CN107340441B - 一种燃料电池汽车动力总成集成测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池汽车动力总成集成测试系统，该系统包括：燃料电池轿车动力子系统：包括驱动电机、驱动电机控制器、变速箱、变速箱控制器、主减速器、燃料电池发动机、燃料电池发动机控制器、动力蓄电池、动力蓄电池控制器，DC/DC变换器以及DC/DC控制器；环境与负载模拟子系统：包括温度环境控制器、机械振动环境控制器、测功机、测功机控制器以及扭矩转速传感器，所述的测功机、扭矩转速传感器、主减速器、变速箱和驱动电机依次连接；控制子系统：分别通过总线通信网络与连接燃料电池轿车动力子系统和环境与负载模拟子系统通信，存储上传测试数据以及控制完成测试任务。与现有技术相比，本发明具有多种任务并行测试、实时性高等优点。

Description

一种燃料电池汽车动力总成集成测试系统

技术领域

本发明涉及燃料电池汽车动力系统测试台架控制领域，尤其是涉及一种燃料电池汽车动力总成集成测试系统。

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，被视为新能源汽车工业可持续发展的重要研发方向。目前在国内外现有的燃料电池汽车开发过程中，综合考虑车辆环境(包括气候等)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测试的试验设备资源有限，且测试成本昂贵，相应地测试规范及标准也较匮乏。

因此需要根据车辆实际运行工况，开发燃料电池汽车动力系统全工况和高动态的测试仪器、提高自动化测试程度和试验可信度、并对试验数据进行安全有效的管理与分析，提高试验资源的利用率、降低试验项目重复概率和成本。

专利CN201110412783提出了一种燃料电池混合电动汽车动力系统综合测试平台，针对被测电机和测功机的工作模式，采用手动模式与自动模式两种控制方法。其中自动模式下，被测电机与交流测功机的控制按照用户设置的交互式表格自动变化。该发明未对试验进行规划与数据管理，且自动模式针对的是单一工况的测试，而非自动的批量进行测试，试验环境未考虑车辆的外界温度、湿度与振动等实际工作环境。

专利CN201210013103提出了一种燃料电池汽车动力系统动态性能测试系统。该平台使用了控制管理模块、NVH测试匹配模块、发动机硬件在环测试匹配模块、电驱动系统硬件在环测试匹配模块、汽车动力系统硬件在环测试匹配模块、仿真模拟模块、动力负载参数测控模块、实时控制与存储模块。该控制系统主要任务为与各子系统进行通讯与协调控制，使用了整车仿真模型并考虑了外界环境，试验数据的可信度得到了提高，但该发明同样未对批量测试方法、试验管理及试验数据存储的安全与可靠性进行说明，同时该发明对控制装置的具体实施方法未进行阐述。

专利201510114500.2公开了一种集成燃料电池零部件测试及系统测试的平台，采用PXI系统采集空气，氢气冷却及待测的燃料电池信息传送给上位机。此发明可对燃料电池系统零部件进行性能与耐久性测试，但此测试方法未结合环境温度与机械振动，而这些都是燃料电池环境模拟测试过程中必不可少的，同时未考虑燃料电池动力系统与燃料电池发动机间的匹配问题，也未采用控制方式进行整体测试规划，未从动力系统运行工况等角度优化测试序列。

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燃料电池汽车动力总成集成测试系统。

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总成集成测试系统，该系统包括：

燃料电池轿车动力子系统：包括驱动电机、驱动电机控制器、变速箱、变速箱控制器、主减速器、燃料电池发动机、燃料电池发动机控制器、动力蓄电池、动力蓄电池控制器，DC/DC变换器以及DC/DC控制器；

环境与负载模拟子系统：包括温度环境控制器、机械振动环境控制器、测功机、测功机控制器以及扭矩转速传感器，所述的测功机、扭矩转速传感器、主减速器、变速箱和驱动电机依次连接；

