CN111123900A - 四轮分布式驱动电动客车整车控制器硬件在环测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的是一种四轮分布式驱动电动客车整车控制器硬件在环测试系统，包括硬件在环测试系统硬件平台、整车仿真测试模型、电池模块、电机模块以及驾驶员模块，其中，硬件在环测试系统硬件平台包括：整车控制器、上位机、实时处理器、模拟输入/输出板卡、CAN通信板卡、故障注入模块、信号调理模块以及可编程电源；上位机、驾驶员模块、整车控制器、电池模块、电机模块、整车仿真测试模型形成一闭环测试系统。本发明实现整车控制系统的开发和测试，同时测试验证软件和硬件系统，缩减开发成本，节省开发时间，减小实车测试的安全风险，具有安全、快速、高效等优点。
Description
技术领域
本发明涉及的是新能源整车控制系统测试技术领域，更具体地说是一种四轮分布式驱动电动客车整车控制器硬件在环测试系统。
背景技术
分布式驱动电动客车具有传动链短、传动效率高、结构紧凑，车内空间利用率高等优势，已经成为未来新能源客车的发展方向，目前分布式驱动电动客车的控制系统开发多采用软件仿真和实车验证的方法，软件仿真受动作器动态响应特性、外部噪声干扰等影响，故与实际结果差距较大，实车验证周期长，成本高，且易发生安全事故。
中国专利：基于硬件在环的分布式四轮电驱动新能源汽车实验系统（公开号：109683579A，申请专利号：201910132365.2，申请人：西南交通大学），该专利设计了驱动及测功子系统、驱动电源子系统、能量回收测量与消耗子系统以及系统网络、动力学建模及快速原型控制子系统四大子系统，可实现分布式驱动三种驱动模式、六种不同组合形式，并实现不同驱动模式下整车控制策略对平顺性和操纵稳定性性能仿真测试和制动能量回收策略的研究，但该方法模拟车辆载荷变化有限，灵活性较低，且开发成本较高。
中国专利：一种四轮驱动纯电动汽车硬件在环仿真实验系统（公开号：102442223A，申请专利号：201310079792.1，申请人：长沙理工大学），该系统包括动力模拟模块、实时仿真模块和人机接口模块，动力模拟模块包括四个电机测功子系统，模拟四个车轮子系统，实时仿真模块包括实时控制器和FPGA模块，用于实时运行车辆动力学模型以及整车控制器信号的输入输出和信号调理，但并没有形成一个闭环测试系统。
中国专利：一种分布式驱动纯电动汽车整车控制器的测试系统（公开号：102442223A，申请专利号：201520169959.8 ，申请人：北京闪信鼎中技术有限公司），该测试系统包括上位机、模拟方向盘、模拟油门踏板设备、动画显示屏、CAN卡和信号转换板卡，通过模拟方向盘、模拟油门踏板设备和动画显示屏来模拟信号输入，并以直观的可视方式对整车控制器进行开环硬件电气接口测试和功能测试，但并没有形成一个闭环测试系统
本方案提出一种基于Trucksim和Simulink联合仿真的四轮分布式驱动电动客车整车控制器的硬件在环测试系统，利用Trucksim自带的客车整车模型，根据实车状态对整车模型参数进行修改，用于模拟实车状态。同时在Simulink中建立电池、电机和驾驶员模块，根据整车控制器VCU发送的各轮电机需求力矩指令、电池状态信息和电机转速，计算出各轮电机的实际输出力矩并输入到整车模型，整车控制器VCU再根据整车模型反馈的车身运动姿态信号，对各轮电机的需求力矩进行修正，形成一个闭环测试系统。
本方案可对四轮分布式驱动电动客车进行硬件在环仿真，实现整车控制系统的开发和测试，同时测试验证软件和硬件系统，缩减开发成本，节省开发时间，减小实车测试的安全风险，具有安全、快速、高效等优点。
发明内容
本发明公开的是一种四轮分布式驱动电动客车整车控制器硬件在环测试系统，其主要目的在于克服现有技术存在的上述不足和缺点。
本发明采用的技术方案如下：
