CN1402187A - 多能源动力总成半实物仿真测试系统 - Google Patents

Abstract

一种多能源动力总成半实物仿真测试系统。包括一台台式计算机、8路模数A/D采集卡、8路数模D/A转换卡、32路开关量I/O卡及与高速串口USB转换器连接的数字式信号发生器，软件开发平台Matlab/simulink，代替实际车辆运行的起动机、内燃发动机、电机、电池、离合器、变速器、车轮、车身、低压配电系统总成的动态计算模型，使用汽车的动力学行驶方程建立各总成的能量平衡，各总成模型按自身特性工作，用A/D、D/A、I/O板卡、SCI和USB通讯建立多能源动力总成控制器与模型计算机的联系，多能源动力总成控制器对模型进行参数控制和逻辑控制、模型的输出参量均通过A/D、D/A、I/O、CAN板卡和SCI通讯的方式传递，实际的控制器、各种信号转换板卡以及用来代替真实总成器件的仿真模型一起组成闭环测试系统。

Description

多能源动力总成半实物仿真测试系统

技术领域

本发明涉及具有多能源的电动汽车和其它电动车辆的多能源动力总成控制系统硬件和控制软件的测试系统，也就是在电动车辆制造过程中，当已知多能源总成的特性参数，或已有少量的总成实物，但没有将多能源各总成实物进行组装的条件下进行动力总成控制系统软硬件试验测试的系统，即多能源动力总成半实物仿真测试系统。

背景技术

电动汽车多能源动力总成控制器(简称多能源ECU)除具有复杂的硬件电路外，还有复杂的接口电路，如模拟/数字(A/D)转换，数字/模拟(D/A)转换，开关量输入输出(I/O)、串口通讯(SCI)、控制局域网(CAN)数据传输等，此外，控制芯片中的软件即对多能源和整车控制的软件也很复杂，因而给软硬件调试带来相当大的难度。在多能源动力总成控制器制做完毕后，仅根据简单的调试程序观察A/D、D/A、I/O、SCI和CAN接口有无信号来判断控制器的软硬件是否工作正常是远远不够的，因为这无法考核控制硬件是否工作协调，也无法检验控制软件是否工作合理，从而将会加大在实验台架上或整车上与各总成联调时的工作量。因此，根据整车各总成的工作特征，采用软件工程方法建立模型，结合计算机和接口板卡组成集成化的半实物仿真测试系统(也可称为虚拟测试试验系统)，对所构造的不同控制软件和结构组成的多能源动力总成电控系统，进行实时仿真、测试和评价。这样，就可以将错误及不当之处消除于设计初期，使上车调试时间缩短、设计修改费用降低。

发明内容

本发明的目的是提供一种多能源动力总成半实物仿真试验测试系统，该系统根据整车各总成的工作特性，采用软件工程方法建立模型，结合计算机和硬件接口板卡组成集成化的半实物仿真试验系统，对所构造的不同控制软件和结构组成的多能源动力总成电控系统，进行实时仿真、测试和评价。也可用来考核多能源动力总成中单个总成器件的工作性能。

本发明的多能源动力总成半实物仿真测试系统，包括一台台式计算机、支持硬件的八路模数A/D采集卡、八路数模D/A转换卡、三十二路开关量I/O卡及与高速串口USB转换器连接的数字式信号发生器，软件开发平台Matlab/simulink，代替实际车辆运行的起动机、内燃发动机、电机、电池、离合器、变速器、车轮、车身、低压配电系统各总成的动态计算模型，使用汽车的动力学行驶方程，通过Matlab/simulink来建立各总成的能量平衡，各总成模型按自身的特性工作，用A/D、D/A、I/O板卡、串口SCI通讯、高速串口USB通讯建立多能源动力总成控制器与模型计算机的联系，控制器用A/D、I/O、CAN板卡、SCI通讯所传递的电量对模型进行参数控制和逻辑控制，模型的输出参量通过D/A、I/O、CAN板卡、SCI通讯和USB通讯的方式传给多能源总成控制器，实际的控制器、各种信号转换板卡以及用来代替真实总成控制器件的仿真模型一起组成闭环测试系统。

模型的具体建立方法如下：

发动机模型、电机模型由试验所得的转矩-转速-效率特性曲线组成，也称发动机、电机Map图。发动机的工作点由转速和节气门开度确定，电机的工作点由转速和电机转矩给定(俗称电机油门开度)确定，电池模型由试验所得的充放电特性曲线组成，通过查表和曲线拟合的方式求其工作点，离合器模型包括结合、分离、打滑三种工况，偶合器模型用于发动机与电机的动力混合方式，变速器模型包括按车速换档和按发动机负荷率换档两种工作模式，车轮模型用于施加制动力和滑移，车身模型用来施加迎风阻力，低压配电系统模型包括上电自检开关和点火开关。

