CN117162797A - 电动车辆中虚拟化内燃机车辆的特性的方法 - Google Patents

Abstract

一种在电动车辆中虚拟化内燃机车辆的特性的方法，该方法包括：由控制器确定从使车辆移动的电机施加到动力系的当前输入扭矩；由控制器根据所确定的当前输入扭矩确定电机和驱动轮之间的动力系中的齿轮的齿面压力；由控制器生成虚拟效果信号，该虚拟效果信号用于基于所确定的动力系中的齿轮的齿面压力来生成模拟内燃机车辆的动力系特性的虚拟效果；以及由控制器通过控制根据所生成的虚拟效果信号生成虚拟效果的虚拟效果生成装置的操作来生成模拟内燃机车辆的动力系特性的虚拟效果。

Description

电动车辆中虚拟化内燃机车辆的特性的方法

技术领域

本发明涉及一种在电动车辆(EV)中虚拟化内燃机(ICE)车辆的特性的方法，更具体地，涉及一种在EV中虚拟化包括内燃机、变速器和离合器的动力系的操作感觉以及ICE车辆的驾驶感觉的方法。

背景技术

众所周知，电动车辆(EV)是以电机作为驱动装置运行的车辆。电池电动车辆(BEV)是仅使用电机运行的纯电动车辆。

电池电动车辆的动力系包括供应电力以驱动电机的电池、连接到电池的逆变器、作为用于使车辆移动的驱动装置并经由逆变器连接到电池以进行充电和放电的电机以及减小电机的旋转力并将旋转力传递到驱动轮的减速器。

与常规内燃机(ICE)车辆不同，典型的电动车辆不具有多速变速器，而是在电机和驱动轮之间设置具有固定齿轮比的减速器。

这是因为，与内燃机不同，内燃机根据工作点具有宽的能量效率分布范围，并且仅在高速区域中能够提供高扭矩，在电机的情况下，根据工作点的效率差异相对较小，并且可以仅利用单个电机单元的特性来实现低转速和高扭矩。

此外，由于内燃机不可能低速操作的特性，配备传统内燃机动力系的车辆需要起动机构，诸如变矩器或离合器，而在电动车辆的动力系中，由于电机具有易于低速运行的特性，可以去除起动机构。

此外，电动车辆的动力系通过利用来自电池的电能运行电机来发电，而不是像常规内燃机车辆那样通过燃烧燃料来生成动力。

因此，与由空气动力学和热力学反应生成的内燃机扭矩相比，电动车辆的扭矩通常具有更复杂、更平稳和更灵敏的特点。由于这些机械差异，与内燃机车辆不同，电动车辆可以提供平稳的操作，而不会由于换档等而中断驾驶性能。

此外，在配备常规内燃机动力系的汽车中，振动的主要来源是内燃机(发动机)。在点火打开状态下，由内燃机的周期性爆发力生成的振动通过动力系或支座传递到车身和乘客。

这些振动通常被认为是需要阻尼的负面因素。在这方面，由于在电机代替发动机的电动车辆中不存在振动源，因此与内燃机车辆相比，在改善乘坐舒适性方面是有利的。

然而，对于寻求有趣驾驶体验的驾驶员来说，发动机没有振动可能会让他们感到厌烦。特别是，在追求高性能的电动车辆中，有时不仅需要提供平稳的感觉，而且需要提供粗糙和颤抖的感觉。

然而，电动车辆在向驾驶员提供这些情感元素方面存在局限性。因此，需要一种创建虚拟效果的方法，其在电动车辆中模拟由内燃机车辆的动力系产生的振动和声音。

特别地，有必要提供用于虚拟化内燃机车辆的驾驶特性的功能，这样，驾驶员可以在驾驶员想要感受由发动机、变速器、离合器等提供的驾驶感、乐趣、兴奋以及直接换档感觉时，就可以在他或她的车辆中体验期望的感觉而不必换成内燃机车辆。

发明内容

因此，本发明是考虑到相关技术中出现的上述问题而作出的，并且本发明旨在提供一种在电动车辆中虚拟化内燃机车辆的动力系的特性的方法，这使得驾驶员能够体验由内燃机(发动机)、变速器、离合器等提供的驾驶感、乐趣、兴奋以及直接换档感觉。

本发明的目的不限于上述目的，本发明所属领域的技术人员(以下称为“普通技术人员”)将从以下描述中清楚地理解未提及的其他目的。

为了实现上述目的，根据本发明的一个实施例，提供了一种在电动车辆中虚拟化内燃机车辆的特性的方法，该方法包括：由控制器确定从使车辆移动的电机施加到动力系的当前输入扭矩；由控制器根据所确定的当前输入扭矩确定电机和驱动轮之间的动力系中的齿轮的齿面压力；由控制器生成虚拟效果信号，该虚拟效果信号用于基于所确定的动力系中的齿轮的齿面压力来生成模拟内燃机车辆的动力系特性的虚拟效果；以及由控制器通过控制根据所生成的虚拟效果信号生成虚拟效果的虚拟效果生成装置的操作来生成模拟内燃机车辆的动力系特性的虚拟效果。

如上所述，根据在没有内燃机(发动机)、变速器、离合器等的电动车辆中虚拟化内燃机车辆的特性的方法，可以通过振动和声音虚拟化和提供内燃机车辆的动力系特性，并向驾驶员提供就像实际的内燃机、变速器和离合器正在运行一样的操作和驾驶的感觉。