四轮分布式驱动电动客车整车控制器硬件在环测试系统，包括硬件在环系统测试统硬件平台、整车仿真测试模型、电池模块、电机模块以及驾驶员模块，所述硬件在环系统硬件平台包括：整车控制器、上位机、实时处理器、模拟输入/输出板卡、CAN通信板卡、故障注入模块、信号调理模块以及可编程电源，所述驾驶员模块用于控制信号的输入，所述电池模块、电机模块以及驾驶员模块在Simulink上进行搭建，所述整车仿真测试模型在Trucksim上进行搭建；所述上位机通过驾驶员模块与所述整车控制器相连接，所述电池、电机模块分别与该整车控制器和所述整车仿真测试模型搭建相连接，所述整车仿真测试模型与所述整车控制器相通讯连接，所述上位机、驾驶员模块、整车控制器、电池模块、电机模块、整车仿真测试模型形成一闭环测试系统。
更进一步，所述整车仿真测试模型的搭建包括以下具体步骤：
（1）车体建模：针对车辆簧载质量、车身长宽高、质心位置以及绕各转动轴的转动惯量进行设置；
（2）轮胎建模：针对轮胎的外形尺寸、稳态力学特性、瞬态响应特性以及动力学迟滞损失进行设置；
（3）悬架建模：根据包括实际测试车辆的悬架系统刚度、阻尼和减震器的相关参数对悬架系统进行设置，其中，前轴和后轴均采用独立悬架；
（4）转向系统建模：根据实车状态设置转向轴形式、传动比以及非线性性质参数进行设置；
（5）制动系统建模：根据实车测试数据设置压力调节方式和最大气制动力矩进行设置；
（6）动力总成系统建模：从模型外部输入四轮的驱动力矩作为整车的动力输入进行设置，完成整车动力系统建模。
更进一步，所述模拟量输入板卡用于采集该整车控制器的模拟量输出信号；所述模拟量输出板卡用于包括模拟油门踏板、制动踏板的模拟量输入信号；所述CAN通讯板卡用于模拟整车CAN网络通讯；所述故障注入模块用于通过控制串联于整车控制器和模拟量输入/输出板卡之间的短路桥，实现控制信号的通断。
更进一步，所述模拟量输出板卡的输出接口上还设有信号处理模块，该信号处理模块用于调理电气特性不符合测试板卡要求的信号，并提高输出电压的稳定性和精度。
更进一步，所述电池模块由电池管理系统模块和电池包模块组成，电池管理系统模块用于接收该整车控制器发送的控制命令、驾驶员模块的控制指令以及电池包状态信息，并将电池的实时状态信息反馈给整车控制器；所述电池包模块由电池单体模型组成，该电池包模块的电流来自包括电机电流、电附件电流、充电电流的需求，当单体电压过高或过低时，单体电流由均衡模块进行调节。
更进一步，所述电机模块包括电机控制器模块和电机模型，该电机控制器模块用于接收整车控制器发送的行驶控制指令和电机反馈的状态信息，控制电机输出需求转矩，并将电机的实时状态信息反馈给整车控制器，该电机模型为电机数学模型，该电机数学模型通过接收所述电机控制器发送的需求转矩指令、电压信息以及由车速推算的电机转速，经过计算得到电机的实际输出扭矩和电流。
更进一步，所述电机数学模型计算电机的实际输出扭矩
由以下计算公式得出：
其中，
、
分别为电机电枢端电压和反电动势，
、
分别为电机的电枢电流和励磁电流，
、
为电枢电路的电阻和电感，
为励磁电路的电阻，
为电机的励磁电压，
为电机的角速度，
为电机轴上的转动惯量，
、
为电机的转矩和负载转矩，
为电枢电路时间常数，为励磁电路的时间常数，
为电机磁极对数，
为电枢绕组和励磁绕组的互感。
更进一步，所述电机数学模型计算电机功率分为驱动和制动工况，在驱动工况下电机输出正扭矩依据电机电动特性效率MAP查表计算得到其功率，在制动或滑行工况电机输出负扭矩依据发电特性MAP查表得到得到其功率，然后根据公式I=P/U求得电机的输出电流。
具体测试流程如下：车辆进入驱动状态，上位机将钥匙信号、档位信号、油门踏板开度、制动踏板开度和方向盘转角信号发送给整车控制器VCU，整车控制器VCU计算出各轮电机的需求驱动力矩，并将控制指令发送给电池和电机模块，电机模块计算出各轮电机的实际输出力矩输入给Trucksim的整车模型，整车控制器VCU再根据整车模型反馈的车身运动姿态信号，包括纵向加速度、侧向加速度、横摆角速度等等，对各轮电机的需求驱动力矩进行修正，从而形成一个闭环测试系统。