各模型以驱动力--行驶阻力平衡来建立方程。 $\mathrm{Me}=\frac{\mathrm{Mg}(f+i)r}{i_g{i}_0{\mathrm{\η}}_T}+\frac{C_D\mathrm{A\ρ}{u}^{2}r}{2i_g{i}_0{\mathrm{\η}}_T}+\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{dt}}(\frac{\mathrm{mr}}{i_g{i}_0{\mathrm{\η}}_T}+\frac{{\mathrm{\ΣI}}_w}{r{i}_g{i}_0{\mathrm{\η}}_T}+\frac{I_f{i}_g{i}_0}{r}+\frac{I_d{i}_g{i}_0}{r})$ 式中：Me-发动机输出转矩，N.m；

  m-汽车总质量，kg；

  g-重力加速度，9.81m/s²；

f-滚动阻力系数，对轿车，f＝f₀(1+0.00067u²)，f＝0.014～0.02；

i-道路坡度；

r-轮胎滚动半径，m；

i_g-变速器传动比；

i₀-主减速器传动比；

η_T-传动系机械效率；

C_D-空阻系数；

A-迎风面积，m²；

ρ-空气密度，取ρ＝1.2258N.s².m^-4；

u-车速，m/s；

I_w-车轮转动惯量，kgm²；

I_f-发动机转动惯量，kgm²；

I_d-电机转动惯量，kgm²。

本多能源动力总成控制器对仿真试验测试系统各模型的控制方式如下：

发动机节气门开度、电机油门开度(发电机发电电流)、电池电压(V)、电池电流(I)、电池荷电状态(SOC值)及制动力以模拟量传输。工况控制、工作状态、启动开关信号以开关量传送。发动机和电机转速通过USB及数字信号发生器以脉冲信号(Pules)传输，变速器操纵杆位置、当前档位以及变速器模型中所需要的电机转速、发动机节气门开度、加速踏板位置均用串口SCI定时传递。该仿真试验测试系统有如下特点：

1)仿真试验测试系统在界面上具有可设置参数

如故障模式设置、档位控制设置、点火开关设置。

2)仿真试验测试系统具有行驶状态显示界面

如发动机转速、电机转速、电池荷电状态(SOC)、变速器当前档位。此外，还有时间-车速曲线，可实时显示模型汽车行驶时的时间-车速曲线，还能同时显示工况法所要求的标准试验曲线。

附图说明

图1是半实物仿真试验测试系统与多能源动力总成控制器连接的框图。

图中起动机、发动机、电机、电池、离合器、偶合器、自动变速器、车轮、车身、低压配电系统为动态计算模型，多能源ECU为电动汽车多能源动力总成控制器。

图中连接各模型的粗实线 为能量流，即转速、转矩或电压、电流表示的功率；细双点划线

为计算反馈量。

连接各模型与多能源动力总成控制器(EUC)的长细实线 为开关量信号，细虚线 为模拟量信号，单点划线

为脉冲信号。

各模型向外延伸的短细实线为与操作界面连接的信号，由模型向外的是给界面显示的信号，如发动机转速、电池SOC值等；指向模型的是可以通过界面加给模型的控制信号，例如故障设置，换档方式等。

图中符号含义是：

M_d-电机输出转矩，N.m；      n_d-电机输出转速，r/min；

n_e-发动机输出转速，r/min；  M-偶合器输出转矩，N.m；

n-偶合器输出转速，r/min；   i-变速器与主减速器总传动比；

F-车轮驱动力，N；           n’-离合器反馈到发动机的转速，r/min；

M_d′-需要电机输出的转矩，N.m；n_d′-需要电机输出转速，r/min；

I-电流，A；                         V-电压，V；

n″-偶合器反馈到离合器和电机的转速，r/min；

n-车轮反馈到变速器输出轴的转速，r/min。

具体实施方式

本多能源动力总成半实物仿真测试系统的实施例

以一台PIII 800台式计算机作为硬件平台，IPC5442八路模数(A/D)采集卡、IPC5445八路数模(D/A)转换卡、IPC5311三十二路开关量(I/O)卡作为硬件支持。软件开发平台是Matlab/Simulink。作为硬件支持的还有与高速串口USB口转换器连接的数字式信号发生器，用于产生脉冲信号。

以起动机、内燃发动机、电机、电池、离合器、偶合器、变速器、车轮、车身、低压配电系统的动态计算模型的运行来代替实际车辆的运行，以对多能源ECU系统的控制信号及控制软件进行测试。多能源动力总成控制器实物与仿真试验测试系统连接后如图1所示。在实际使用中，可根据具体的多能源动力汽车的布置方案对模型的连接方式进行调整。