此外，驾驶员可以在他或她的车辆中体验由内燃机车辆的动力系提供的驾驶感、乐趣、兴奋和直接换档感觉，而不必换成内燃机车辆。

特别地，通过生成与动力系齿轮的齿面压力相关的虚拟振动和虚拟声音，可以最大化虚拟效果的真实性，并且高度真实的虚拟效果进而可以极大地提高车辆的市场竞争力。

附图说明

从以下结合附图的详细描述中，将更清楚地理解本发明的上述和其他目的、特征和其他优点，其中：

图1和图2是示意性地示出车辆中的动力系的齿轮元件的视图；

图3是示出根据本发明的用于虚拟化内燃机车辆的特性的装置的配置的框图；

图4是示出根据本发明的用于虚拟化内燃机车辆的特性的过程的流程图；

图5是示意性示出根据本发明中的齿轮齿面压力的虚拟振动信号和虚拟声音信号的波形和大小的示意图；

图6是示出在本发明中当齿轮齿面压力为零(0)时虚拟振动信号和虚拟声音信号的波形和大小的示意图；

图7和图8是示出在本发明中计算齿轮齿面压力的示例的示意图；

图9是示出在本发明中实时改变虚拟振动和虚拟声音的示例的示意图；

图10是示出内燃机的气缸压力状态的示意图；以及

图11是示出在本发明中计算齿轮齿面压力之后在虚拟效果的波形中实时改变大小和形状的示例的示意图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图详细描述本发明的实施例。在本发明的实施例中呈现的具体结构或功能描述仅出于描述根据本发明的概念的实施例的目的而例示，并且可以以各种形式实现根据本发明的概念的实施例。此外，不应理解为本发明受本文描述的实施例的限制，而是应理解为包括在本发明的精神和范围中包括的所有修改、等同和替代。

同时，在本发明中，可以使用诸如第一和/或第二的术语来描述各种部件，但是这些部件不受这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个部件与其他部件的目的，例如，在不脱离根据本发明的概念的权利范围的范围内，第一部件可以被称为第二部件，并且类似地，第二部件也可以被称第一部件。

当一个部件被称为“连接”到另一个部件时，应当理解，该部件可以直接连接到另一部件，但其他部件可能存在于两者之间。另一方面，当说一个部件“直接连接”到另一个部件时，应当理解，中间没有其他部件。用于描述部件之间关系的其他表达，即“在…之间”和“紧接在…之间”或“邻近”和“直接邻近”等表达，也应作类似解释。

相同的附图标记始终指代相同的部件。本文使用的术语仅用于描述实施例的目的，而不旨在限制本发明。在本说明书中，除非在短语中特别说明，否则单数也包括复数。如本文所用，“包括”和/或“包含”不排除所述的部件、步骤、操作和/或元件存在或添加一个或多个其他部件、步骤、动作和/或元件。

本发明寻求提供一种在电动车辆中虚拟化内燃机车辆的动力系的特性的方法，这使得驾驶员能够体验由内燃机、变速器、离合器等提供的驾驶感、乐趣、兴奋以及直接换档感觉。

此外，本发明寻求提供一种实现虚拟驾驶性能的方法，使得驾驶员可以在他或她的车辆中体验内燃机车辆的期望驾驶感受和感觉，而不必换成内燃机车辆。

为此，有必要创建虚拟效果，该虚拟效果与车辆要应用的电动车辆中的内燃机车辆的动力系特性相关联，以向驾驶员提供更真实的驾驶感受和感觉。然而，传统上，在实施接近实际内燃机车辆的动力系特性的虚拟效果方面存在着局限性，仅产生仅与加速器踏板输入值(APS值)(即驾驶员的驾驶输入信息)或动力系速度或车辆速度相关联的虚拟效果。

此外，虽然已知在电动车辆中生成并提供虚拟声音，但存在虚拟声音与实际内燃机(发动机)车辆中生成的声音不同的问题，从而驾驶员可能感觉到不同。

因此，本发明侧重于通过生成虚拟振动和声音来虚拟和提供在电动汽车中可以感受到的内燃机车辆的动力系统特性，以及通过生成与车辆的动力系特性和实际驾驶情况相关联的虚拟振动和声音，使驾驶员能够感受到更真实的感觉和驾驶感受。

在本发明中，主要技术特征是创建并提供与动力系齿轮的齿面压力相关联的虚拟振动和声音效果，使得驾驶员可以体验到与实际内燃机车辆相比没有任何差异感的动态感觉。

在本发明中，电动车辆是由作为用于移动车辆的驱动装置的电机提供动力的车辆，并且是广义上的电动车辆，包括例如电池电动车辆(BEV)、混合动力电动车辆(HEV)和燃料电池电动车辆(FCEV)，它们是纯电动车辆。

在混合动力车辆的情况下，可以在仅由电机驱动的EV模式下执行根据本发明的虚拟效果创建和实现过程。如上所述，根据本发明的模拟内燃机车辆的特性的方法可以应用于由电机提供动力的电动车辆。

在下面的描述中，术语内燃机和发动机具有相同的含义，并且电机意味着用于移动车辆的驱动电机。

在装备有现有内燃机(发动机)的车辆中生成的振动和声音可主要分类如下。

1.发动机进气产生的流体声音

2.由于发动机燃烧室中的爆炸冲程和压力变化引起的辐射的振动和声音

3.发动机振动通过动力系传递到车身的振动和辐射的声音

4.由发动机排气系统产生的振动和流动谐振声响

其中，对车内驾驶员或乘客来说最重要的是第3项，即发动机振动通过动力系传递到车身的振动和辐射的声音。

因此，在电动车辆中创建虚拟效果，即创建虚拟振动和声音(其模拟内燃机车辆中动力系生成的振动和声音)的主要目的是向电动车辆的驾驶员提供与内燃机车辆中一样的感受。因此，关于电动车辆中的虚拟振动和声音创建，在内燃机车辆的振动和声音中，与上述第3项对应的振动和声音效果应该被视为最重要的。

此外，在电动车辆中，振动通过动力系辐射到车身和驾驶室的程度与动力系齿轮的齿面压力成比例。此时，动力系齿轮是指扭矩在电机和驱动轮之间传递的齿轮，这可能指的是已知动力系中的齿轮，其中旋转力在电动车辆中的电机和驱动轮之间传递。电动车辆中典型的动力系齿轮是减速器的齿轮。

根据本发明，通过生成与动力系齿轮的齿面压力相关联的虚拟振动和虚拟声音作为模拟电动车辆中内燃机车辆的动力系特性的虚拟效果，虚拟效果的真实性可以被最大化，并且高度真实的虚拟效果进而可以大大提高车辆的市场竞争力。

图1和图2示意性地示出了车辆的动力系中的齿轮。在电动车辆中，存在多个齿轮，这些齿轮通过作为驱动装置的电机和连接到电机的驱动轮之间的动力系中的相互啮合和同时旋转来执行扭矩(和力)传递，以实现动力传递的目的。