控制子系统：分别通过总线通信网络与连接燃料电池轿车动力子系统和环境与负载模拟子系统通信，存储上传测试数据以及控制完成测试任务。

所述的通信网络包括CAN通信网络、以太网通信网络和反射内存网络。

所述的测试任务包括燃料电池电堆测试任务、燃料电池单体测试任务、燃料电池发动机试验测试任务、燃料电池发动机验证任务、变速箱换档测试任务、变速箱耐久测试任务以及动力系统噪声测试任务，所述的测试任务支持并行运行。

所述的控制子系统的软件结构包括试验数据安全共享与存储模块以及分别与试验数据安全共享与存储模块通信的通讯与协调控制模块、虚拟视景与数据显示模块、模型仿真与策略验证模块、试验管理模块、自动化测试模块和试验分析模块，所述的通讯与协调控制模块分别通过反射内存网络与驱动电机控制器、变速箱控制器、燃料电池发动机控制器、动力蓄电池控制器、DC/DC控制器、温度环境控制器、机械振动环境控制器、测功机控制器和扭矩转速传感器通信。

所述的虚拟视景与数据显示模块用以实现测试数据显示与车辆三维动态视景显示，所述的模型仿真与策略验证模块内含整车与各零部件的数学模型，用以根据测试需求选择数学模型或硬件实物参与测试，所述的试验管理模块主要用于管理实验，实现并行试验控制和管理，所述的自动化测试模块用以基于编制的测试序列进行试验，防止系统繁琐操作和错误操作，所述的试验分析模块用以获取已完成试验的有效试验结果数据，所述的试验数据安全共享与存储模块用以将控制子系统中各模块使用的数据进行有效的保存与安全共享，保证系统的实时性。

所述的车辆三维动态视景包括车身、车轮、仪表板的车辆三维模型视景以及天气环境、外部车辆、建筑物、信号灯与路面的三维视景.

所述的控制子系统的硬件结构采用分层与集中式并存结构，包括数据采集层、数据处理层和数据上传层，所述的数据采集层通过由反射内存及反射内存交换机构建的反射内存网络实时采集各子系统中的节点数据，通过实时数据池和缓冲数据池进行存储，数据处理层进行线程处理，并且通过数据上传层上传数据。

所述的分层与集中式并存结构通过设置三个PXI实时系统实现，第一个PXI实时系统用以实现仿真模型的运行，第二个PXI实时系统用以实现数据采集与处理，第三个PXI实时系统用以实现数据的总线传输。

所述的控制子系统的总线通信网络的通信处理包括CAN通信线程、以太网通信线程和反射内存网络线程，用以分别解析CAN通信网络、以太网通信网络和反射内存网络的指令和数据。

所述的控制子系统的软件结构还包括故障处理模块，用以进行上电自检和故障排除复检。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、多种任务并行测试：本发明的测试系统具有众多负载设备，每个设备即可完成单独的试验任务，又可局部或全部组成复杂的测试任务，结合数据存储与硬件架构，控制系统允许多用户，多设备同时开展多组测试任务。

二、实时性高：由于燃料电池动力系统各子系统均包括多个监测点，系统集成后各个监测点分散，本发明为此提出控制系统分层与集中式并存结构，使数据通信传输具有较高实时性与安全性。

附图说明

图1为燃料电池汽车动力测试系统任务。

图2为燃料电池汽车动力系统测试系统结构。

图3为控制系统模块图。

图4为集中式与分层式集成结构。

图5为控制系统硬件。

图6为控制系统试验管理。

图7为模型仿真驱动模型。

图8为总线通信处理系统。

图9为控制系统故障处理逻辑。

图10为序列管理组件。

图11为仿真结构框图。

图12为燃料电池动力系统与测功机协调控制策略。

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。

本发明所要解决的技术问题是：

模拟车辆实际运行工况，开发燃料电池汽车动力系统全工况和高动态的测试仪器，实现多个零部件实时、同步试验，提高自动化测试程度、精度和试验可信度，并对试验数据的安全有效的进行安全有效的管理与分析。

