CN114577488B - 一种基于模型驱动的混合动力总成测试台架 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于模型驱动的混合动力总成测试台架。该测试台架包括上位机标定测试系统、快速控制器原型、电池模块、发动机模块、电机模块测功机模块和扭矩测量模块；上位机标定测试系统用于获取目标动力系统信息，快速控制器原型用于切换综合能量管理策略模型和仿真模型，生成扭矩分配指令、充放电指令和阻力负载指令控制发动机模块和电机模块、电池模块以及测功机模块；上位机标定测试系统显示电池模块、发动机模块、电机模块和测功机模块的运行数据。采用本发明的混合动力总成测试台架，能够快速对测试台架的关键动力组件和能量管理策略进行测试验证，不受特定传动系统结构约束，实现动态工况仿真，具有开发目标明确、运行周期短的特点。

Description

一种基于模型驱动的混合动力总成测试台架

技术领域

本发明涉及动力仿真测试技术领域，特别是涉及一种基于模型驱动的混合动力总成测试台架。

背景技术

随着节能减排的推行，车辆船舶动力的电动化趋势越发明显。但是纯电动系统存在充电时间长、充电设施短缺、续航里程短等问题。混合动力系统能够发挥电驱动的动力性优势，具有巨大的节能减排发掘潜力。相对于纯电动系统，混合动力系统能量密度高，具有成本低，输出功率密度高等优势。因此，发展车辆船舶混合动力总成系统具有重要的意义。

混合动力系统具有多种动力构型，在车辆船舶的初期开发阶段，制作试验用车船周期长，开发成本很高。车船用混合动力系统的传动系统设计和关键部件连接方式多样且复杂，另外，在混合动力船舶中，一机单桨，一机多桨，多机多桨，与多类型储能装置或发电机组相匹配，形成了更多可能的拓扑结构。现有技术基于固定的传动系统结构，不但不能充分运用实时仿真模型的优势，而且研究开发成本高、周期长，约束了混合动力系统的整体优化潜力。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于模型驱动的混合动力总成测试台架，具有能够仿真混合动力系统，成本低，周期短的优点。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于模型驱动的混合动力总成测试台架，包括：

上位机标定测试系统、快速控制器原型、电池模块、发动机模块、电机模块、测功机模块和扭矩测量模块；

所述上位机标定测试系统与所述快速控制器原型连接；所述上位机标定测试系统用于获取车辆或船舶的目标动力系统信息、目标运行曲线和目标参数，生成模型选择指令，并将所述模型选择指令和所述目标运行曲线传输至所述快速控制器原型；

所述快速控制器原型用于存储多种综合能量管理策略模型和多种仿真模型，接收并根据所述模型选择指令选择一种综合能量管理策略模型，和与选择的综合能量管理策略模型对应的一种或多种仿真模型，根据结合后的所述目标运行曲线以及选择的综合能量管理策略模型和仿真模型生成扭矩分配指令、充放电指令和阻力负载指令；

所述快速控制器原型与所述电池模块连接；所述快速控制器原型还用于接收所述电池模块的运行数据并将所述电池模块的运行数据传输至所述上位机标定测试系统；

所述快速控制器原型与所述测功机模块连接；所述快速控制器原型还用于接收所述测功机模块的运行数据并将所述测功机模块的运行数据传输至所述上位机标定测试系统；

所述快速控制器原型分别与所述发动机模块和所述电机模块连接；所述快速控制器原型还用于将所述扭矩分配指令分别传输至所述发动机模块和所述电机模块，接收所述发动机模块的运行数据和所述电机模块的运行数据并将所述发动机模块的运行数据和所述电机模块的运行数据均传输至所述上位机标定测试系统；

所述上位机标定测试系统还用于显示所述电池模块的运行数据、所述测功机模块的运行数据、电机模块的运行数据和所述发动机模块的运行数据以及更新所述模型选择指令；

所述电池模块与所述电机模块连接；所述电池模块用于接收并根据所述充放电指令进行充电、放电或DC-DC电压转换；所述电池模块还用于为所述电机模块供电；

所述发动机模块与所述测功机模块连接；所述发动机模块用于接收并根据所述扭矩分配指令输出扭矩；所述测功机模块用于接收并根据所述阻力负载指令实时向所述发动机模块输出负载；

电机模块与所述测功机模块连接；所述电机模块用于接收并根据所述扭矩分配指令输出扭矩；所述测功机模块用于接收并根据所述阻力负载指令实时向所述电机模块输出负载；

所述测功机模块与所述扭矩测量模块连接；所述扭矩测量模块用于测量所述发动机模块的负载扭矩和所述电机模块的负载扭矩；

所述扭矩测量模块与所述快速控制器原型连接；所述扭矩测量模块用于将所述发动机模块的负载扭矩和所述电机模块的负载扭矩均传输至所述快速控制器原型；

所述测功机模块还用于接收所述电机模块的运行数据和所述发动机模块的运行数据以及所述扭矩测量模块测量的数据，并判断所述电机模块的运行数据和所述发动机模块的运行数据以及所述扭矩测量模块测量的数据是否异常得到第一判断结果；所述测功机模块还用于将所述第一判断结果传输至所述快速控制器原型；所述快速控制器原型还用于将所述第一判断结果传输至所述上位机标定测试系统；所述上位机控制系统还用于显示所述第一判断结果。