在内燃机车辆的动力系中，随着齿轮齿面压力的增加，动力系的各个运动零件之间的振动传递特性变得更接近刚体，因此内燃机中生成的振动的传递率增加。

相反，动力系中齿轮的齿面压力越小，相邻运动零件之间的应力越低，使得难以传递振动，这导致周围润滑部分的振动能量衰减，从而降低振动传递率。也就是说，随着动力系齿轮的齿面压力的幅度(压力的绝对值)增加，振动的振幅增加，而振动的振幅随着动力系齿轮的齿面压力的幅度减小而减小(参考稍后将描述的图9和图11)。

考虑到这一点，在本发明中，随着动力系齿轮的齿面压力(压力的绝对值)的大小增加，虚拟效果的大小(振动的振幅和声音的音量)变得更大，并且随着动力系齿轮的齿面压力的大小减小，虚拟效果大小变得更小。

本发明的主要技术特征是，为了在电动车辆中表达如上所述的动力系特性，如下所述将虚拟振动和声音设置为模拟内燃机车辆特性的虚拟效果，并且生成并实现反映动力系特性的振动和声音以提供给驾驶员。

作为参考，在本发明中，齿面压力是指通过在啮合的齿轮的齿面之间的压缩施加的压力，并且由于齿轮的特性，对于每个齿，存在两个齿压力可以作用在其上面的表面(每个齿的两侧的表面)。根据在两个齿轮啮合的状态下传递的扭矩的方向，压力被施加到每个齿轮的每个齿的两个表面中的选定一个。

例如，当正向扭矩通过两个齿轮传递时，通过压缩的齿面压力(正向压力)作用在每个齿轮的每个齿的两个表面中的一个表面上，相反，当反向扭矩传递时，压缩的齿面压力(反向压力)作用于每个齿轮的每一个齿的两个表面中的另一个表面上。

这里，从作为驱动装置的电机(后面将描述的图3中的附图标记41)施加的正向扭矩可以被定义为车辆加速方向的扭矩，而反向扭矩可以被定义为车辆减速方向的扭矩。

此外，虽然压力是标量值，而不是矢量值，因此它没有方向性，但在本说明书中，通过施加正向扭矩而作用的齿面压力可以被定义为正向压力，并且为了便于解释，通过施加反向扭矩而作用的齿面压力可被定义为反向压力，并且在这种情况下，压力值可以具有方向性。

在本发明的描述中，齿面上的负(-)压力(参见图9和11)意味着反向压力，而齿面上的正(+)压力意味着正向压力。此外，正向压力是作用在两个齿轮的每个齿的两个表面中的一个表面上的齿压力，反向压力是作用于两个齿轮的每个齿的两个表面中的另一个表面上的齿压力。

这样，在啮合状态下作用在每个齿轮中的一个齿上的齿面压力中，负压和正压的划分以及正向压力和反向压力的划分取决于扭矩的方向(参见图2)。

图3是示出根据本发明的用于虚拟化内燃机车辆的特性的装置的配置的框图；图4是示出根据本发明的用于虚拟化内燃机车辆的特性的过程的流程图。

根据本发明的在电动车辆中虚拟化内燃机车辆的特性的方法是一种在电动车辆中虚拟化内燃机车辆的动力系的操作感觉和驾驶感觉的方法。

此外，在本发明中，虚拟化内燃机车辆的特性意味着当操作作为电动车辆的适用车辆的动力系时，在电动车辆中实际生成尽可能类似于内燃机车辆中生成的振动和声音，尽管振动和声音在现实中没有发生。

特别地，在本发明中，虚拟化内燃机车辆的特性意味着在电动车辆中实际产生并提供振动和声音，其根据动力系特性、动力系的运行状况和车辆驾驶状况模拟内燃机车辆中的动力系生成的实际振动和声音。

在本发明中，模拟实际振动和声音的振动和声音被定义为“虚拟振动”和“虚拟声音”，并且在以下描述中，“虚拟效果”包括虚拟振动和虚拟声音中的一者或两者。

如图3所示，根据本发明用于虚拟化内燃机车辆特性的装置包括：安装在车辆中并检测车辆驾驶信息的驾驶信息检测单元12；第一控制器20，其基于由驾驶信息检测单元12检测到的车辆驾驶信息生成并输出扭矩指令；第二控制器30，其根据从第一控制器20输出的扭矩指令来控制驱动装置41的操作。

在以下描述中，控制主体被划分为第一控制器20和第二控制器30。然而，根据本发明的用于虚拟化内燃机车辆的特性并实现虚拟效果的控制过程可以由一个集成控制元件而不是多个控制器来执行。

多个控制器和一个集成控制元件可以全部统称为控制器，并且本发明的控制过程可以由控制器执行。在以下描述中，术语“控制器”可以共同指代第一控制器20和第二控制器30。

驾驶信息检测单元12是确定车辆中驾驶员需求扭矩并检测执行虚拟效果实现功能所需的车辆驾驶信息的部件，并且车辆驾驶信息可以包括驾驶员的驾驶输入信息和车辆状态信息。在以下描述中，“虚拟效果实现功能”是指用于生成和实现虚拟效果(模拟内燃机车辆的振动和声音的虚拟振动和虚拟声音)的功能。

在本发明的一个实施例中，驾驶信息检测单元12包括：加速器踏板检测单元，其根据驾驶员对加速器踏板的操作检测加速器踏板输入信息；制动踏板检测单元，其根据驾驶员对制动踏板的操作来检测制动踏板输入信息；以及检测车速的车速检测单元。

这里，加速器踏板检测单元可以是安装在加速器踏板上并根据驾驶员对加速器踏板的操作状态输出电信号的常规加速器位置传感器(APS)。制动踏板检测单元可以是安装在制动踏板上并根据驾驶员对制动踏板的操作状态输出电信号的常规制动踏板传感器(BPS)。

车辆速度检测单元可以包括车轮速度传感器。由于从车轮速度传感器的信号获得车辆速度信息是本领域的公知技术，因此将省略其详细描述。

驾驶信息检测单元12检测到的车辆驾驶信息中的驾驶员的驾驶输入信息包括：加速器踏板检测单元根据驾驶员对加速器踏板的操作检测出作为驾驶输入值的加速器踏板输入值(APS值)；以及由制动踏板检测单元根据驾驶员对制动踏板的操作检测到的作为驾驶输入值的制动踏板输入值(BPS值)。由车速检测单元检测到的车速成为车辆驾驶信息中的车辆状态信息。