通过上述对本发明的描述可知，和现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明可对四轮分布式驱动电动客车进行硬件在环仿真，实现整车控制系统的开发和测试，同时测试验证软件和硬件系统，缩减开发成本，节省开发时间，减小实车测试的安全风险，具有安全、快速、高效等优点。
附图说明
图1是本发明系统硬件平台的结构示意图。
图2是本发明系统的测试流程图。
具体实施方式
下面参照附图说明来进一步地说明本发明的具体实施方式。
如图1和图2所示，一种四轮分布式驱动电动客车整车控制器硬件在环测试系统：首先是硬件在环系统硬件平台的搭建，该测试系统是基于NI-PXI平台搭建的，主要组成包括：上位机、PXI机箱、实时处理器、模拟输入\输出板卡、CAN通信板卡、可编程电源、故障注入模块和信号处理模块。
PXI机箱选用的是NI PXIe-1065机箱，使用的板卡和处理器包括：
（1）实时处理器NI PXIe-8840，用于运行整车模型，模拟车辆运行状态；
（2）模拟量输入板卡NI PXIe-6224，用于采集VCU的模拟量输出信号；
（3）模拟量输出板卡NI PXIe-6738，用于模拟油门踏板、制动踏板等模拟量输入信号，此外还在输出接口上增加信号处理模块，该模块主要用于调理电气特性不符合测试板卡要求的信号，并且提高输出电压的稳定性和精度；
（4）CAN总线通讯板卡NI PXI-8512/2，用于模拟整车CAN网络，可通过导入DBC文件来模拟CAN报文的接收和发送并自行解析，实现数据相互传输。
故障注入模块是通过串联于VCU和I/O板卡之间的短路桥来控制信号通断，既可对信号进行监控，也可引入激励信号或对输入输出信号进行静态测试。
完成硬件平台的搭建后，下一步就是搭建整车仿真测试模型，采用的是Trucksim和Simulink联合仿真搭建的方法，Trucksim是款针对客车、卡车的车辆动力学仿真软件，具有多轴、双轮胎等多种布置形式的整车模型，这里选用的是四轮驱动的客车模型。
首先是整车建模，主要是针对车辆簧载质量、车身长宽高、质心位置以及绕各转动轴的转动惯量进行设置。
其次是轮胎建模，主要包括轮胎的外形尺寸、稳态力学特性、瞬态响应特性以及动力学迟滞损失，其中最重要的是轮胎力学特性，包括纵向力、侧向力、回正力矩，是根据所选用的轮胎进行试验标定后确定的。
接下来是悬架系统建模，前轴和后轴均采用独立悬架，悬架系统的刚度、阻尼和减震器等相关参数是根据实际测试车辆的悬架系统进行设置。
然后是转向系统和制动系统建模，由于实际测试车辆采用的前轴带转向，后轴不带转向的设计方案，前轴转向系统根据实车状态设置转向轴形式、传动比以及非线性性质等参数。制动系统采用的是气压制动的方案，根据实车测试数据设置压力调节方式和最大气制动力矩。
最后是动力总成系统建模，由于Trucksim没有电动汽车的仿真平台，因此需要将动力总成系统架空，从模型外部输入四轮的驱动力矩作为整车的动力输入，这里采用的是轮边电机加减速器的动力系统方案，所以采用动力系统中的半轴转矩作为车辆驱动力矩的输入端口。
完成整车建模后，还需要在Simulilnk中搭建电池模块、电机模块以及驾驶员模块。
驾驶员模块主要负责控制信号的输入，包括钥匙信号、档位信号、油门/制动踏板开度信号、方向盘转角信号、手刹信号、充电信号以及辅助功能开关信号，对整车状态进行控制。
电池模块由电池管理系统（BMS）模块和电池包（Pack）模块组成，BMS模块负责接收整车控制器VCU发送的控制命令、驾驶员模块的控制指令和电池包状态信息，并将电池的实时状态信息反馈给整车控制器VCU。
