合器模型3.2.1、变速器模型3.2.2和主减速器模型3.2.3；所述离合器模型3.2.1用于实现在换挡时的开闭功能，以实现车辆的换挡功能；所述变速器模型3.2.2用于根据当前车速，选择合适的档位调节扭矩与转速输出；所述主减速器模型3.2.3用于根据具体情况降低扭矩和提高转速，起到减速增扭作用；所述车辆动力学模型3.3通过模拟环境系统4提供参数，仿真汽车在行驶过程中的受力，包括坡度阻力、滚动摩擦阻力、空气阻力和惯性阻力；其中坡度阻力在汽车上坡时存在；滚动摩擦阻力与汽车重量、轮胎结构、气压、路面性质相关；空气阻力与汽车形状、汽车正面投影面积、空气的相对速度的平方有关；当汽车的牵引力能够克服这些阻力时，汽车才可以行驶；通过车辆动力学模型3.3计算总的车辆阻力，得到最终的车辆牵引力及车速。

所述模拟环境系统4用于提供外部环境信息和路况信息给模拟整车系统3；所述模拟环境系统4包括驾驶员模型4.1、道路模型4.2和充电机模型4.3；所述驾驶员模型4.1实际是一个车速跟踪器，驾驶员根据道路模型4.2的信息控制加速踏板和制动踏板，形成一个闭环反馈环节，使车辆按着驾驶员的意图行驶。驾驶员模型4.1采用变参数PI控制算法塔建驾驶员模型，模型输入参数为设定车速和实际车速，驾驶员模型根据设定车速和实际车速之差以及驾驶员加速踏板特性计算加速踏板和制动踏板位置，并输出给整车控制器5；其中P值取50且I值取0.0005时可以得到良好的PI调节，可以体现驾驶员驾驶意图及车辆当前实际运行状态。所述道路模型4.2采用国际上通用的标准循环工况，包括UDDS工况、EUDC工况、NYCC工况等，驾驶员模型4.1将预览点发送到道路上，作为车辆前方道路上的增量距离，道路模型4.2计算这些距离的参考坐标并将其返回到驾驶员模型4.1；同时道路模型4.2还包括路段长度、道路坡度和道路阻力等与道路有关的信息，这些信息影响了车辆动力学模型3.3中车辆阻力的计算，道路模型的不同参数影响了汽车性能，对车辆的爬坡性能、油耗、剩余SOC值等均有影响。所述充电机模型4.3基于MATLAB/SIMULINK搭建，充电机模型4.3符合GB/27930要求的充电机功能，满足插电式混合动力汽车的直流快充及交流慢充需求。在直流快充模式下，可实现预充、恒流充电、恒压充电和涓流充电等模式。在直流快充过程中，充电机模型4.3通过CAN通讯网络与整车控制器5实现信息交互，充电机模型4.3和BMS监测动力电池模型3.1.3的电压、电流和温度等参数。充电机模型4.3模拟直流快充的整个流程，包括物理连接完成阶段、低压辅助上电阶段、充电参数配置阶段、充电阶段以及充电结束阶段；物理连接完成阶段模拟插头连接过程；低压辅助上电阶段模拟低压辅助开启信号并发送握手报文；充电参数配置阶段模拟充电机发送最大输出能力信号；充电阶段模拟发送充电状态，当满足充电结束条件时，发送充电终止报文；充电结束阶段模拟充电机发送充电机统计数据。同时，在发生充电故障时，充电机还可以模拟充电停止，以更接近真实的各种充电状况。在交流慢充模式下，充电机模型4.3模拟供电控制装置，当检测出电压由12v变为9v再变为6v时，允许充电，当满足充电结束条件时，交流充电终止。

本发明插电式混合动力汽车整车控制器仿真平台的工作原理和工作流程是：

根据待测整车控制器5所匹配目标车型所使用的真实发动机和真实电动机，通过测功机系统1的电动机测功系统1.1和发动机测功机1.2得到发动机和电动机的特性参数，通过数据处理模块2控制测功机系统1的运行，同时将特性参数存储至发动机模型3.1.1以及电动机模型3.1.2中，通过特性曲线数据构建发动机和电动机输入输出模型。

其次根据待测整车控制器5所匹配结构搭建模拟整车系统3以及模拟环境系统4，再根据待测整车控制器5功能以及目标车型行驶环境编写待测整车控制器5测试用例，以便覆盖到整车控制器5的所有工况下的所有功能测试。