驾驶信息检测单元12可以进一步包括速度检测单元，该速度检测单元检测车辆动力系的转速，并且车辆动力系的转速(动力系速度)可以是电机的转速(电机转速)、驱动轴的转速(驱动轴转速)或驱动轮43的转速(驱动轮转速)。

速度检测单元可以是安装在电机中的旋转变压器、安装在驱动轮43中的轮速传感器或能够检测驱动轴速度的传感器。此外，车辆驾驶信息进一步包括动力系速度，并且动力系速度成为车辆状态信息。

同时，在图3所示的装置的配置中，第一控制器20基于实时车辆驾驶信息确定、生成并输出用于控制驱动装置41的操作的扭矩指令。这里，驱动装置41是驱动车辆的电机。

第一控制器20包括：基本扭矩指令生成单元21，其从通过驾驶信息检测单元12获取的实时车辆驾驶信息中确定驾驶员需求扭矩，并生成用于生成确定的驾驶员需求扭矩的基本扭矩指令。

此外，第一控制器20进一步包括：虚拟效果创建控制单元22，其基于动力系的实时输入扭矩信息确定动力系齿轮的齿面压力，并生成虚拟效果指令(虚拟效果信号)，该指令用于使用确定的动力系齿轮的齿面压力生成和实现虚拟效果。

在本发明中，动力系的齿轮齿面压力可以使用电机扭矩指令来确定，该电机扭矩指令是输入扭矩中的一种，如稍后将描述的，并且由于电机扭矩指令由实时车辆驾驶信息来确定，因此当电机扭矩指令用作输入扭矩时，可以说，动力系的齿轮齿面压力最终由实时车辆驾驶信息确定。

此外，第一控制器20进一步包括：最终扭矩指令生成单元23，其使用基本扭矩指令生成单元21输出的基本扭矩指令和虚拟效果创建控制单元22输出的虚拟效果指令生成并输出最终扭矩指令。

最终扭矩指令被发送到第二控制器30，并且第二控制器30根据最终扭矩指令控制用于驱动车辆的驱动装置41的操作。这里，驱动装置41是驱动车辆的电机。

如图3所示，由作为驱动装置41的电机输出的扭矩和旋转力由减速器42减速，然后传递到驱动轮43，并且当电机的操作由第二控制器30根据第一控制器20的最终扭矩指令控制时，可以实现内燃机的虚拟动力系特性。

此时，由第一控制器20生成并输出的最终扭矩指令是能够实现虚拟内燃机动力系特性的电机扭矩指令，并且当根据最终扭矩指令控制作为车辆的驱动装置41的电机的操作时，可以进行电机扭矩的输出，该电机扭矩可以在车辆驾驶期间引起与动力系齿轮的齿面压力相对应的车辆振动和车辆行为。

在本发明中，第一控制器20可以是车辆控制单元(VCU)，其基于典型电动车辆中的车辆驾驶信息生成电机扭矩指令，并且第二控制器30可以是电机控制单元(MCU)，其根据电机扭矩指令控制电机的操作。根据本发明的示例性实施例的第一控制器20(车辆控制单元(VCU))和第二控制器30(电机控制单元(MCU))可以是由各种电子电路(例如，计算机、微处理器、CPU、ASIC、电路、逻辑电路等)实现的硬件装置。第一控制器20和第二控制器30可以通过非暂时性存储器来实现，该存储器存储例如一个或多个程序、软件指令再现算法等，当执行时，它们执行子单元(基本扭矩指令生成单元21、虚拟效果创建单元22和最终扭矩指令生成单元23等)的各种功能。处理器被配置为执行一个或多个程序、再现算法的软件指令等。在本文中，存储器和处理器可以被实现为单独的半导体电路。可替代地，存储器和处理器可以被实现为单个集成半导体电路。处理器可以实施一个或多个处理器。

在本发明中，虚拟效果创建控制单元22是一种新颖的部件，其确定、生成并输出用于生成和实现虚拟振动和虚拟声音的虚拟效果信号(指令)，该虚拟效果信号与基本扭矩指令生成单元21和基本扭矩指令生成单元21所生成的基本扭矩指令分开，并且可以作为车辆控制单元(VCU)的一部分添加，或者作为与车辆控制器分离的控制元件提供。

这里，虚拟效果信号可以是具有与动力系齿轮的齿面压力相对应的虚拟效果的幅度(振幅和音量)的波形的信号，如稍后将描述的用于振动装置51或声音装置54的操作的虚拟效果信号。

在最终扭矩指令生成单元23中，从基本扭矩指令生成单元21输入的基本扭矩指令通过从虚拟效果创建控制单元22输入的虚拟效果指令进行校正，此时，可以通过将虚拟效果指令添加到从基本扭矩指令生成单元21发送的基本扭矩指令来进行校正，并且校正后的扭矩指令成为用于电机控制的最终扭矩指令。

在本发明中，虚拟效果指令可以被视为用于生成模拟内燃机车辆的动力系特性的虚拟效果的虚拟效果信号。作为虚拟效果信号的虚拟效果指令被反映在最终扭矩指令中，并且根据反映了虚拟效果指令的最终扭矩指令来控制电机的操作，因此模拟了内燃机车辆的动力系特性的虚拟效果，即虚拟振动，可由电机生成。

因此，在本发明中，与动力系齿轮的齿面压力相关联的虚拟振动可由驱动车辆的电机生成，并且虚拟振动是模仿现有内燃机车辆中可能发生的振动的振动。在这种情况下，电机是用于驱动车辆的驱动装置，但也用作能够生成虚拟效果的虚拟效果生成装置。

根据本发明的用于虚拟化内燃机车辆特性的装置可以进一步包括：驾驶员用于选择并输入虚拟效果实现功能的“开启”和“关闭”中的一个的接口单元11。

在本发明中，驾驶员在车内选择性地操作“开启”和“关闭”并根据该“开启”和“关闭”输出电信号的装置可用作接口单元11。例如，它可以是诸如设置在车辆中的按钮或开关的操纵装置，或者是AVN(音频、视频和导航)系统的输入装置或触摸屏。