可选的，所述仿真模型，包括驾驶目标模型、车辆运动模型、船舶运动模型和传动系统模型；

所述快速控制器原型根据车辆运动模型或船舶运动模型生成阻力负载指令。

可选的，所述综合能量管理策略模型包括：

串联能量管理策略模型、并联能量管理策略模型、混联能量管理策略模型、纯电动能量管理策略模型和纯内燃能量管理策略模型。

可选的，所述发动机模块，具体包括：

发动机控制器、发动机和发动机信息采集单元；

所述发动机控制器分别与所述快速控制器原型和所述发动机连接；所述发动机控制器根据所述扭矩分配指令生成燃料喷射指令、进气指令和点火指令；所述发动机用于根据所述燃料喷射指令、所述进气指令和所述点火指令输出扭矩；

所述发动机与所述测功机模块连接；所述测功机模块用于接收并根据所述阻力负载指令实时向所述发动机输出负载；所述发动机还与所述扭矩测量模块连接；所述扭矩测量模块用于测量所述发动机的负载扭矩并将所述发动机的负载扭矩传输至所述快速控制器原型；

所述发动机信息采集单元分别与所述发动机、所述发动机控制器和所述测功机模块；所述所述发动机信息采集单元用于采集所述发动机的转速和水温并将所述发动机的转速和水温分别传输至所述发动机控制器和所述测功机模块；所述发动机控制器用于将所述发动机的转速和水温传输至所述快速控制器原型；所述测功机模块还用于判断所述发动机的转速和水温是否异常，得到所述第一判断结果。

可选的，所述电机模块，具体包括：

电机控制器、电机逆变器、电机和电机信息采集单元；

所述电机控制器分别与所述快速控制器原型、所述电机逆变器和所述电机连接；所述电机控制器用于接收并根据所述扭矩分配指令生成第一脉宽调制指令；

所述电机逆变器分别与所述电池模块和所述电机连接，所述电机逆变器用于将所述第一脉宽调制指令传输至所述电机；所述电机逆变器还用于将所述电池模块输出的直流电压转化成交流电压，并将所述交流电压传输至所述电机；

所述电机与所述测功机模块连接；所述电机用于根据所述第一脉宽调制指令输出扭矩；所述测功机模块用于接收并根据所述阻力负载指令实时向所述电机输出负载；所述电机还与所述扭矩测量模块连接；所述扭矩测量模块用于测量所述电机的负载扭矩并将所述电机的负载扭矩传输至所述快速控制器原型；

所述电机信息采集单元分别与所述电机、所述电机控制器和所述测功机模块；所述所述电机信息采集单元用于采集所述电机的输出功率、转速和角速度并将所述电机的输出功率、转速和角速度分别传输至所述电机控制器和所述测功机模块；所述电机控制器用于将所述电机的输出功率、转速和角速度传输至所述快速控制器原型；所述测功机模块用于判断所述电机的输出功率、转速和角速度是否异常发出，得到所述第一判断结果。

可选的，所述电机信息采集单元，包括：

功率分析仪；

所述功率分析仪分别与所述电机、所述电机逆变器和所述测功机模块连接；所述功率分析仪用于测量所述电机的输出功率并将所述电机的输出功率传输至所述电机逆变器和所述测功机模块；所述电机逆变器将所述电机的输出功率传输至所述电机控制器。

可选的，所述测功机模块，具体包括：

测功机控制器、测功机变频器、电机侧电力测功机和发动机侧电力测功机；

所述测功机控制器分别与所述测功机变频器和所述快速控制器原型连接；所述测功机控制器用于接收并根据所述阻力负载指令生成第二脉宽调制指令；

所述测功机变频器分别与所述电机侧电力测功机和所述发动机侧电力测功机连接；所述测功机变频器用于接收所述第二脉宽调制指令并将所述第二脉宽调制指令分别传输至所述电机侧电力测功机和所述发动机侧电力测功机；

所述电机侧电力测功机分别与所述电机和所述快速控制器原型连接；所述电机侧电力测功机用于根据所述第二脉宽调制指令实时向所述电机输出负载；

所述发动机侧电力测功机分别与所述发动机和所述快速控制器原型连接；所述发动机侧电力测功机用于根据所述第二脉宽调制指令实时向所述发动机输出负载。

可选的，所述扭矩测量模块，还包括：

第一扭矩传感器和第二扭矩传感器；

所述第一扭矩传感器分别与所述电机侧电力测功机、所述电机和所述快速控制器原型连接；所述第一扭矩传感器用于实时测量所述电机的负载扭矩并将所述电机的负载扭矩传输至所述快速控制器原型；

所述第二扭矩传感器分别与所述发动机侧电力测功机和所述发动机连接；所述第二扭矩传感器用于实时测量所述发动机的负载扭矩并将所述发动机的负载扭矩传输至所述快速控制器原型。

可选的，所述电池模块，具体包括：

电池控制器和电池模拟器；

所述电池控制器分别与所述快速控制器原型和所述电池模拟器连接；所述电池控制器用于接收所述充放电指令；所述电池控制器还用于获取所述电池模拟器的运行数据并根据所述电池模拟器的运行数据判断所述电池模拟器是否异常，得到第二判断结果；所述电池控制器还用于将所述电池模拟器的运行数据和第二判断结果传输至所述快速控制器原型；所述快速控制器原型还用于将所述第二判断结果传输至所述上位机标定测试系统；所述上位机控制系统还用于显示所述第二判断结果；