燃料电池汽车动力系统测试控制系统要实现的测试功能如图1所示，包括：电驱动系统性能测试，燃料电池堆/单片性能测试，燃料电池发动机系统性能测试，燃料电池汽车动力系统动态性能测试，按照各个子系统功能，测试任务包括燃料电池电堆测试任务，燃料电池单体测试任务，燃料电池发动机试验测试任务，燃料电池发动机验证任务，变速箱换档测试任务，变速箱耐久测试任务，动力系统噪声测试任务，其中燃料电池发动机试验测试任务包括半消音室环境控制系统，高温高湿环境控制系统，振动台与高电压供电设备，测试工况包括环境(温度、湿度、压力)，电子负载与测功机，试验任务结合不同的测试工况变得更为复杂。

为了实现上述测试内容，燃料电池汽车动力系统测试系统结构如图2所示：其主要包括燃料电池轿车动力系统、环境与负载模拟系统、控制系统三部分。其中动力系统包括驱动电机及其控制器、变速箱及其控制器、主减速器、燃料电池发动机及其控制器、动力蓄电池及其控制器，DC/DC变换器及其控制器，环境与负载系统包括温度环境、机械振动环境、测功机及其测功机控制器、机械结构与扭矩/转速传感器。控制系统将挡位命令发送至变速箱控制器，需求扭矩发送给驱动电机控制器，充放电指令发送至电池控制器，电压转化指令发送给DC/DC控制器，将目标功率发送至燃料电池发动机。同时将测试指定环境发送至环境控制器。

上述测试系统结构中，燃料电池发动机控制器包括了燃料电池单体与电堆监控与控制，根据需求功率控制燃料电池发动机。电池控制器可针对电池进行的充电特性，放电特性测试，电池管理系统完成电池监控的同时,采集局部点温度，进行电池荷电状态的估计，反映电池的剩余容量，当容量低于设定额定值时，电池管理系统发出低电量报警，同时发出充电需求指令给控制系统。控制系统启动充电装置进行充电。动力蓄电池的充电一方面可以由外界充电桩完成，另一方面可以由燃料电池发动机发出电能经DC-DC控制器转化后进行充电。在测试序列不包括DC-DC控制器评价，动力系统转化效能评价时，动力蓄电池选择由外界充电桩完成充电，以节省燃料消耗。

上述测试系统结构中，测功机对车辆动力系统进行测试时，测功机可以有两种控制方法，一种是转矩控制，另一种为转速控制。转矩控制是直接将力矩作为控制信号发送给测功机，控制测功机发出目标扭矩去模拟真实的车辆行驶阻力矩；转速控制是将转速值作为控制信号发送给测功机，控制测功机跟踪真实车速来模拟车辆的道路行驶工况。

从上述测试系统架构可以看出，控制系统在负责各子系统通讯与协调控制完成燃料电池汽车动力系统测试的同时，添加了虚拟视景与数据显示、模型仿真与策略验证、试验管理、自动化测试与试验分析模块，如图3控制系统模块图所示，其中：

1)子系统通讯与协调控制模块实现各试验子系统的实时通信与协调控制，主要包括燃料电池动力通信系统、振动噪声环境通信系统、测功机负载通信系统、光纤反射内存通信系统、数据存储系统等。

2)虚拟视景与数据显示模块主要包括测试数据显示与车辆三维动态视景显示。三维视景包括车身、车轮、仪表板等车辆三维模型，同时还有天气环境、外部车辆、建筑物、信号灯与不同路面等三维视景。

3)模型仿真与策略验证包括整车与各零部件数学模型，控制系统根据测试需求，选择数学模型或硬件实物参与测试。策略验证包括在新欧洲测试循环(New EuropeanDriving Cycle,NEDC)或燃料电池发动机控制策略、变速箱换档控制策略、主要包括车辆数学模型、零部件数学模型与视景驱动等。