接口单元11可以连接到第一控制器20，更具体地，第一控制器20也可以连接到虚拟效果创建控制单元22，这将在后面进行描述。因此，当通过接口单元11对驱动器进行“开启”和“关闭”操作时，来自接口单元11的“开启”和“关闭”信号可以输入到第一控制器20的虚拟效果创建控制单元22。最终，第一控制器20的虚拟效果创建控制单元22可以识别驾驶员对虚拟效果实现功能的“开启”或“关闭”操纵状态。

在本发明中，仅当驾驶员通过接口单元11输入虚拟效果实现功能的“开启”时，才执行虚拟效果实现功能。此外，当接口单元11是安装在车辆中的输入装置时，虽然图3中没有显示，但可以使用移动装置(未示出)作为接口单元11，而不是车辆的输入装置，并且虚拟效果实现功能的“开启”或“关闭”操纵也可以由使用移动装置的驾驶员执行。

移动装置需要能够通信地连接到车载装置，例如第一控制器20，并且为此，使用用于移动装置和第一控制器20之间的通信连接的输入/输出通信接口(未示出)。

此外，驾驶员可以设置虚拟效果应用条件，诸如使用接口单元11设置值，当满足虚拟效果应用条件时，可以执行本发明的虚拟效果实现功能(参见图4中的步骤S1)。

根据本发明的用于虚拟化内燃机车辆的特性的装置可以进一步包括：用于生成虚拟振动的振动装置51和用于生成和输出虚拟声音的声音装置54中的至少一个。

振动装置51和声音装置54也是用于生成虚拟效果的虚拟效果生成装置。在本发明中，作为驱动装置41的电机和虚拟效果生成装置中的振动装置51的其中之一可以用来生成虚拟振动。

如上所述，在本发明中，虽然可以使用用于移动车辆的电机来生成虚拟振动，但是可以使用安装在车辆中的单独的振动装置51来代替电机来生成虚拟振动。

提供振动装置51以根据从第一控制器20的虚拟效果创建控制单元单元22输出的电信号，即用于生成和实现虚拟效果的虚拟效果信号，生成振动。

振动装置51可以包括：振动放大器52，其接收虚拟效果信号并输出放大的振动信号；以及振动致动器53，其用于通过从振动放大器52输出的放大的振动信号生成振动。

作为振动放大器52和振动致动器53，可以使用公知的振动放大器和振动致动器。此外，振动装置51的振动致动器53可以安装在车辆中驾驶员可以感测由此生成的振动的预定位置。

例如，振动装置51的振动致动器53可以安装在车身或座椅上，并且可以安装在驾驶期间生成的振动可以通过车身或座椅传递给驾驶员的位置。

提供声音装置54以根据从第一控制器20的虚拟效果创建控制单元单元22输出的电信号，即用于生成和实现虚拟效果的虚拟效果信号，生成声音。

声音装置54可以包括：声音放大器55，其接收虚拟效果信号并输出放大的声音信号；以及扬声器56，其用于通过从声音放大器55输出的放大的声音信号生成和输出声音。

作为声音放大器55和扬声器56，可以使用公知的声音放大器和扬声器，并且可以使用已经安装在车辆中的那些。扬声器56可以是安装成向车辆内部或外部输出声音的扬声器。

在下文中，将详细描述根据本发明的生成虚拟振动和声音的方法。

首先，第一控制器20的虚拟效果创建控制单元22获取动力系齿轮的齿面压力(以下简称“齿轮齿面压力”)信息，以及虚拟效果的幅度，即，虚拟振动的振幅和虚拟声音的音量(其是虚拟声音信号的波形中的振幅)可以被确定为与所获取的齿轮齿面压力的大小成比例(图4中的步骤S2)。

当如上所述获得虚拟效果的幅度，即虚拟振动的振幅和虚拟声音的音量时，可以实时确定虚拟效果信号的波形(图4中的步骤S3)。此外，可以发送所确定的虚拟效果信号(或虚拟效果指令)以在振动装置51(或电机)和声音装置54中生成虚拟效果(参见图4的步骤S4和S5)。

图5是示意性示出根据本发明中的齿轮齿面压力的虚拟振动信号和虚拟声音信号的波形和大小的示意图。所示波形的幅度是虚拟振动的振幅和虚拟声音的音量(其是波形的振幅)。

通常，当齿轮齿面压力的大小增加时，实际振动的传递变得容易是自然的。为了模拟这一点，随着动力系中齿轮的齿面压力的绝对值，也就是说，随着齿轮齿面压力增加，可以与齿轮齿面压力的绝对值成比例地增加振动的振幅或声音的音量(波形的振幅)(参见稍后将描述的图9和图11)。

除了如上所述成比例地增加之外，使齿轮齿面压力和虚拟效果(虚拟振动和虚拟声音)的增加/减少方向彼此一致也是有效的。也就是说，当齿轮齿面压力增加时，虚拟效果的大小也增加，或者当齿轮齿面压力减小时，虚拟效果的大小也减小。

换句话说，虚拟效果的幅度可以具有相对于齿轮齿面压力单调增加或单调减小的函数。

此外，当齿轮齿面压力是被设置为属于间隙(backlash)区域的压力时，虚拟振动的振幅和虚拟声音的音量可以被设置为最小。此时，可以将零(0)设置为间隙区域中的压力。也就是说，齿轮齿面压力为零(0)的区域可以称为间隙区域。

图6是示出在本发明中当齿轮齿面压力为零(0)时虚拟振动信号和虚拟声音信号的波形和大小的示意图。所示波形的幅度是虚拟振动的振幅和虚拟声音的音量(其是波形的振幅)。

当动力系中实际发生齿轮间隙时，可以认为齿轮之间的物理耦合已停止。在这种情况下，实际振动不会传递到动力系，而是传递到周围的润滑剂、机器零件轴、壳体等，并将具有阻尼特性。因此，作为用于生成逼真地模拟这种效果的虚拟效果的策略，优选将虚拟效果(虚拟振动和虚拟声音)的大小设置为设置的最小值。

因此，在本发明中，当齿轮齿面压力对应于预设间隙区域中的压力时，第一控制器20的虚拟效果创建控制单元22可以将虚拟效果的大小(虚拟效果信号的振幅)确定为预设的最小值。

在下文中，将详细描述获得齿面压力信息的方法。

在本发明中，使用输入扭矩来估计齿轮齿面压力，此时，可以从输入扭矩直接估计齿轮齿面压力。也就是说，在使用当前输入扭矩实时估计齿轮齿面压力以表达具有间隙特性的典型动力系特性之后，可以根据所获得的齿轮齿面压力确定虚拟效果的幅度(振幅和音量)。