所述电池模拟器与所述电机逆变器连接；所述电池模拟器用于接收并根据所述充放电指令进行充电、放电或DC-DC电压转换；所述电机逆变器用于将所述电池模拟器输出的直流电压转化成交流电压。

可选的，所述混合动力总成测试台架，还包括：

报警装置；

所述报警装置与所述测功机控制器连接；

所述报警装置用于接收所述第一判断结果并根据所述第一判断结果发出报警。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出了一种基于模型驱动的混合动力总成测试台架，混合动力总成测试台架包括：上位机标定测试系统、快速控制器原型、电池模块、发动机模块、电机模块、测功机模块和扭矩测量模块；上位机标定测试系统用于获取输入的车辆或船舶的目标动力系统信息、目标运行曲线和目标参数，生成模型选择指令，快速控制器原型根据模型选择指令切换综合能量管理策略模型和仿真模型来模拟目标处于不同动力系统时的情况，获取电池模块、发动机模块、电机模块和测功机模块的运行数据后即车辆或船舶在当前综合能量管理策略模型下的运行结果，扭矩测量模块实时测量发动机模块和电机模块负载扭矩使得快速控制器原型更新阻力负载指令。本发明提供的混合动力总成测试台架，能够仿真测试目标(车辆或船舶的)处于不同动力系统的运行状态，对关键动力组件和综合能量管理策略进行测试验证，不受特定传动系统结构约束，具有开发目标明确、开发成本低、运行周期短的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中所提供的基于模型驱动的混合动力总成测试台架的结构示意图；

图2为本发明实施例中所提供的基于模型驱动的混合动力总成测试台架信号传输图；

图3为本发明实施例中所提供的基于模型驱动的混合动力总成测试台架处于串联模式时的运行图；

图4为本发明实施例中所提供的基于模型驱动的混合动力总成测试台架处于并联模式时的运行图；

图5为本发明实施例中所提供的基于模型驱动的混合动力总成测试台架处于混联模式时的运行图。

其中，1-上位机标定测试系统；2-快速控制器原型；3-电池控制器；4-电机控制器；5-发动机控制器；6-测功机控制器；7-测功机变频器；8-电池模拟器；9-电机逆变器；10-发动机；11-扭矩测量模块；12-发动机侧电力测功机；13-电机侧电力测功机；14-功率分析仪；15-电机。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于模型驱动的混合动力总成测试台架，具有能够仿真混合动力系统，成本低，周期短的优点。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例

图1为本发明实施例中所提供的基于模型驱动的混合动力总成测试台架的结构示意图，图2为本发明实施例中所提供的基于模型驱动的混合动力总成测试台架信号传输图，其中，图1-2中的粗实线均表示机械连接，细实线均表示强电连接，图1中的虚线表示控制信号连接。如图1-2所示，本发明提供的混合动力总成测试台架，混合动力总成测试台架，包括：上位机标定测试系统1、快速控制器原型2、电池模块、发动机模块、电机模块、测功机模块和扭矩测量模块11。

上位机标定测试系统1与快速控制器原型2连接；上位机标定测试系统1用于获取车辆或船舶的目标动力系统信息、目标运行曲线和目标参数，生成模型选择指令，并将模型选择指令和目标运行曲线传输至快速控制器原型2。

快速控制器原型2用于存储多种综合能量管理策略模型和多种仿真模型，接收并根据模型选择指令选择一种综合能量管理策略模型，和与选择的综合能量管理策略模型对应的一种或多种仿真模型，根据结合后的目标运行曲线以及选择的综合能量管理策略模型和仿真模型生成扭矩分配指令、充放电指令和阻力负载指令；仿真模型包括驾驶目标模型、车辆运动模型、船舶运动模型和传动系统模型，快速控制器原型2根据车辆运动模型或船舶运动模型生成阻力负载指令。综合能量管理策略模型包括串联能量管理策略模型、并联能量管理策略模型、混联能量管理策略模型、纯电动能量管理策略模型和纯内燃能量管理策略模型。

快速控制器原型2与电池模块连接；快速控制器原型2还用于接收电池模块的运行数据并将电池模块的运行数据传输至上位机标定测试系统1。

快速控制器原型2与测功机模块连接；快速控制器原型2还用于接收测功机模块的运行数据并将测功机模块的运行数据传输至上位机标定测试系统1。

快速控制器原型2分别与发动机模块和电机模块连接；快速控制器原型2还用于将扭矩分配指令分别传输至发动机模块和电机模块，接收发动机模块的运行数据和电机模块的运行数据并将发动机模块的运行数据和电机模块的运行数据均传输至上位机标定测试系统1。

上位机标定测试系统1还用于显示电池模块的运行数据、测功机模块的运行数据、电机模块的运行数据和发动机模块的运行数据以及更新模型选择指令。

电池模块与电机模块连接；电池模块用于接收并根据充放电指令进行充电、放电或DC-DC电压转换；电池模块还用于为电机模块供电。

发动机模块与测功机模块连接；发动机模块用于接收并根据扭矩分配指令输出扭矩；测功机模块用于接收并根据阻力负载指令实时向发动机模块输出负载。

电机模块与测功机模块连接；电机模块用于接收并根据扭矩分配指令输出扭矩；测功机模块用于接收并根据阻力负载指令实时向电机模块输出负载。测功机模块与扭矩测量模块11连接；扭矩测量模块11用于测量发动机模块的负载扭矩和电机模块的负载扭矩。