电池包模块是由电池单体模型组成，电池包电流Pack_Current来自四个电机电流、电附件电流、充电电流等需求，当单体电压过高或过低时，单体电流由均衡模块进行调节。电池SOC计算是通过设置一个初始值，采用安时积分法计算剩余的电量，从而得到单体的荷电状态。单体温度计算主要是根据电池发热原理，采用经验公式计算电池单体温度。
电流包电压Pack_Vol是根据单体输出电压和系统串联数目所决定的，单体的输出电压受到单体荷电状态和温度的影响，主要是根据单体当前的SOC和温度通过查表得到此状态下的单体输出电压。电池的最高单体电压、最低单体电压设置为平均电压和常量压差计算得到的，最高单体温度、最低单体温度是根据平均温度和温差信号计算得到的。
与电池模块相同，电机模块包括电机控制器（MCU）模块和电机模型。MCU模块负责接收整车控制器VCU发送的行驶控制指令和电机反馈的状态信息，控制电机输出需求转矩，并将电机的实时状态信息反馈给整车控制器VCU。由于真实的电机模型过于复杂，且需要大量的试验数据，因此这里建立的是电机数学模型，通过接收MCU发送的需求转矩指令，电压信息以及由车速推算的电机转速，经过计算得到电机的实际输出扭矩和电流。
电机数学模型计算电机的实际输出扭矩
由以下计算公式得出：
其中，
、
分别为电机电枢端电压和反电动势，
、
分别为电机的电枢电流和励磁电流，
、
为电枢电路的电阻和电感，
为励磁电路的电阻，
为电机的励磁电压，
为电机的角速度，
为电机轴上的转动惯量，
、
为电机的转矩和负载转矩，
为电枢电路时间常数，为励磁电路的时间常数，
为电机磁极对数，
为电枢绕组和励磁绕组的互感。
电机的实际输出扭矩可由上式计算得到，电机功率计算分为驱动和制动工况，驱动工况下电机输出正扭矩依据电机电动特性效率MAP查表计算得到其功率，制动或滑行工况电机输出负扭矩依据发电特性MAP查表得到得到其功率，后根据公式I=P/U求得输出电流。
具体测试流程如下：车辆进入驱动状态，上位机将钥匙信号、档位信号、油门踏板开度、制动踏板开度和方向盘转角信号发送给整车控制器VCU，整车控制器VCU计算出各轮电机的需求驱动力矩，并将控制指令发送给电池和电机模块，电机模块计算出各轮电机的实际输出力矩输入给Trucksim的整车模型，整车控制器VCU再根据整车模型反馈的车身运动姿态信号，包括纵向加速度、侧向加速度、横摆角速度等等，对各轮电机的需求驱动力矩进行修正，从而形成一个闭环测试系统。
本方案提出一种基于Trucksim和Simulink联合仿真的四轮分布式驱动电动客车整车控制器的硬件在环测试系统，利用Trucksim自带的客车整车模型，根据实车状态对整车模型参数进行修改，用于模拟实车状态。同时在Simulink中建立电池、电机和驾驶员模块，根据整车控制器VCU发送的各轮电机需求力矩指令、电池状态信息和电机转速，计算出各轮电机的实际输出力矩并输入到整车模型，整车控制器VCU再根据整车模型反馈的车身运动姿态信号，对各轮电机的需求力矩进行修正，形成一个闭环测试系统。
本方案可对四轮分布式驱动电动客车进行硬件在环仿真，实现整车控制系统的开发和测试，同时测试验证软件和硬件系统，缩减开发成本，节省开发时间，减小实车测试的安全风险，具有安全、快速、高效等优点。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不仅局限于引，凡是利用此构思对本发明进行非实质性地改进，均应该属于侵犯本发明保护范围的行为。
Claims (8)
1.四轮分布式驱动电动客车整车控制器硬件在环测试系统，其特征在于：包括硬件在环系统测试统硬件平台、整车仿真测试模型、电池模块、电机模块以及驾驶员模块，所述硬件在环系统硬件平台包括：整车控制器、上位机、实时处理器、模拟输入/输出板卡、CAN通信板卡、故障注入模块、信号调理模块以及可编程电源，所述驾驶员模块用于控制信号的输入，所述电池模块、电机模块以及驾驶员模块在Simulink上进行搭建，所述整车仿真测试模型在Trucksim上进行搭建；所述上位机通过驾驶员模块与所述整车控制器相连接，所述电池、电机模块分别与该整车控制器和所述整车仿真测试模型搭建相连接，所述整车仿真测试模型与所述整车控制器相通讯连接，所述上位机、驾驶员模块、整车控制器、电池模块、电机模块、整车仿真测试模型形成一闭环测试系统。