输入扭矩是从电机施加到动力系的扭矩，并且以下值可用于估计作为输入扭矩的齿轮齿面压力。

1.作为输入扭矩指令的电机扭矩指令(基本扭矩指令)

2.输入扭矩(电机扭矩)的估计

3.传感器检测到的输入扭矩检测值

4.对输入扭矩的滤波应用值

输入扭矩是指生成用于驱动车辆的扭矩并将其施加到动力系的主扭矩源的扭矩，在这种情况下，可以使用指令值作为输入扭矩。由于主扭矩源是用于驱动车辆的驱动装置41，并且作为电动车辆中的主扭矩源的驱动装置是电机，因此该指令可以是作为输入扭矩指令的电机扭矩指令(最终扭矩指令)。

另一方面，输入扭矩可以是从电机控制单元(MCU)获得的输入扭矩(电机扭矩)估计值，或者可以是由扭矩传感器检测到的电机扭矩检测值。这里，电机扭矩检测值是安装在动力系齿轮(诸如减速器)的输入侧或电机输出侧的扭矩传感器的检测值。输入扭矩也可以是附加地应用滤波的值。

当在如此确定输入扭矩之后计算并估计与输入扭矩相对应的齿轮齿面压力时，可以使用计算的齿轮齿面压力来设置与齿轮齿面压力相对应的虚拟效果的幅度，也就是说，虚拟振动的振幅和虚拟声音的音量。

换句话说，齿轮齿面压力可以使用以下中的一者来确定：用于控制电机的操作的电机扭矩指令、电机输出的电机扭矩的估计、由传感器检测到的电机扭矩检测值、将滤波应用于电机扭矩指令的值、通过对电机扭矩估计值应用滤波而获得的值以及通过对电机扭矩检测值应用滤波而获得的值。

当输入扭矩的方向改变时，上述方法允许动力系特性通过待表达的间隙部分，并且可以根据输入扭矩的轮廓实时计算齿轮齿面压力。

本发明在根据输入扭矩的轮廓实时计算齿轮齿面压力方面具有以下特征。

图7和图8是示出在本发明中计算齿轮齿面压力的示例的视图。在图7和图8中，“间隙区域”是对应于预设间隙扭矩范围的扭矩区域。

参考此图，首先，在本发明中，根据输入扭矩的值，当前状态可以被分为间隙状态和正常状态。当输入扭矩的大小为零(0)或在预设的间隙扭矩范围内时，控制器可以确定已经进入间隙状态，并且其他状态为正常状态。

在本发明的实施例中，间隙扭矩范围可以是具有为负(-)值的阈值下限和为正(+)值的阈值上限作为边界的扭矩范围。也就是说，间隙扭矩范围可以被设置为包括零(0)的扭矩范围。当输入扭矩进入设置的间隙扭矩范围时，可以说间隙状态开始。

此时，在控制器中，随着输入扭矩的大小增加，当对应于输入扭矩的齿轮齿面压力根据设置数据正常时，齿轮齿面压力的大小可以被确定为更大的值。也就是说，相对于输入扭矩，齿轮齿面压力可以具有压力成比例增加的单调增加或压力成比例减小的单调减小的函数。

设置数据可以是映射，并且控制器可以通过映射从输入扭矩确定齿轮齿面压力。在本发明的实施例中，映射仅在正常状态下使用，而不在间隙状态下使用。

也就是说，当输入扭矩进入设置的间隙扭矩范围内并变为间隙状态时，从映射输出的齿面压力值被忽略。相反，在间隙状态下，齿轮齿面压力可以根据预设斜率或模式从由映射计算的值收敛到预设的最小齿面压力值。最小齿面压力值可预设为零。

此时，当输入扭矩进入间隙状态时，虚拟效果的大小(振幅和音量)连同齿轮齿面压力的大小可以以相同的方式收敛到预设的最小值。

此外，即使输入扭矩超出设置的间隙扭矩范围，也可以防止其立即离开间隙状态。作为本发明的实施例，当在输入扭矩偏离间隙扭矩范围之后逝去延迟时间时，齿轮齿压力的大小和虚拟效果的幅度可能不会收敛到最小值，而是收敛到正常状态下的值，也就是说，通过映射从输入扭矩确定的值。

延迟时间用作从间隙状态返回到正常状态的延迟，其可以被确定为与输入扭矩和间隙扭矩范围的阈值之间的差相对应的值。

作为确定延迟时间的方法，可以使用从延迟时间的预设初始值中减去实时确定的输入扭矩与间隙扭矩范围的阈值之间的差的量的方法等。

这样，在本发明的实施例中，输入扭矩在偏离间隙扭矩范围之后返回到正常状态所需的时间与当前输入扭矩与间隙扭矩范围的阈值之间的差相关联。可以将与作为间隙扭矩范围的边界的阈值和当前输入扭矩之间的差对应的时间确定为到正常状态的返回时间。

通过这一点，当输入扭矩只是偏离间隙扭矩范围小的差值时，返回到正常状态可能需要相对较长的时间(参见图7)，而当输入扭矩偏离间隙扭矩范围大的差值时，返回到正常状态需要相对较短的时间(参见图8)。

即使当返回到正常状态时，如当进入间隙状态时，齿轮齿面压力可以从最小齿面压力值收敛到根据预设斜率或模式由映射确定的齿轮齿面压力值。

虚拟效果的幅度，即虚拟振动的振幅和虚拟声音的音量，可以从以齿轮齿面压力为输入的映射中获得。可替代地，在通过缩放齿轮齿面压力信息的大小(绝对值)获得与齿轮齿面压力的绝对值成比例的值之后，可以将设置的最小值，也就是说，最小振幅或最小音量值添加到所获得的值。

图9示出了虚拟效果，即虚拟振动和虚拟声音，以与上述相同的方式实时改变。如图9所示，第一控制器20的虚拟效果创建控制单元22可以将虚拟效果的大小确定为与齿轮齿面压力的绝对值成比例的值。