1)建立以偶合器为中心的模型，各模型的转矩、转速全部向偶合器输入和输出端转换。偶合器输入端：发动机正转矩Me

          电动机正转矩Md

          发电机负转矩-Md偶合器输出端：输出转矩Mtq

          纯发动机工作状态       Mtq＝Me

          发动机+电动机工作状态  Mtq＝Me+Md

          纯电动机工作状态       Mtq＝Md

          发电机工作状态         Mtq＝Me-Md

          再生制动工作状态       Mtq＝-Md

故，偶合器转矩平衡方程为： $\mathrm{Mtq}=\frac{\mathrm{Mg}(f+i)r}{i_g{i}_0{\mathrm{\η}}_T}+\frac{C_D\mathrm{A\ρ}{u}^{2}r}{2i_g{i}_0{\mathrm{\η}}_T}+\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{dt}}(\frac{\mathrm{mr}}{i_g{i}_0{\mathrm{\η}}_T}+\frac{{\mathrm{\ΣI}}_w}{r{i}_g{i}_0{\mathrm{\η}}_T}+\frac{I_f{i}_g{i}_0}{r}+\frac{I_d{i}_g{i}_0}{r})$

将汽车的具体参数代入上述平衡方程中，用Simulink编写相应的流程图。

2)用以下四个表来表示控制参数

①工作状态信号表(输入)

总成	名称	信号线及信号
			起动机	启动信号	D1“0”
不启动	D1“1”
		发动机		供油开关开启	D3“0”
供油开关关闭	D3“1”
			电机	工况控制	D10“0”
D11“1”电动机
	D10“1”
D11“0”发电机
	D10“0”
D11“0”空转
	离合器	合			D4“1”
分			D4“0”

②工作状态信号表(输出)

总成	工作状态	信号线及信号
			起动机	正常	D2“0”
故障	D2“1”
		电池		上电允许	D7“0”
不允许	D7“1”
			正常	D8“0”
故障	D8“1”
			电机	允许运转	D9“0”
不允许	D9“1”

机械自动变速器	正常	D6“0”
			故障	D6“1”
	换档请求	D5“0”
			无	D5“1”

③模拟输入量信号表

总成	名称	端口	信号范围
				发动机	节气门	A/D1	0～5V
电机	转矩给定	A/D2	0～5V
				发电电流	A/D2	0～5V
	多能源	制动踏板	A/D3				0～5V

④模拟输出量信号表

总成	名称	端口	信号范围
				发动机	转速	Pulse1	0/5V
电池	电流	D/A1	0～5V
				电压	D/A2	0～5V
	SOC	D/A3	0～5V
				电机	转速	Pulse2	0/5V
整车	车速	D/A4	0～5V

将输入、输出控制信号用逻辑符号和连线引至相应模型的Simulink模块上。界面上的显示和控制信号也用逻辑符号和连线引至相应模型的Simulink模块上。

⑤仿真测试系统各模块与接口板引脚定义

3)仿真测试过程

①准备运行

点火开关位于1位置时，开始自检。各部件输出工作状态。正常输出“0”，故障输出“1”。

点火开关位于2位置时，上强电。电池发出上电允许信号，电机发出允许运转信号。

整车各模型进入准备运行状态。

②发动机工作

如D1＝“0”，起动机启动，如D3＝“0”，A/D1≠0，发动机运转，进入高怠速，转速ne＝1500r/min，由ne和A/D1信号表示的节气门开度查发动机map图，确定工作点，得转矩Me。

向接口板和界面输出信号：转速P1。

向离合器输出能量数据：转速ne，转矩Me。

③离合器打滑的处理：

nL1＝ne，nL1为离合器主动部分转速，nL2为离合器从动部分转速。

当离合器结合时，如nL1-nL2＝ΔnL≥200r/min，则认为是要以发动机起步。给离合器打滑过程，循环5次，每次nL2＝nL2+ΔnL/5。如|nL1-nL2|＝ΔnL＜200，则nL2＝nL1。

离合器向发动机反馈转速信号n’，由n’和节气门开度A/D1重查发动机map图，确定新工作点，得Me。

当离合器分离时，发动机按空载运行，由最后一个ne和节气门开度查map图，确定工作点，扭矩用于克服自身惯性，转速迅速增加。

④电机和电池工作

在电机模型中，电机有三种工作模式：电动机、发电机和空转。由控制信号D10和D11决定。

如D10＝“0”，D11＝“1”，电动机工作状态，电机转速nd＝偶合器转速no，偶合器转速由车速确定。故此，可由A/D2信号表示的电机转矩给定和电机转速nd查电机map图，确定电机工作点，得Md。