4)试验管理模块主要用于管理所有实验子系统，实现并行试验控制和实验管理。

5)自动化测试模块主要基于编制好的测试序列进行有效的试验，防止系统操作繁琐或错误。

6)试验分析模块针对已完成试验进行数据分析，提炼出有效用试验结果，并作为下次类似试验参考依据。

7)试验数据安全共享与存储模块将控制系统中各模块使用的数据进行有效的保存与安全共享，保证系统的实时性。

燃料电池动力系统测控数据的实时传输与安全存储是整个控制系统开发的重点，是集成模型实物在环测试控制系统开发需要首要解决的重要问题之一。燃料电池动力系统各子系统均包括多个监测点，系统集成后各个监测点分散，要求数据通信传输具有较高实时性与安全性。因此提出如附图4所示的控制系统分层与集中式并存结构。

分层式是指控制系统分为数据采集层、数据处理层与数据上传层三个部分。集中式是指数据采集层中试验数据通过反射内存网络各对应节点数据采集设备实时采集，一方面集中存储在实时数据池中，另一方面将数据备份至缓存数据池中，配合数据处理线程，完成数据转化。转化后的数据又一次放入缓冲数据池中。之后数据通过数据保存线程完成数据的本地保存，同时通过以太网通信线程配合数据上传线程，将数据上传至服务器或上位机实时显示界面。

反射内存在两个独立不相关的子系统中分享数据。反射内存通过光纤电缆连接，每个节点有独立唯一的内存地址，节点上任意一个子系统向本地反射内存地址写入数据的同时，该数据和被发送到网上所有其他反射内存地址并存储在相同的位置。所以反射内存数据写入极短时间后，整个网络节点都可以访问此新数据。

配合上述集中式与分层式控制结构，控制系统硬件分为三个PXI实时系统，如附图5所示。其中PXI实时系统1负责仿真模型的运行，PXI实时系统2负责数据采集与处理，PXI实时系统3负责数据的总线传输。三个实时系统将数据发送至上述反射内存。

控制系统试验管理软件模块结构如附图6所示。以太网交换机将PXI实时系统3中通信总线上数据传输至上位机-数据服务站，同时数据库服务器存储所有测试数据。数据服务器与数据服务站之间采用B/S结构，数据服务站上完成试验序列管理、系统配置、数据展示、数据实时监控与其他设备接入端处理。此系统机构具有很强的扩展性，当系统中要求增加一个新系统的通信系统控制时，不需要修改以太网通信系统、数据存储系统等其他与通信系统相关联的子系统，而仅需将该系统增加到原有的以太网网络中，符合原有的通信协议，即可通过以太网交换机访问系统中的相关子系统。此系统结构允许新设备接入端接入网络，采用标准以太网通讯协议，提高了系统的兼容性，同时，由于此新设备可随时按需增加，增强了系统灵活性，降低了控制系统的一次投资。控制系统允许多个新设备同时远程登录，节省了试验场地，多个子系统单独工作，提高了系统的利用率。当系统进行升级和改造时，由于软件均为模块化处理，可快速转换，系统的复用性强。

控制系统模型仿真执行系统如下图7所示，主要实现车辆模型的仿真及执行、序列执行。在底层硬件驱动的基础上，建立PXI数据采集与控制线程、模型执行线程，以及序列执行线程。控制这些线程的命令通过以太网的方式传输，同时线程产生的数据通过以太网传输至实时数据池中。然后通过反射内存网络将实时数据池中的数据发送至其他共享数据节点。

控制系统总线通信处理系统共分为3个线程，如图8所示，分别为CAN通信线程、以太网通信线程、反射内存网络线程。CAN通信线程主要用于解析CAN通信协议；以太网通信线程主要用于解析以太网通信网络中的指令和数据；反射内存网络线程主要用于解析反射内存网络中的数据，达到全网共享数据的目的。