在本发明中，输入扭矩可以是电机扭矩，并且电机扭矩可以是电机扭矩指令。在使用振动装置51和声音装置54作为虚拟效果生成装置生成虚拟振动和虚拟声音作为虚拟效果的情况下，电机扭矩指令是由第一控制器20的基本扭矩指令生成单元21确定的基本扭矩指令。

此外，虚拟振动的振幅和虚拟声音的音量(波形的振幅)可以通过映射等从计算的齿轮齿面压力确定，然后可以利用确定的振幅的波形生成虚拟效果信号。

毕竟，虚拟效果的振动可以通过虚拟效果信号在振动装置51中生成，并且类似地，虚拟效果的声音可以通过虚拟效果信号在声音装置54中生成和输出。

在本发明中，代替使用振动装置51来生成虚拟振动，作为用于驱动车辆的驱动装置41的电机可以用作生成虚拟振动的虚拟效果生成装置。

为此，即使当第一控制器20的虚拟效果创建控制单元单元22生成指示所确定振幅的波形的虚拟效果指令(虚拟效果信号)，并且电机用作虚拟效果生成装置时，用于确定齿轮齿面压力的输入扭矩中的电机扭矩指令是由第一控制器20的基本扭矩指令生成单元21确定的基本扭矩指令。

第一控制器20的最终扭矩指令生成单元23使用虚拟效果指令来校正第一控制器20的基本扭矩指令生成单元21生成的基本扭矩指令。

例如，当第一控制器20的基本扭矩指令生成单元21基于实时车辆驾驶信息生成基本扭矩指令，而虚拟效果创建控制单元22生成虚拟效果指令时，最终扭矩指令生成单元23可以通过将从基本扭矩指令生成单元21输入的基本扭矩指令和从虚拟效果创建控制单元22输入的虚拟效果指令相加来生成最终扭矩指令。

当第二控制器30根据以这种方式生成的最终扭矩指令来控制作为车辆的驱动装置41的电机的操作时，可以由电机生成并提供模拟内燃机车辆的振动(虚拟振动)。

同时，在本发明的实施例中，可以对虚拟效果的波形进行二值化。也就是说，齿面的形状和位置可以根据实际齿轮的形状轮廓设计而变化，并且振动轮廓可以根据这些齿面的形状和位置或者传递扭矩的大小和方向而变化。因此，为了模拟这种效果，振动轮廓的变化也可以反映在虚拟振动和虚拟声音轮廓中。

首先，虚拟振动信号和虚拟声音信号波形中的轮廓类型可以根据动力系齿轮传递的扭矩量而改变。例如，可以使其随着扭矩大小的增加而从轮廓1逐渐改变到轮廓2。

可替代地，虚拟振动信号和虚拟声音信号波形的轮廓的类型和振幅可以根据扭矩的方向而被二值化。例如，当施加正向扭矩时，可以使用轮廓1，当施加反向扭矩时，可以使用轮廓2。

此时，如果轮廓1被定义为当施加正向扭矩时的振动轮廓，而轮廓2被定义为在施加反向扭矩时的振动轮廓，则轮廓1的频率分量可以说比轮廓2的频率分量更不均匀。也就是说，轮廓2的频率分量比轮廓1的频率分量更均匀。

在虚拟振动信号和虚拟声音信号的波形中，如上所述当施加正向扭矩时和当施加反向扭矩时设置波形的不同轮廓的原因是，当分析应用了作为实际仿真目标的内燃机的动力系的振动特性时，在生成正向扭矩的同时存在发动机的爆炸冲程，并且与简单地经过吸气-压缩-膨胀-排气过程的反向扭矩生成(推动)的情况相比，在经过吸气-压缩-爆炸-排气过程的正向扭矩生成(点火)的情况下，增加了由于爆炸引起的振动分量，并且频率分量最终被混合。

此外，轮廓1的波形中的峰值形状可以是比轮廓2的波形中峰值形状更尖锐的形状。也就是说，轮廓1的非均匀频率分量高于轮廓2的主频带。

如上所述，当施加正向扭矩时和当施加反向扭矩时，波形的峰值形状不同的原因是为了模拟爆炸的影响。参考图10，可以看出，与典型汽油发动机的气缸压力状态下的“推动迹线”(反向扭矩生成)相比，在“点火迹线”(正向扭矩生成)中增加了高频分量。

图11是示出在本发明中计算齿轮齿面压力之后在虚拟效果的波形中实时改变大小和形状的示例的视图。在本发明中，如上所述，虚拟效果包括虚拟振动和虚拟音量。此外，波形的大小对应于振动的振幅和声音的音量。

参考图11，可以看出，分别设置当施加反向扭矩时和当施加正向扭矩时的振动轮廓。如图所示，当施加反向扭矩时的波形轮廓和当施加正向扭矩时的波形轮廓可以被预设为具有不同的峰值形状。

在图11的示例中，输入扭矩从作为负(-)扭矩的反向扭矩转换为作为正(+)扭矩的正向扭矩，此时，齿轮齿面压力也从负扭矩和压力转换为正扭矩和压力。负(-)扭矩是使车辆减速的扭矩，正(+)扭矩是使车辆加速的扭矩。

如图11所示，在计算齿轮齿面压力之后，可以基于计算出的齿轮齿面压力来获得虚拟效果的幅度，即虚拟振动的振幅和虚拟声音的音量。此时，可以获得与齿轮齿面压力相关联地实时变化的虚拟振动的振幅和虚拟声音的音量。

当获得如上所述的与实时齿轮齿面压力相关联的虚拟振动的振幅和虚拟声音的音量时，设置施加正向扭矩时波形的轮廓和设置施加反向扭矩时波形的轮廓，然而，可以确定振幅实时变化的波形的虚拟振动信号和音量实时变化的波形的虚拟声音信号。

综上所述，当第一控制器20的虚拟效果创建控制单元单元22根据上述方法生成并输出虚拟振动信号和虚拟声音信号时，振动装置51和声音装置54可以根据上述虚拟振动信号和虚拟声音信号生成并输出振动和声音。

在图11的示例中，在齿轮齿面压力变为零(0)的间隙部分中，可以使用通过组合施加正向扭矩时的轮廓和施加反向扭矩时的轮廓而获得的轮廓。此时，可以使用将两个轮廓的波形值乘以权重(α，1-α)、然后将各自乘以权重的两个值相加的方法来合成两个轮廓。

