CN203275098U - 电动汽车电驱动与驾驶员双在环模拟测试系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及电动汽车动力驱动试验技术领域，具体涉及电动汽车电驱动与驾驶员双在环模拟测试系统，虚拟现实系统的图形工作站通过3D显示屏显示虚拟现实场景；驱动控制模块处理虚拟现实场景中驾驶员对驾驶设备的操作信号并控制变速器和驱动电机；实时仿真系统计算模拟电源输出并控制电源模拟系统为驱动电机供电；实时仿真计算机计算测功机系统的输出负载，测功机系统向电驱动系统输出负载；实时仿真系统检测测功机系统的实际动力输出并更新虚拟现实系统中虚拟车辆的驱动系统输出状态；本实用新型结合驾驶员主观因素和对不同驾驶环境的因应反应对变速器和驱动电机进行控制；且采用实物变速器和驱动电机，更为真实地反映动力系统的实际运行状况。

Description

电动汽车电驱动与驾驶员双在环模拟测试系统

技术领域

本实用新型涉及电动汽车动力驱动试验技术领域，具体涉及电动汽车电驱动与驾驶员双在环模拟测试系统。

背景技术

在环模拟测试是一种利用实时仿真技术的测试方法，它同时具有离线仿真低成本、速度快、可重复、安全无破坏性和实物原型测试高精确度的优点，因此广泛应用于电动汽车部件和系统测试领域。在环模拟测试通过对动力系统中离线仿真的各虚拟部件用真实的部件（如控制器单元、电机及其控制单元、能量单元、传动单元等）替换的办法，建立等效的虚实混合复合系统。真实部件和仿真器中的虚拟部件之间，通过单向或闭环的方式进行联接，与原型系统等效达到测试和验证系统性能的目的。

但现有技术的电动汽车在环模拟测试一般都基于固定模式的标准工况，不能考虑到驾驶员主观（包括驾驶习惯、心理状态）因素、各种复杂恶劣的气候（雨、雪等）、大气和光线等的影响，对电动汽车的动力控制策略设计和动力部件动态特性测试能力有限。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术中的缺点和不足，提供一种电动汽车电驱动与驾驶员双在环模拟测试系统，其同时考虑电动汽车的电驱动硬件和驾驶员的主观因素。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

电动汽车电驱动与驾驶员双在环模拟测试系统，包括虚拟现实系统、电驱动系统、测功机系统、实时仿真系统和电源模拟系统；虚拟现实系统包括驾驶设备、用于场景建模的图形工作站、用于显示模拟现实驾驶环境的3D显示屏；电驱动系统包括驱动控制模块、变速器和驱动电机；图形工作站通过3D显示屏显示虚拟现实场景，驱动控制模块处理虚拟现实场景中驾驶员对驾驶设备的操作信号并控制变速器和驱动电机；实时仿真系统计算模拟电源输出并控制电源模拟系统为驱动电机供电；实时仿真系统计算测功机系统的输出负载；测功机系统向电驱动系统输出负载；实时仿真系统检测测功机系统的实际动力输出并更新虚拟现实系统中虚拟车辆的驱动系统输出状态。

其中，所述实时仿真系统包括实时仿真计算机。

其中，所述电源模拟系统包括连接交流电网的电源模拟器，电源模拟器连接所述驱动电机。

其中，所述虚拟现实系统还包括驾驶舱，所述驾驶设备设于驾驶舱。 

其中，所述电驱动系统还包括电机控制单元和变速器控制单元，所述驱动控制模块分别向电机控制单元和变速器控制单元发出控制需求指令，电机控制单元根据驱动控制模块的指令对驱动电机进行控制，变速器控制单元根据驱动控制模块的指令对变速器进行控制。

其中，所述测功机系统包括负载电机、负载电机控制器、扭矩传感器、第一联轴器和第二联轴器，负载电机控制器分别连接实时仿真计算机和负载电机，负载电机通过第一联轴器连接扭矩传感器，扭矩传感器通过第二联轴器连接变速器，扭矩传感器电连接实时仿真计算机。