控制系统故障处理逻辑设计如图9所示，在系统开机后，控制系统进行上电自检，自动检测各子系统工作状态，判断传感器输出是否在正常范围内，是否有故障状态存在。若故障存在则控制系统进入上电等待，当故障排除后，系统再次自检至确认无故障存在，控制系统进入上电就绪状态。之后子系统进行自检检测，当无故障子系统进入上电就绪状态，否则子系统上电等待故障排除。此时控制系统开机完毕。

控制系统在用户指定下启动测试序列，各子系统进行测试序列前的准备，如燃料电池控制，环境系统温度、湿度到达初值，动力总成转速提升至测试值等。当测试准备序列故障检测通过时子系统全部就绪。否则控制系统运行故障，退出测试。

控制系统在子系统全部就绪后发送同步指令启动测试，并在测试过程中检测各子系统是否有故障信号发出。当没有故障时，控制系统持续进行测试；当出现故障信号时，根据故障信号等级进行故障处理，当故障严重等级低为1级时，自行调整子系统配置进行故障修复后重新进行测试，当故障等级为2级或3级时，控制系统停止当前测试序列，等待系统故障排除。

实施例：

将发明内容中的试验结构与任务在实施过程中分解成试验环境控制系统、控制仿真控制系统、燃料电池发动机实验系统、负载控制与仿真系统、燃料电池发动机验证系统、测功机实验系统、燃料电池电堆实验系统和燃料电池单体实验系统八个分系统，即主要实施内容包括：

一、试验环境控制系统针对实验过程完成任务调度和管理，其主要由实验数据管理模块、实验信息管理模块、实验参数管理模块等部分组成。它是整个系统调度管理中心，所有数据的汇总和分发由试验环境控制系统完成。其中，实验数据管理模块具备实验数据分发、实验数据上传、实验数据存储和实验版本管理的功能；实验信息管理模块主要负责实验过程中各子系统的配置信息管理，能够方便快捷地管理系统中所使用的设备及资源，按功能分为系统资源管理、实验管理、用户信息管理、实验人员管理、权限管理等模块；实验参数管理模块主要负责实验过程中各实验参数的修改、配置及管理，包括实验参数配置、参数下发、实验状态监控以及其他环境参数管理等。