对整车控制器5进行开发和测试时，整车控制器5分别与模拟整车系统3、模拟环境系统4和数据处理模块2连接；整车控制器5通过模拟环境系统4提供的外部环境信息和路况信息向模拟整车系统3发送命令，通过待测整车控制器5的控制命令，来查看整车模型是否依据待测整车控制器5命令合理正常的运行，以此来验证整车控制器5功能；同时，整车控制器5所发送的命令信号，以及得到的反馈信息又显示在PC机中。改变环境系统模型参数及状态，验证整车控制器5能否在不同环境下正常工作。如果模拟整车系统3的运行情况符合待测整车控制器5的命令信号，则说明此待测整车控制器5正常；如果运行情况不符合待测整车控制器的命令信号，则说明此待测整车控制器的此项控制命令存在缺陷，通过查看模拟整车系统3的运行情况以及开发人员的经验判断，对待测整车控制器5的此项控制策略进行调试更改，多次在本仿真平台运行，直到使此项控制命令合理有效，根据以上工作流程，达到开发测试整车控制器5的目的。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (5)

1.一种插电式混合动力汽车整车控制器仿真平台，其特征在于该平台包括测功机系统、数据处理模块、模拟整车系统和模拟环境系统；所述数据处理模块分别与测功机系统和模拟整车系统连接，用来为测功机系统和模拟整车系统提供实时数据交换；所述模拟环境系统与模拟整车系统连接；所述测功机系统用于得到真实电动机与真实发动机的特性参数；所述模拟环境系统用于提供外部环境信息和路况信息给模拟整车系统。

2.根据权利要求1所述的插电式混合动力汽车整车控制器仿真平台，其特征在于所述测功机系统包括电动机测功系统和发动机测功系统；所述电动机测功系统包括真实电动机和电动机测功机，电动机测功机连接真实电动机，用于得到真实电动机的特性参数；所述发动机测功系统包括真实发动机和发动机测功机，发动机测功机与真实发动机连接，用于得到真实发动机的特性参数；

所述模拟整车系统包括动力系统模型、驱动系统模型和车辆动力学模型；所述动力系统模型包括发动机模型、电动机模型和动力电池模型；所述发动机模型和电动机模型均通过数据处理模块得到特性曲线，通过需求扭矩与油门踏板开度得到实际输出扭矩和实际转速；所述动力电池模型通过Thevenin模型建立；所述驱动系统模型包括离合器模型、变速器模型和主减速器模型；所述离合器模型用于实现在换挡时的开闭功能，以实现车辆的换挡功能；所述变速器模型用于根据当前车速，选择合适的档位调节扭矩与转速输出；所述主减速器模型用于降低扭矩和提高转速，起到减速增扭作用；所述车辆动力学模型通过模拟环境系统提供参数，仿真汽车在行驶过程中的受力，通过车辆动力学模型计算总的车辆阻力，得到最终的车辆牵引力及车速；

所述模拟环境系统包括驾驶员模型、道路模型和充电机模型；所述驾驶员模型采用变参数PI控制算法塔建，模型输入参数为设定车速和实际车速，驾驶员模型根据设定车速和实际车速之差以及驾驶员加速踏板特性计算加速踏板和制动踏板位置，并输出给整车控制器；所述道路模型采用UDDS工况、EUDC工况或NYCC工况，还包括路段长度、道路坡度和道路阻力信息，驾驶员模型将预览点发送到道路上，作为车辆前方道路上的增量距离，道路模型计算这些距离的参考坐标并将其返回到驾驶员模型；所述充电机模型基于MATLAB/SIMULINK搭建，满足插电式混合动力汽车的直流快充及交流慢充需求。

3.根据权利要求1所述的插电式混合动力汽车整车控制器仿真平台，其特征在于发动机模型由MATLAB/SIMULINK中“look-up”模块构成，内置发动机的万有特性图，输入为需求转矩与需求扭矩，查表后得到相对应的实际转矩与实际扭矩；电动机模块由MATLAB/SIMULINK中“look-up”模块构成，内置电动机的万有特性图，输入为需求转矩与需求扭矩，查表后得到相对应的实际转矩与实际扭矩。

4.根据权利要求1所述的插电式混合动力汽车整车控制器仿真平台，其特征在于充电机模型模拟直流快充的整个流程，包括物理连接完成阶段、低压辅助上电阶段、充电参数配置阶段、充电阶段以及充电结束阶段；在交流慢充模式下，充电机模型模拟供电控制装置，当检测出电压由12v变为9v再变为6v时，允许充电，当满足充电结束条件时，交流充电终止。

5.根据权利要求4所述的插电式混合动力汽车整车控制器仿真平台，其特征在于物理连接完成阶段模拟插头连接过程；低压辅助上电阶段模拟低压辅助开启信号并发送握手报文；充电参数配置阶段模拟充电机发送最大输出能力信号；充电阶段模拟发送充电状态，当满足充电结束条件时，发送充电终止报文；充电结束阶段模拟充电机发送充电机统计数据。