扭矩测量模块11与快速控制器原型2连接；扭矩测量模块11用于将发动机模块的负载扭矩和电机模块的负载扭矩均传输至快速控制器原型2；快速控制器原型2还用于根据发动机模块的输出扭矩和负载扭矩以及电机模块的输出扭矩和负载扭矩更新阻力负载指令。

测功机模块还用于接收电机模块的运行数据和电机模块的运行数据以及扭矩测量模块11测量的数据，并判断电机模块的运行数据和发动机模块的运行数据以及扭矩测量模块11测量的数据是否异常得到第一判断结果；测功机模块还用于将第一判断结果传输至快速控制器原型2；快速控制器原型2还用于将第一判断结果传输至上位机标定测试系统1；上位机控制系统还用于显示第一判断结果。

发动机模块，具体包括发动机控制器5(即图1中的ECU)、发动机10和发动机10信息采集单元；发动机控制器5分别与快速控制器原型2和发动机10连接；发动机控制器5根据扭矩分配指令生成燃料喷射指令、进气指令和点火指令；发动机10用于根据燃料喷射指令、进气指令和点火指令输出扭矩。

发动机10与测功机模块连接；测功机模块用于接收并根据阻力负载指令实时向发动机10输出负载；发动机10还与扭矩测量模块11连接；扭矩测量模块11用于测量发动机10的负载扭矩并将发动机10的负载扭矩传输至快速控制器原型2；快速控制器原型2中的车辆运动模型或船舶运动模型还用于根据发动机10的输出扭矩和负载扭矩实时更新扭矩分配指令和阻力负载指令；

发动机10信息采集单元分别与发动机10、发动机控制器5和测功机模块；发动机10信息采集单元用于采集发动机10的转速和水温并将发动机10的转速和水温分别传输至发动机控制器5和测功机模块；发动机控制器5用于将发动机10的转速和水温传输至快速控制器原型2；测功机模块还用于判断发动机10的转速和水温是否异常，得到第一判断结果。

电机模块，具体包括电机控制器4(即图1中的MCU)、电机逆变器9、电机15和电机15信息采集单元；电机控制器4分别与快速控制器原型2、电机逆变器9和电机15连接；电机控制器4用于接收并根据扭矩分配指令生成第一脉宽调制指令。

电机逆变器9分别与电池模块和电机15连接，电机逆变器9用于将第一脉宽调制指令传输至电机15；电机逆变器9还用于将电池模块输出的直流电压转化成交流电压，并将交流电压传输至电机15。

电机15与测功机模块连接；电机15用于根据第一脉宽调制指令输出扭矩；测功机模块用于接收并根据阻力负载指令实时向电机15输出负载；电机15还与扭矩测量模块11连接；扭矩测量模块11用于测量电机15的负载扭矩并将电机15的负载扭矩传输至快速控制器原型2；快速控制器原型2中的车辆运动模型或船舶运动模型还用于根据电机15的输出扭矩和负载扭矩实时更新扭矩分配指令和阻力负载指令。

电机15信息采集单元分别与电机15、电机控制器4和测功机模块；电机15信息采集单元用于采集电机15的输出功率、转速和角速度并将电机15的输出功率、转速和角速度分别传输至电机控制器4和测功机模块；电机控制器4用于将电机15的输出功率、转速和角速度传输至快速控制器原型2；测功机模块用于判断电机15的输出功率、转速和角速度是否异常发出，得到第一判断结果。

另外，电机15信息采集单元，包括功率分析仪14；功率分析仪14分别与电机15、电机逆变器9和测功机模块连接；功率分析仪14用于测量电机15的输出功率并将电机15的输出功率传输至电机逆变器9和测功机模块；电机逆变器9将电机15的输出功率传输至电机控制器4。

测功机模块，具体包括测功机控制器6、测功机变频器7、电机侧电力测功机13和发动机侧电力测功机12。测功机控制器6分别与测功机变频器7和快速控制器原型2连接；测功机控制器6用于接收并根据阻力负载指令生成第二脉宽调制指令。

测功机变频器7分别与电机侧电力测功机13和发动机侧电力测功机12连接；测功机变频器7用于接收第二脉宽调制指令并将第二脉宽调制指令分别传输至电机侧电力测功机13和发动机侧电力测功机12。

电机侧电力测功机13分别与电机15和快速控制器原型2连接；电机侧电力测功机13用于根据第二脉宽调制指令实时向电机15输出负载。发动机侧电力测功机12分别与发动机10和快速控制器原型2连接；发动机侧电力测功机12用于根据第二脉宽调制指令实时向发动机10输出负载。

扭矩测量模块11，还包括第一扭矩传感器和第二扭矩传感器；第一扭矩传感器分别与电机侧电力测功机13、电机15和快速控制器原型2连接；第一扭矩传感器用于实时测量电机15的负载扭矩并将电机15的负载扭矩传输至快速控制器原型2；第二扭矩传感器分别与发动机侧电力测功机12和发动机10连接；第二扭矩传感器用于实时测量发动机10的负载扭矩并将发动机10的负载扭矩传输至快速控制器原型2。