上述试验环境控制系统具体的组成可以分为以下几种：

1)数据服务器及配套软件，包括数据服务器及其相关管理软件

2)系统配置组件，包括系统配置上位机及其软件

3)序列管理组件，包括测试序列管理上位机及其软件

4)数据显示组件，包括数据显示上位机及其配套软件

5)实时数据监控组件，包括实时数据监控硬件及其软件

6)设备管理工具包,，管理系统中所有下位机上的设备

7)实验管理工具包，基于数据库开发的用于管理实验的工具包

8)人员权限管理组件，在Windows上开发的基于数据库的管理软件

9)数据库接口及服务，针对各分系统连接数据库时所使用的工具包

10)数据网络通讯协议包，包括数据网络通讯硬件及相关协议解析算法包

11)其他系统内设备及附件，除以上所列设备之外的软硬件及附件

12)其中序列管理组件如图10所示，包括序列编辑，执行与引擎，登录管理，

数据监控，序列部署与通信模块。

二、控制仿真控制系统是整车模型的运行环境，它使用一组运行实时系统的计算机集群完成对于整车模型的仿真运行、数据处理、总线通讯处理，其结构如附图11所示。图中仿真工况采用车辆测试循环，主要包括欧洲标准的NEDC测试循环、美国等使用的联邦测试规范FTR-75(Federal Test Procedure)测试工况与日本使用的JC08油耗测试标准。电池模型，电机模型与车辆模型使用Matlab/Simulink和AMESim两种仿真软件对燃料电池轿车动力系统和测功机系统进行动态建模，其中燃料电池发动机模型、DC/DC模型、锂电池模型均根据零部件工作特性并综合利用试验数据建立，并在Matlab/Simulink中完成仿真模型的搭建。驱动电机和测功机，以及其控制系统模型在AMESim中完成。仿真运行过程中，仿真工况将车辆运行环境输入至驾驶员模型，通过驾驶员模型中PID控制器的作用，将测功机实际模拟车速和目标车速的差转化为踏板开度信号，信号为正时车辆处于驱动状态，为负时出于制动状态，并将相应的踏板信号转化为驱动电机的需求功率或是制动器的制动力。之后，驾驶员模型将车辆的操纵指令发送至混动控制策略，控制策略综合电池、电机模型当前的状态以及车辆模型反馈的状态进行策略的决断。燃料电池汽车换档策略指的是燃料电池汽车在换挡过程中需要驱动电机、变速箱以及测功机协调工作，以确保摘挡的快速进行和主从动齿轮的快速同步。在用测功机对燃料电池汽车动力系统进行测试时，测功机根据驱动电机的输出转矩，以及整车、道路参数模拟车辆的运行状态，同时驱动电机也需要根据测功机的转速信号来调节转速，实现变速器主从动齿轮的快速同步，这个时候，需要控制测功机、驱动电机、变速箱协调工作才能保证实验的精确度和安全性。在同时考虑混动控制策略以及换挡策略后，系统将综合后的策略发送至变速箱模型，变速箱模型将动力传送至不考虑侧向运动的车辆模型，进行仿真分析，同时模型中考虑路面与天气的影响。

三、测功机实验系统采用分体式测功机控制器与测功电机，系统集成到系统中，使用标准通讯协议与其它控制器进行通信，完成转矩与转速的控制，即可驱动又可作为负载；在具体实验中，测功机配合不同要求的测试用例完成道路惯性负载的模拟，其工作过程为：

1)台架总控制器将车速跟踪循环工况发送至驱动电机控制器，输出驱动扭矩；

2)台架总控制器根据转速传感器测量的实际车速与车辆模型计算当前的道路阻力；

3)用扭矩传感器测量的当前扭矩值减去上步计算得到的道路阻力，得到车辆当前的惯性力；

4)用计算得到的惯性力除以车辆的惯量得到车辆瞬时加速度，并积分得到车辆当前理论车速；

5)将理论车速和实际车速进行比较，得到车速误差，并将其用于测功机转速的控制。

为了满足对真实工况的模拟，测功机在工作过程中需要考虑与燃料电池汽车动力系统进行协调控制，其控制策略如图12所示。驾驶员模型根据当前车速和目标车速的误差给驱动电机发送目标扭矩信号，并模拟出车辆的制动力信号；车辆驱动力估计算法根据扭矩传感器上传的扭矩信号，并根据扭矩传感器的安装位置、当前挡位、以及测功机转速估计出车辆的驱动力；行驶阻力模型根据转速传感器上传的测功机转速，计算出当前车速和车辆行驶阻力；最后车辆惯性模型根据车辆受到的驱动力、行驶阻力、制动力计算出车辆的瞬时车速；零转速快速稳定控制算法可有效提高台架的控制效果。当车辆的理论车速变为零的瞬间，将测功机的转速控制信号迅速的变为一个较小的负值，然后再逐渐回归到零。在这个反向转速信号的作用下，测功机会发出一个短暂的反向力矩去抵消测功机转子、驱动电机转子以及传动系统的转动惯性能量，达到迅速降低系统转速的目的。只要反向转速控制信号值，反向转速作用时间，反向转速收敛时间等参数选择合适，上述控制方法能够较大幅度的减小测功机转速逼近零所用的时间。