权重α可以通过使用输入扭矩作为输入的映射来确定。也就是说，根据输入扭矩或输出扭矩，可以通过映射确定对应的权重α，当权重α确定时，可以通过将α和1-α应用于两种类型的轮廓并将其合成来获得一个轮廓。

参考图11，举例说明了通过对施加反向扭矩时的波形轮廓和施加正向扭矩时的波形轮廓中的每一个施加权重α＝0.5而合成的(以5:5的比率合成的)一个轮廓。

至此，已经详细描述了根据本发明的一个实施例的在电动车辆中虚拟化内燃机车辆的特性的方法。

根据本发明的虚拟化内燃机车辆的特性的方法，可以生成并提供与动力系齿轮的齿面压力相关联的虚拟振动和虚拟声音。因此，可以在电动车辆中创建和实现具有振动和声音的虚拟内燃机动力系的特性，并且可以最大化虚拟效果的真实性。

此外，有可能为驾驶员提供与内燃机动力系类似的更真实的操作和驾驶感觉，并通过提供高度真实的虚拟效果来大大提高车辆的市场竞争力。此外，驾驶员可以在他或她的车辆中体验由内燃机动力系提供的驾驶感、乐趣、兴奋和直接换档感觉，而不必换成内燃机车辆。

尽管以上已经详细描述了本发明的实施例，但是本发明的范围不限于此，本领域技术人员使用如在所附权利要求中定义的本发明的基本概念进行的各种修改和改进也包括在本发明的范围内。

Claims (20)

1.一种在电动车辆中虚拟化内燃机车辆的特性的方法，所述方法包括：

由控制器确定从使车辆移动的电机施加到动力系的当前输入扭矩；

由所述控制器根据所确定的当前输入扭矩确定所述电机和驱动轮之间的所述动力系中的齿轮的齿面压力；

由所述控制器生成虚拟效果信号，以基于所确定的所述动力系中的齿轮的齿面压力来生成模拟所述内燃机车辆的动力系特性的虚拟效果；以及

由所述控制器通过控制虚拟效果生成装置的操作来生成模拟所述内燃机车辆的动力系特性的虚拟效果，所述虚拟效果生成装置根据所生成的虚拟效果信号生成所述虚拟效果。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述输入扭矩是以下之一：用于控制所述电机的操作的电机扭矩指令、由所述控制器估计的电机扭矩估计、由传感器检测的电机扭矩检测值、对所述电机扭矩指令的滤波应用值、对所述电机扭矩估计的滤波应用值以及通过对所述电机扭矩检测值应用滤波而获得的值。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，在确定所述动力系中的齿轮的齿面压力时，所述动力系中的齿轮的齿面压力被确定为与所述输入扭矩成比例的值。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，在生成虚拟效果信号时，所述控制器确定与所述动力系中的齿轮的齿面压力相关联的虚拟效果的幅度，并生成具有所述虚拟效果的幅度作为振幅的波形的虚拟效果信号。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述控制器被设置为随着所述动力系中的齿轮的齿面压力的大小增加而将所述虚拟效果的幅度确定为更大的值。

6.根据权利要求4所述的方法，其中，当所述动力系中的齿轮的齿面压力对应于预设间隙部分的压力时，所述控制器将所述虚拟效果的幅度确定为预设最小值。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述虚拟效果生成装置是振动装置，所述振动装置根据车辆中的所述虚拟效果信号的波形生成具有振幅的振动。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述虚拟效果生成装置是声音装置，所述声音装置根据车辆中的所述虚拟效果信号的波形生成并输出具有音量的声音。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述动力系中齿轮的齿面压力包括：

根据所确定的当前输入扭矩确定所述动力系中的齿轮的当前状态是间隙状态和正常状态中的一个；以及

响应于确定所述当前状态是间隙状态，将所述动力系中的齿轮的齿面压力确定为预设的最小齿面压力值。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，在所述控制器中预设间隙扭矩范围，并且

当所述当前输入扭矩是所设置的间隙扭矩范围内的值时，所述控制器确定所述当前状态是间隙状态，并且当所述当前输入扭矩不在所设置的间隙扭矩范围内时，所述控制器确定所述当前状态是正常状态。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，响应于确定所述当前状态是正常状态，将所述动力系中的齿轮的齿面压力确定为对应于所述当前输入扭矩的值，并且

响应于在所述动力系中的齿轮的齿面压力超出所述间隙扭矩范围之后逝去的延迟时间，所述动力系中的齿轮的齿面压力被确定为与所述当前输入扭矩相对应的值。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述延迟时间被确定为对应于所述当前输入扭矩与所述间隙扭矩范围的阈值之间的差的值。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，当所述当前输入扭矩与所述间隙扭矩范围的阈值之间的差较小时，所述延迟时间被确定为更长的时间。

14.根据权利要求9所述的方法，其中，在生成虚拟效果信号时，所述控制器确定与所述动力系中的齿轮的齿面压力相关联的虚拟效果的幅度，并生成具有所述虚拟效果的幅度作为振幅的波形的虚拟效果信号，以及

响应于确定所述当前状态是间隙状态，将所述虚拟效果的幅度确定为预设最小值。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，预设最小齿面压力值被设置为零。

16.根据权利要求9所述的方法，其中，响应于确定所述当前状态是正常状态，将所述动力系中的齿轮的齿面压力确定为对应于所述当前输入扭矩的值。

17.根据权利要求9所述的方法，其中，响应于确定所述当前状态是正常状态，将所述动力系中的齿轮的齿面压力确定为与所述当前输入扭矩成比例地增加或减小的值。

18.根据权利要求9所述的方法，其中，在生成虚拟效果信号时，所述控制器确定与所述动力系中的齿轮的齿面压力相关联的虚拟效果的幅度，并生成具有所述虚拟效果的幅度作为振幅的波形的虚拟效果信号，以及

响应于确定所述当前状态是正常状态，所述虚拟效果的幅度被确定为对应于所述动力系中的齿轮的齿面压力的值。

19.根据权利要求9所述的方法，其中，响应于确定所述当前状态是正常状态，所述虚拟效果的幅度被确定为与所述动力系中的齿轮的齿面压力成比例地增加或减小的值。

20.根据权利要求10所述的方法，其中，所述间隙扭矩范围被设置为包括零的扭矩范围，同时以为负值的阈值下限和为正值的阈值上限作为边界。