电池模块，具体包括电池控制器3(即图1中的BMS)和电池模拟器8；电池控制器3分别与快速控制器原型2和电池模拟器8连接；电池控制器3用于接收充放电指令；电池控制器3还用于获取电池模拟器8的运行数据并根据电池模拟器8的运行数据判断电池模拟器8是否异常，得到第二判断结果(即电池控制器还用于对电池模拟器进行状态监测和评估)；电池控制器3还用于将电池模拟器8的运行数据和第二判断结果传输至快速控制器原型2；快速控制器原型2还用于将第二判断结果传输至上位机标定测试系统1；上位机控制系统还用于显示第二判断结果；电池模拟器8与电机逆变器9连接；电池模拟器8用于接收并根据充放电指令进行充电、放电或DC-DC电压转换；电机逆变器9用于将电池模拟器8输出的直流电压转化成交流电压。

本发明提供的混合动力总成测试台架，还包括报警装置；报警装置与测功机控制器6连接；报警装置用于接收第一判断结果并根据第一判断结果发出报警。

具体的，本发明针对现有混合动力总成测试台架面向特定混合动力结构，可适应性不强，建设成本高周期长，无法深入发掘系统整体优化潜力的问题，开发一种基于模型驱动的混合动力总成测试台架。该装置为能发挥软件实时仿真能力的扩展型混合动力总成测试台架装置。

一、测试台架装置基本构成

本发明提供的的混合动力总成测试台架，包括硬件关键部件部分，控制系统部分和软件模型集成部分。其中硬件关键部件包括测功机变频器7、电池模拟器8、被测电机逆变器9、扭矩传感器11、功率分析仪14、发动机侧电力测功机12、电机侧电力测功机13、被测发动机10、被测电机15。

控制系统包括上位机标定测试系统1、快速控制器原型2、电池控制器3、电机控制器4、发动机控制器5和测功机控制器6；

软件模型集成则包括驾驶目标模型、车辆运动模型、船舶运动模型、传动系统模型等仿真模型以及基于不同混合动力构型设计的能量管理策略模型。快速控制器原型2中包括用于实时控制的综合能量管理策略模型和用于被控对象仿真的驾驶目标模型、车辆运动模型、船舶运动模型、传动系统模型两部分。利用快速控制器原型2，可以实现瞬态工况条件下的控制策略开发验证以及排放测试等。快速控制器原型2具有多核处理器并行处理能力，结合FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)技术实现高速信号处理，并且采用模块化的模型开发方法，可以实现高效快速的开发。

电池控制器3、电机控制器4、发动机控制器5、测功机控制器6均通过CAN总线通信协议与快速控制器原型2进行数据交互。

电池模拟器8与电池控制器3进行数据采集和控制信号通信；电机逆变器9与电机控制器4进行数据采集和控制信号通信；发动机10与发动机控制器5进行数据采集和控制信号通信；测功机变频器7与测功机控制器6进行数据采集和控制信号通信。电池模拟器8能够实现双向能量流动，具有直流输出、能量回馈和DC-DC转换等功能，可以仿真锂离子电池、燃料电池、大容量电容等多种储能装置的能量特性和功率输出特性。因此，本台架装置具有多储能装置混合动力系统的测试能力。

发动机侧电力测功机12通过同轴联轴器和被测发动机10机械连接，发动机侧电力测功机12输出轴端装配有第一扭矩传感器11；电机侧电力测功机13通过同轴联轴器和被测电机15机械连接，电机侧电力测功机13输出轴端装配有扭矩传感器11；被测电机15、电机逆变器9、电池模拟器8通过强电电气按顺序连接，其中电机逆变器9和被测电机15之间装配有功率分析仪14；电机侧电力测功机13和发动机侧电力测功机12分别与测功机变频器7通过强电电气连接。本发明中，电力测功机采用高响应性交流变频电机15，测功机具有超小转动惯量，可以实现毫秒级的转矩跟随，能够完成瞬时负荷加载，与仿真离合器结合可实现发动机10转速转矩同步控制算法验证等特殊测试。

测功机控制器6可以通过测试人员手动切换为转速控制模式、转矩控制模式或循环工况设定模式，也可以实时接收快速控制器原型2下达的阻力负载指令，实现可模拟车辆/船舶运行环境的硬件在环测试。测功机控制器6同时通过CAN通信协议、AD转换方法与扭矩传感器11、功率分析仪14和温控设备进行通讯，采集混合动力总成测试台架各个模块的运行数据，同时具有安全报警的功能。