四、燃料电池发动机实验系统完成噪声测试和高温高湿环境测试实验任务。主要包括环境的监控、数据采集和试验环境控制等功能；

五、负载控制与仿真系统本身可以协调系统中实验的负载资源，对于不同的实验要求提供真实或者仿真负载，管理电池、电机和高电压开关切换设备等；

六、燃料电池发动机验证系统提供可供燃料电池控制器快速原型设计的仿真环境资源，对整体运行和独立运行的燃料电池控制器验证业务提供有效的支持；

七、燃料电池电堆实验系统是对电堆测试的任务子系统；

八、燃料电池单体实验系统是对电池单体测试的任务子系统。

此外，控制系统在实施控制仿真时，还需要结合其他模块，例如自动化测试模块，数据采集模块与数据显示等，具体包括以下几种：

1)设备管理中间层组件，包括实时系统上的设备以及管理软件；

2)模型执行套件，包括实时处理器及其配套执行软件；

3)采集控制组件，包括采集控制板卡，调理电路及相应软件；

4)序列执行套件，包括这种测试任务及其组合；

5)模型及策略软件包，基于AMEsim与Simulink开发的整车模型，道路环境模型；

6)测试用例，包括模型相关的测试用例；

7)自定义配置显示模块，用户自定义显示界面；

8)其他系统内设备及附件，除以上所列设备之外的软硬件及附件；

在硬件在环仿真方面，采用NI公司的VeriStand仿真平台软件，该软件具有极强的兼容性、灵活性和开放性。基于配置的软件环境，友好的用户界面，可以方便地配置控制系统测试等实时测试系统。同时Veristand软件可以将AMESim模型、Matlab/Simulink模型快速导入到实时仿真机中，并将模型的输入/输出接口与相应的I/O板卡通道关联起来，然后部署到控制系统实时目标机中运行，完成控制系统的仿真测试。

在自动化测试方面，采用NI公司的TestStand产品实现管理、控制和执行自动化原型设计、验证或生产测试系统的集成。

为了保证数据通讯的稳定性、快速性与安全性，在燃料电池电堆实验系统、测功机实验系统与负载控制和仿真系统间采用EtherCAT，Control Automation Technology(控制自动化以太网通信)，以实现高精度的设备同步，线缆冗余和功能性安全。在子系统内部采用开发周期短、适用性强的控制器局域网络(CAN，Controller Area Network)用于无高速要求的分系统间数据的通信。分布式反射内存将数据采集与使用系统有效地互联在一起，保证各业务节点间通讯的互联性、同步性、实时性和可靠性。上述总线通信处理系统组成具体包括：

1)CAN通信套件，包括CAN卡及其配套执行软件

2)反射内存通信套件，包括反射内存板卡及其通信引擎

3)EtherCAT通信套件，包括EtherCAT通信卡及其数据解析软件

4)Ethernet通信套件，包括Ethernet通信模块及其软件

5)协议解析工具包，通信协议解析工具包

6)总线管理中间层组件，包括通信总线硬件及总线数据管理软件

7)其他系统内设备及附件，除以上所列设备之外的硬件及附件

本发明所提出的控制系统方案，包括了试验环境控制系统，仿真控制系统，燃料电池控制系统，燃料电池发动机试验系统，负载控制与仿真系统，模拟驾驶与三维视景等系统，有效地解决了试验的管理，增加了试验数据的可视化程度，直观体现了车辆的运动特征；反射内存的使用增加了数据存储安全性与通信实时性；采用分层与集中式并存的数据管理结构，提高数据管理安全性与通信速度；控制系统测试根据用户设定的试验序列实现了自定义自动化测试，并允许多个测试序列进行并行测试；燃料电池动力系统和测功机间的协调控制集成了车辆动力系统控制与测功机控制功能。综合上述系统的功能，采用国际测试循环工况，此控制系统能够完成燃料电池动力系统燃油经济性与动力性的评价，不仅为燃料电池动力系统的开发与应用奠定了基础，而且具有很大的参考价值。

Claims (8)