2.根据权利要求1所述的四轮分布式驱动电动客车整车控制器硬件在环测试系统，其特征在于：所述整车仿真测试模型的搭建包括以下具体步骤：
（1）车体建模：针对车辆簧载质量、车身长宽高、质心位置以及绕各转动轴的转动惯量进行设置；
（2）轮胎建模：针对轮胎的外形尺寸、稳态力学特性、瞬态响应特性以及动力学迟滞损失进行设置；
（3）悬架建模：根据包括实际测试车辆的悬架系统刚度、阻尼和减震器的相关参数对悬架系统进行设置，其中，前轴和后轴均采用独立悬架；
（4）转向系统建模：根据实车状态设置转向轴形式、传动比以及非线性性质参数进行设置；
（5）制动系统建模：根据实车测试数据设置压力调节方式和最大气制动力矩进行设置；
（6）动力总成系统建模：从模型外部输入四轮的驱动力矩作为整车的动力输入进行设置，完成整车动力系统建模。
3.根据权利要求1所述的四轮分布式驱动电动客车整车控制器硬件在环测试系统，其特征在于：所述模拟量输入板卡用于采集该整车控制器的模拟量输出信号；所述模拟量输出板卡用于包括模拟油门踏板、制动踏板的模拟量输入信号；所述CAN通讯板卡用于模拟整车CAN网络通讯；所述故障注入模块用于通过控制串联于整车控制器和模拟量输入/输出板卡之间的短路桥，实现控制信号的通断。
4.根据权利要求3所述的四轮分布式驱动电动客车整车控制器硬件在环测试系统，其特征在于：所述模拟量输出板卡的输出接口上还设有信号处理模块，该信号处理模块用于调理电气特性不符合测试板卡要求的信号，并提高输出电压的稳定性和精度。
5.根据权利要求1所述的四轮分布式驱动电动客车整车控制器硬件在环测试系统，其特征在于：所述电池模块由电池管理系统模块和电池包模块组成，电池管理系统模块用于接收该整车控制器发送的控制命令、驾驶员模块的控制指令以及电池包状态信息，并将电池的实时状态信息反馈给整车控制器；所述电池包模块由电池单体模型组成，该电池包模块的电流来自包括电机电流、电附件电流、充电电流的需求。
6.根据权利要求1所述的四轮分布式驱动电动客车整车控制器硬件在环测试系统，其特征在于：所述电机模块包括电机控制器模块和电机模型，该电机控制器模块用于接收整车控制器发送的行驶控制指令和电机反馈的状态信息，控制电机输出需求转矩，并将电机的实时状态信息反馈给整车控制器，该电机模型为电机数学模型，该电机数学模型通过接收所述电机控制器发送的需求转矩指令、电压信息以及由车速推算的电机转速，经过计算得到电机的实际输出扭矩和电流。
7.根据权利要求6所述的四轮分布式驱动电动客车整车控制器硬件在环测试系统，其特征在于：所述电机数学模型计算电机的实际输出扭矩
由以下计算公式得出：
其中，
、
分别为电机电枢端电压和反电动势，
、
分别为电机的电枢电流和励磁电流，
、
为电枢电路的电阻和电感，
为励磁电路的电阻，
为电机的励磁电压，
为电机的角速度，
为电机轴上的转动惯量，
、
为电机的转矩和负载转矩，
为电枢电路时间常数，为励磁电路的时间常数，
为电机磁极对数，
为电枢绕组和励磁绕组的互感。
8.根据权利要求6所述的四轮分布式驱动电动客车整车控制器硬件在环测试系统，其特征在于：所述电机数学模型计算电机功率分为驱动和制动工况，在驱动工况下电机输出正扭矩依据电机电动特性效率MAP查表计算得到其功率，在制动或滑行工况电机输出负扭矩依据发电特性MAP查表得到得到其功率，然后根据公式I=P/U求得电机的输出电流。
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