二、测试台架装置运行过程

首先，通过的上位机标定测试系统1设定目标车辆/船舶类型和相应的车速/船速运行曲线，将动力系统选择指令和参数设置值传输给快速控制器原型。快速控制器原型中的综合能量管理策略模型根据运行目标值、各动力组件的反馈实时信息和车船运动模型的输出值实时判断混动工作模式切换和计算扭矩分配指令、充放电指令和阻力负载指令。其次，指令通过CAN通讯实时传输给电池控制器3、电机控制器4和发动机控制器5。电机控制器4根据扭矩分配指令，通过三相脉宽调制波控制电机逆变器9将电池模拟器8输出的的直流电转变为交流电，并传输给电机15以输出扭矩。电池控制器3根据快速控制器原型发来的充放电指令，向电池模拟器8提出输出电压指令，以输出的直流电压。电池控制器3还同时监测电池模拟器8健康状况和残余电量SOC，对电池模拟器8进行故障诊断。发动机控制器5根据扭矩分配指令，通过进气、燃油喷射和点火等命令控制被测发动机10的实际扭矩输出。再次，电机15的输出扭矩、转速、温度等信息均通过相应传感器采集后反馈给电机控制器4，发动机10的输出扭矩反馈给发动机控制器5，电机控制器4和发动机控制器5通过CAN通信传输给快速控制器原型中的车辆运动模型或船舶运动模型。车辆运动模型或船舶运动模型根据电机15、发动机10的输出扭矩和当前测功机实时扭矩反馈值(即负载扭矩)预测车辆或船舶的速度。

快速控制器原型中的车辆运动模型或船舶运动模型根据当前行驶速度值、坡度、水流阻力等信息计算车辆行驶负载阻力或船舶行驶水阻力，负载阻力或船舶行驶水阻力经传动系统模型换算后得到电机15输出轴端负载和被测发动机10输出轴端负载，即生成阻力负载指令。快速控制器原型将阻力负载指令传输给测功机控制器6。测功机控制器6根据阻力负载指令生成第二脉宽调制指令，并将第二脉宽调制指令传输至测功机变频器7，测功机变频器7分别控制电机侧测功机13和发动机侧测功机12以实现目标负载扭矩。测功机变频器7还用于生成交流电压，将生成交流电压分别传输至电机侧测功机13和发动机侧测功机12。电力测功机将负载扭矩信息反馈给快速控制器原型。此时，混合动力总成测试台架装置实现了瞬态工况条件下的的闭环控制过程。

三、多种模式切换

根据不同的动力系统设计开发需求，测试人员切换预存在快速控制器原型2的模型组合(包括车辆运动模型、船舶运动模型，混合动力系统总成模型和相应的能量管理策略模型)，可以实现多类型的动力总成系统的测试与控制开发。混合动力系统具体包括：串联混合动力系统、并联混合动力系统、混联混合动力系统、纯电动动力系统和纯内燃机动力系统。

图3为本发明实施例中所提供的基于模型驱动的混合动力总成测试台架处于串联模式时的运行图，如图3所示，本发明所提供的混合动力总成测试台架为串联混合动力系统时，快速控制器原型2切换至串联能量管理策略模型，以及与串联能量管理策略模型对应的串联混动车船运动模型和动力传动模型。动力传动模型实时计算生成串联系统的阻力负载指令，并控制相应的测功机输出轴端的负载。此时，发动机侧测功机12反映启动发动机10所需的的输出扭矩(倒拖模式)或发电模式的阻力负载，电机侧测功机13反映的是车船行驶阻力负载或减速时的倒拖扭矩。

图4为本发明实施例中所提供的基于模型驱动的混合动力总成测试台架处于并联模式时的运行图，如图4所示，本发明所提供的混合动力总成测试台架为并联混合动力系统时，快速控制器原型2切换至并联能量管理策略模型，以及与并联能量管理策略模型相对应的并联混动车船运动模型和动力传动模型。动力传动模型实时计算生成并联系统的阻力负载指令，并控制相应的测功机输出轴端的负载。此时，被测电机侧测功机13反映的是驱动电机15行驶阻力负载或发电模式倒拖扭矩或减速能量回收倒拖扭矩，发动机侧测功机12反映的是发动机10行驶阻力负载以及发电模式的负载。

图5为本发明实施例中所提供的基于模型驱动的混合动力总成测试台架处于混联模式时的运行图，如图5所示，本发明所提供的混合动力总成测试台架为混联混合动力系统时，快速控制器原型2切换至混联能量管理策略模型，以及与混联能量管理策略模型对应的混联混动车船运动模型和动力传动模型。动力传动模型实时计算生成混联系统的阻力负载指令，并控制给相应的测功机输出轴端的负载。此时，电机侧测功机13反映的是驱动电机15行驶阻力负载或减速能量回收倒拖扭矩，发动机侧测功机12反映的是启动发动机10输出扭矩、发电模式负载或发动机10行驶阻力负载。

纯电动动力系统：快速控制器原型2切换至纯电动能量管理策略模型，以及与纯电动能量管理策略模型对应的纯电动车船运动模型和动力传动模型。此时，仅开启电机模块及电机侧测功机13单元，关闭发动机模块及对应测功机单元。动力传动模型实时计算生成纯电动车船系统的阻力负载指令，阻力负载指令控制电机侧测功机13输出轴端的负载。此时，被测电机侧测功机13反映的是驱动电机15行驶阻力负载或减速能量回收倒拖扭矩。

纯内燃机动力系统：快速控制器原型2切换至纯内燃能量管理策略模型，以及与纯内燃能量管理策略模型对应的纯内燃机动力车船运动模型和动力传动模型。此时，仅开启发动机模块及发动机侧测功机12单元，关闭电机模块及对应测功机单元。动力传动模型实时计算生成纯内燃机动力系统的阻力负载指令，阻力负载指令控制发动机侧测功机12输出轴端的负载。此时发动机侧测功机12反映的是发动机10行驶阻力负载。