向接口板和界面输出信号：转速P2。

向偶合器输出能量流数据：nd，Md。偶合器输出转矩Mo＝Me+Md。

向电池传送能量流数据：需要的功率和参考电流值。

电池模型由电池的充放电特性构成，电机工作时，由电机要求的功率和电池本身的充放电特性确定工作点，向电机传送可提供的电流值和电压值。

向接口板输出信号：电流D/A1、电压D/A2、SOC值D/A3。

如D10＝“1”，D11＝“0”，发电机工作状态，nd＝no。A/D2为发电电流，由A/D2和nd查发电机map图，确定工作点，得Md。

向接口板和界面输出信号：转速P2。

向偶合器输出能量数据：nd，Md。则偶合器输出转矩为Mo＝Me-Md。

电池按充电特性充电。

向接口板输出信号：电流、电压、SOC。

4)测试效果

经与多能源动力总成控制系统进行联调，结果表明，本系统可以很好地考核多能源动力总成控制器的接口信号和控制策略，大大节省了在实际试验台和整车上的调试时间。

对电控节气门元器件的直接测试表明，本半实物仿真测试系统也能进行单个元器件性能的测试试验。

Claims (4)

1、一种多能源动力总成半实物仿真测试系统，其特征是包括一台台式计算机、支持硬件的八路模数A/D采集卡、八路数模D/A转换卡、三十二路开关量I/O卡及与高速串口USB转换器连接的数字式信号发生器，软件开发平台Matlab/simulink，代替实际车辆运行的起动机、内燃发动机、电机、电池、离合器、变速器、车轮、车身、低压配电系统各总成的动态计算模型，使用汽车的动力学行驶方程，通过Matlab/simulink来建立各总成的能量平衡，各总成模型按自身的特性工作，用A/D、D/A、I/O板卡、串口SCI通讯、高速串口USB通讯建立多能源动力总成控制器与模型计算机的联系，控制器用A/D、I/O、CAN板卡、SCI通讯所传递的电量对模型进行参数控制和逻辑控制，模型的输出参量通过D/A、I/O、CAN板卡、SCI通讯和USB通讯的方式传给多能源总成控制器，实际的控制器、各种信号转换板卡以及用来代替真实总成器件的仿真模型一起组成闭环测试系统。

2、如权利要求1所述的仿真测试系统，其特征是动态计算模型按下述方法建立，发动机模型、电机模型由试验所得的转矩-转速-效率特性曲线组成，发动机的工作点由转速和节气门开度确定，电机的工作点由转速和电机转矩给定(俗称电机油门开度)确定，电池模型由试验所得的充放电特性曲线组成，通过查表和曲线拟合的方式求其工作点，离合器模型包括结合、分离、打滑三种工况，偶合器模型用于发动机与电机的动力混合方式，变速器模型包括按车速换档和按发动机负荷率换档两种工作模式，车轮模型用于施加制动力和滑移，车身模型用来施加迎风阻力，低压配电系统模型包括上电自检开关和点火开关。

3、如权利要求1所述的仿真测试系统，其特征是各模型以驱动力--行驶阻力平衡来建立方程，包括 $\mathrm{Me}=\frac{\mathrm{Mg}(f+i)r}{i_g{i}_0{\mathrm{\η}}_T}+\frac{C_D\mathrm{A\ρ}{u}^{2}r}{2i_g{i}_0{\mathrm{\η}}_T}+\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{dt}}(\frac{\mathrm{mr}}{i_g{i}_0{\mathrm{\η}}_T}+\frac{{\mathrm{\ΣI}}_w}{r{i}_g{i}_0{\mathrm{\η}}_T}+\frac{I_f{i}_g{i}_0}{r}+\frac{I_d{i}_g{i}_0}{r})$ 式中：Me-发动机输出转矩，N.m；

  m-汽车总质量，kg；

g-重力加速度，9.81m/s²；

f-滚动阻力系数，对轿车，f＝f₀(1+0.00067u²)，f＝0.014～0.02；

i-道路坡度；

r-轮胎滚动半径，m；

i_g-变速器传动比；

i₀-主减速器传动比；

η_T-传动系机械效率；

C_D-空阻系数；

A-迎风面积，m²；

ρ-空气密度，取ρ＝1.2258N.s².m^-4；

u-车速，m/s；

I_w-车轮转动惯量，kgm²；

I_f-发动机转动惯量，kgm²；

I_d-电机转动惯量，kgm²。

4、如权利要求1所述的仿真测试系统，其特征是各模型的控制方式是：发动机节气门开度、电机油门开度、发电机发电电流、电池电压V、电流I、荷电状态SOC值及制动力以模拟量传输，工况控制、工作状态、启动开关信号以开关量传送，发动机和电机转速通过USB口及数字信号发生器以脉冲信号(Pules)传输，变速器操纵杆位置、当前档位以及变速器模型中所需要的电机转速、发动机节气门开度、加速踏板位置均用串口SCI定时传递。

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