1.一种燃料电池汽车动力总成集成测试系统，其特征在于，该系统包括：

燃料电池轿车动力子系统：包括驱动电机、驱动电机控制器、变速箱、变速箱控制器、主减速器、燃料电池发动机、燃料电池发动机控制器、动力蓄电池、动力蓄电池控制器，DC/DC变换器以及DC/DC控制器；

环境与负载模拟子系统：包括温度环境控制器、机械振动环境控制器、测功机、测功机控制器以及扭矩转速传感器，所述的测功机、扭矩转速传感器、主减速器、变速箱和驱动电机依次连接；

控制子系统：分别通过总线通信网络与连接燃料电池轿车动力子系统和环境与负载模拟子系统通信，存储上传测试数据以及控制完成测试任务，所述的控制子系统的软件结构包括试验数据安全共享与存储模块以及分别与试验数据安全共享与存储模块通信的通讯与协调控制模块、虚拟视景与数据显示模块、模型仿真与策略验证模块、试验管理模块、自动化测试模块和试验分析模块，所述的通讯与协调控制模块分别通过反射内存网络与驱动电机控制器、变速箱控制器、燃料电池发动机控制器、动力蓄电池控制器、DC/DC控制器、温度环境控制器、机械振动环境控制器、测功机控制器和扭矩转速传感器通信，所述的控制子系统的硬件结构采用分层与集中式并存结构，包括数据采集层、数据处理层和数据上传层，所述的数据采集层通过由反射内存及反射内存交换机构建的反射内存网络实时采集各子系统中的节点数据，通过实时数据池和缓冲数据池进行存储，数据处理层进行线程处理，并且通过数据上传层上传数据。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池汽车动力总成集成测试系统，其特征在于，所述的通信网络包括CAN通信网络、以太网通信网络和反射内存网络。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池汽车动力总成集成测试系统，其特征在于，所述的测试任务包括燃料电池电堆测试任务、燃料电池单体测试任务、燃料电池发动机试验测试任务、燃料电池发动机验证任务、变速箱换档测试任务、变速箱耐久测试任务以及动力系统噪声测试任务，所述的测试任务支持并行运行。

4.根据权利要求1所述的一种燃料电池汽车动力总成集成测试系统，其特征在于，所述的虚拟视景与数据显示模块用以实现测试数据显示与车辆三维动态视景显示，所述的模型仿真与策略验证模块内含整车与各零部件的数学模型，用以根据测试需求选择数学模型或硬件实物参与测试，所述的试验管理模块主要用于管理实验，实现并行试验控制和管理，所述的自动化测试模块用以基于编制的测试序列进行试验，防止系统繁琐操作和错误操作，所述的试验分析模块用以获取已完成试验的有效试验结果数据，所述的试验数据安全共享与存储模块用以将控制子系统中各模块使用的数据进行有效的保存与安全共享，保证系统的实时性。

5.根据权利要求4所述的一种燃料电池汽车动力总成集成测试系统，其特征在于，所述的车辆三维动态视景包括车身、车轮、仪表板的车辆三维模型视景以及天气环境、外部车辆、建筑物、信号灯与路面的三维视景。

6.根据权利要求1所述的一种燃料电池汽车动力总成集成测试系统，其特征在于，所述的分层与集中式并存结构通过设置三个PXI实时系统实现，第一个PXI实时系统用以实现仿真模型的运行，第二个PXI实时系统用以实现数据采集与处理，第三个PXI实时系统用以实现数据的总线传输。

7.根据权利要求2所述的一种燃料电池汽车动力总成集成测试系统，其特征在于，所述的控制子系统的总线通信网络的通信处理包括CAN通信线程、以太网通信线程和反射内存网络线程，用以分别解析CAN通信网络、以太网通信网络和反射内存网络的指令和数据。

8.根据权利要求1所述的一种燃料电池汽车动力总成集成测试系统，其特征在于，所述的控制子系统的软件结构还包括故障处理模块，用以进行上电自检和故障排除复检。