本发明提供了一种发挥软件实时仿真能力的模型驱动型混合动力总成测试台架装置，将不同动力推进模式下结构多变的传动系统用实时仿真数学模型代替；另一方面，关键动力单元如发动机10，电机15和动力电池部分使用实物，其他部分使用数学模型代替，形成实物和模型有机结合的动力总成测试平台。通过快速控制器原型2的模型切换，可以实现包括纯内燃动力、纯电动、串联型混合动力、并联型混合动力和混联型混合动力在内的多类型动力总成系统的测试与控制开发，本发明将工作重心集中在关键动力部件的调试和优化上，有利于混合动力结构的优化，提高混合动力系统的整体优化潜力，有效地节约了研究开发成本，缩短了开发周期。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于模型驱动的混合动力总成测试台架，其特征在于，所述混合动力总成测试台架，包括：

上位机标定测试系统、快速控制器原型、电池模块、发动机模块、电机模块、测功机模块和扭矩测量模块；

所述上位机标定测试系统与所述快速控制器原型连接；所述上位机标定测试系统用于获取车辆或船舶的目标动力系统信息、目标运行曲线和目标参数，生成模型选择指令，并将所述模型选择指令和所述目标运行曲线传输至所述快速控制器原型；

所述快速控制器原型用于存储多种综合能量管理策略模型和多种仿真模型，接收并根据所述模型选择指令选择一种综合能量管理策略模型，和与选择的综合能量管理策略模型对应的一种或多种仿真模型，根据结合后的所述目标运行曲线以及选择的综合能量管理策略模型和仿真模型生成扭矩分配指令、充放电指令和阻力负载指令；

所述快速控制器原型与所述电池模块连接；所述快速控制器原型还用于接收所述电池模块的运行数据并将所述电池模块的运行数据传输至所述上位机标定测试系统；

所述快速控制器原型与所述测功机模块连接；所述快速控制器原型还用于接收所述测功机模块的运行数据并将所述测功机模块的运行数据传输至所述上位机标定测试系统；

所述快速控制器原型分别与所述发动机模块和所述电机模块连接；所述快速控制器原型还用于将所述扭矩分配指令分别传输至所述发动机模块和所述电机模块，接收所述发动机模块的运行数据和所述电机模块的运行数据并将所述发动机模块的运行数据和所述电机模块的运行数据均传输至所述上位机标定测试系统；

所述上位机标定测试系统还用于显示所述电池模块的运行数据、所述测功机模块的运行数据、电机模块的运行数据和所述发动机模块的运行数据以及更新所述模型选择指令；

所述电池模块与所述电机模块连接；所述电池模块用于接收并根据所述充放电指令进行充电、放电或DC-DC电压转换；所述电池模块还用于为所述电机模块供电；

所述发动机模块与所述测功机模块连接；所述发动机模块用于接收并根据所述扭矩分配指令输出扭矩；所述测功机模块用于接收并根据所述阻力负载指令实时向所述发动机模块输出负载；

电机模块与所述测功机模块连接；所述电机模块用于接收并根据所述扭矩分配指令输出扭矩；所述测功机模块用于接收并根据所述阻力负载指令实时向所述电机模块输出负载；

所述测功机模块与所述扭矩测量模块连接；所述扭矩测量模块用于测量所述发动机模块的负载扭矩和所述电机模块的负载扭矩；

所述扭矩测量模块与所述快速控制器原型连接；所述扭矩测量模块用于将所述发动机模块的负载扭矩和所述电机模块的负载扭矩均传输至所述快速控制器原型；

所述测功机模块还用于接收所述电机模块的运行数据和所述发动机模块的运行数据以及所述扭矩测量模块测量的数据，并判断所述电机模块的运行数据和所述发动机模块的运行数据以及所述扭矩测量模块测量的数据是否异常得到第一判断结果；所述测功机模块还用于将所述第一判断结果传输至所述快速控制器原型；所述快速控制器原型还用于将所述第一判断结果传输至所述上位机标定测试系统；所述上位机控制系统还用于显示所述第一判断结果。

2.根据权利要求1所述的基于模型驱动的混合动力总成测试台架，其特征在于，所述仿真模型，包括驾驶目标模型、车辆运动模型、船舶运动模型和传动系统模型；

所述快速控制器原型根据车辆运动模型或船舶运动模型生成阻力负载指令。

3.根据权利要求1所述的基于模型驱动的混合动力总成测试台架，其特征在于，所述综合能量管理策略模型包括：

串联能量管理策略模型、并联能量管理策略模型、混联能量管理策略模型、纯电动能量管理策略模型和纯内燃能量管理策略模型。

4.根据权利要求1所述的基于模型驱动的混合动力总成测试台架，其特征在于，所述发动机模块，具体包括：

发动机控制器、发动机和发动机信息采集单元；

所述发动机控制器分别与所述快速控制器原型和所述发动机连接；所述发动机控制器根据所述扭矩分配指令生成燃料喷射指令、进气指令和点火指令；所述发动机用于根据所述燃料喷射指令、所述进气指令和所述点火指令输出扭矩；

所述发动机与所述测功机模块连接；所述测功机模块用于接收并根据所述阻力负载指令实时向所述发动机输出负载；所述发动机还与所述扭矩测量模块连接；所述扭矩测量模块用于测量所述发动机的负载扭矩并将所述发动机的负载扭矩传输至所述快速控制器原型；

所述发动机信息采集单元分别与所述发动机、所述发动机控制器和所述测功机模块；所述发动机信息采集单元用于采集所述发动机的转速和水温并将所述发动机的转速和水温分别传输至所述发动机控制器和所述测功机模块；所述发动机控制器用于将所述发动机的转速和水温传输至所述快速控制器原型；所述测功机模块还用于判断所述发动机的转速和水温是否异常，得到所述第一判断结果。

5.根据权利要求4所述的基于模型驱动的混合动力总成测试台架，其特征在于，所述电机模块，具体包括：

电机控制器、电机逆变器、电机和电机信息采集单元；

所述电机控制器分别与所述快速控制器原型、所述电机逆变器和所述电机连接；所述电机控制器用于接收并根据所述扭矩分配指令生成第一脉宽调制指令；

所述电机逆变器分别与所述电池模块和所述电机连接，所述电机逆变器用于将所述第一脉宽调制指令传输至所述电机；所述电机逆变器还用于将所述电池模块输出的直流电压转化成交流电压，并将所述交流电压传输至所述电机；

所述电机与所述测功机模块连接；所述电机用于根据所述第一脉宽调制指令输出扭矩；所述测功机模块用于接收并根据所述阻力负载指令实时向所述电机输出负载；所述电机还与所述扭矩测量模块连接；所述扭矩测量模块用于测量所述电机的负载扭矩并将所述电机的负载扭矩传输至所述快速控制器原型；

所述电机信息采集单元分别与所述电机、所述电机控制器和所述测功机模块；所述电机信息采集单元用于采集所述电机的输出功率、转速和角速度并将所述电机的输出功率、转速和角速度分别传输至所述电机控制器和所述测功机模块；所述电机控制器用于将所述电机的输出功率、转速和角速度传输至所述快速控制器原型；所述测功机模块用于判断所述电机的输出功率、转速和角速度是否异常发出，得到所述第一判断结果。

6.根据权利要求5所述的基于模型驱动的混合动力总成测试台架，其特征在于，所述电机信息采集单元，包括：

功率分析仪；

所述功率分析仪分别与所述电机、所述电机逆变器和所述测功机模块连接；所述功率分析仪用于测量所述电机的输出功率并将所述电机的输出功率传输至所述电机逆变器和所述测功机模块；所述电机逆变器将所述电机的输出功率传输至所述电机控制器。

7.根据权利要求5所述的基于模型驱动的混合动力总成测试台架，其特征在于，所述测功机模块，具体包括：

测功机控制器、测功机变频器、电机侧电力测功机和发动机侧电力测功机；

所述测功机控制器分别与所述测功机变频器和所述快速控制器原型连接；所述测功机控制器用于接收并根据所述阻力负载指令生成第二脉宽调制指令；

所述测功机变频器分别与所述电机侧电力测功机和所述发动机侧电力测功机连接；所述测功机变频器用于接收所述第二脉宽调制指令并将所述第二脉宽调制指令分别传输至所述电机侧电力测功机和所述发动机侧电力测功机；

所述电机侧电力测功机分别与所述电机和所述快速控制器原型连接；所述电机侧电力测功机用于根据所述第二脉宽调制指令实时向所述电机输出负载；

所述发动机侧电力测功机分别与所述发动机和所述快速控制器原型连接；所述发动机侧电力测功机用于根据所述第二脉宽调制指令实时向所述发动机输出负载。

8.根据权利要求7所述的基于模型驱动的混合动力总成测试台架，其特征在于，所述扭矩测量模块，还包括：

第一扭矩传感器和第二扭矩传感器；

所述第一扭矩传感器分别与所述电机侧电力测功机、所述电机和所述快速控制器原型连接；所述第一扭矩传感器用于实时测量所述电机的负载扭矩并将所述电机的负载扭矩传输至所述快速控制器原型；

所述第二扭矩传感器分别与所述发动机侧电力测功机和所述发动机连接；所述第二扭矩传感器用于实时测量所述发动机的负载扭矩并将所述发动机的负载扭矩传输至所述快速控制器原型。

9.根据权利要求5所述的基于模型驱动的混合动力总成测试台架，其特征在于，所述电池模块，具体包括：

电池控制器和电池模拟器；

所述电池控制器分别与所述快速控制器原型和所述电池模拟器连接；所述电池控制器用于接收所述充放电指令；所述电池控制器还用于获取所述电池模拟器的运行数据并根据所述电池模拟器的运行数据判断所述电池模拟器是否异常，得到第二判断结果；所述电池控制器还用于将所述电池模拟器的运行数据和第二判断结果传输至所述快速控制器原型；所述快速控制器原型还用于将所述第二判断结果传输至所述上位机标定测试系统；所述上位机控制系统还用于显示所述第二判断结果；

所述电池模拟器与所述电机逆变器连接；所述电池模拟器用于接收并根据所述充放电指令进行充电、放电或DC-DC电压转换；所述电机逆变器用于将所述电池模拟器输出的直流电压转化成交流电压。

10.根据权利要求7所述的基于模型驱动的混合动力总成测试台架，其特征在于，所述混合动力总成测试台架，还包括：

报警装置；

所述报警装置与所述测功机控制器连接；

所述报警装置用于接收所述第一判断结果并根据所述第一判断结果发出报警。

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