其中，所述第二联轴器和所述变速器通过法兰连接。

其中，还包括铸铁平台，所述变速器、所述驱动电机、所述负载电机和所述扭矩传感器均固定安装在铸铁平台。

其中，所述驾驶设备包括驾驶员座位和均采用USB接口且均与图形工作站连接的方向盘、加速踏板和制动踏板。

其中，所述方向盘、加速踏板和制动踏板均为标准模拟驾驶设备。

本实用新型有益效果：与现有技术的电动汽车在环模拟测试相比，本实用新型通过虚拟现实系统提供更接近实际驾驶条件的测试环境，结合驾驶员主观因素和对不同驾驶环境的因应反应对电驱动系统的变速器和驱动电机进行控制，测试方式更为广泛和灵活；且本测试模拟系统采用实物变速器和驱动电机，具有实际的电力输出和机械力输出，对于电驱动系统而言，本系统中的输入输出情况与在电动汽车实际工作时的输入输出情况并无差别，因此能够更为真实地反映动力系统的实际运行状况。本模拟测试系统可以用于汽车动力驱动系统的方案匹配验证、单元和整体的性能测试、控制策略的设计、控制系统的标定等。可以大大提高电动汽车电驱动系统的试验水平和控制器开发效率，缩短电驱动系统的开发周期，从而提高了效率。

附图说明

图1为实施例的原理方框图。

图2为实施例的运行时序图。

图1和图2包括如下附图标记：

虚拟现实系统-1；电驱动系统-2；测功机系统-3；实时仿真系统-4；电源模拟系统-5。

 具体实施方式

以下结合附图对本实用新型进行详细的描述。

参考图1，本实施例包括虚拟现实系统1、电驱动系统2、测功机系统3、实时仿真系统4和电源模拟系统5；虚拟现实系统1包括驾驶设备、用于场景建模的图形工作站、用于显示模拟现实驾驶环境的3D显示屏；电驱动系统2包括驱动控制模块（简称为：PCM）、变速器和驱动电机；图形工作站通过3D显示屏显示虚拟现实场景；驱动控制模块处理虚拟现实场景中驾驶员对驾驶设备的操作信号并控制变速器和驱动电机；实时仿真系统4计算模拟电源输出并控制电源模拟系统5为驱动电机供电；实时仿真系统4计算测功机系统3的输出负载；测功机系统3向电驱动系统2输出负载；实时仿真系统4检测测功机系统3的实际动力输出并更新虚拟现实系统1中虚拟车辆的驱动系统输出状态。

 与现有技术的电动汽车在环模拟测试相比，本实用新型通过虚拟现实系统1提供更接近实际驾驶条件的测试环境，结合驾驶员主观因素和对不同驾驶环境的因应反应对电驱动系统2的变速器和驱动电机进行控制，测试方式更为广泛和灵活；且本测试模拟系统采用实物变速器和驱动电机，具有实际的电力输出和机械力输出，对于电驱动系统2而言，本系统中的输入输出情况与在电动汽车实际工作时的输入输出情况并无差别，因此能够更为真实地反映动力系统的实际运行状况。本模拟测试系统可以用于汽车动力驱动系统的方案匹配验证、单元和整体的性能测试、控制策略的设计、控制系统的标定等。可以大大提高电动汽车电驱动系统2的试验水平和控制器开发效率，缩短电驱动系统2的开发周期，从而提高了效率。

 其中，实时仿真系统4可采用较常用的实时仿真计算机，电源模拟系统5可采用电源模拟器。电源模拟器从公共交流电网获取交流电，转换为直流电后模拟任意电压等级的动力电池组为电驱动系统2的驱动电机提供电压源。

虚拟现实系统1具体包括用于场景建模的图形工作站、用于提供模拟现实驾驶环境的3D显示屏和设有驾驶设备的驾驶舱，实时仿真计算机、3D显示屏和驾驶舱分别连接于图形工作站。

场景建模可包含汽车、路面和驾驶虚拟场景的几何模型、纹理、材质及LOD（多细节层次）信息。并能够设置不同的城市、城郊工况；能够设置不同的日照光源、气候环境、车内仪表信息。

 显示场景应以驾驶员的视角渲染，驾驶员的前向视角区域内需要侧向有一定的延伸区域，以便驾驶员有足够多的提示信息和驾驶环境信息。本实施例通过较大的3D显示屏在覆盖驾驶员的视野范围的基础上显示行驶路面环境。其中，3D显示屏的参数设置如下：分辨率3072*768、显示流明度>4500、帧率>72Hz，从而动态显示模拟场景，并对驾驶行为的时间响应。

为使模拟效果更逼真，虚拟现实系统1还可播放周边声音环境、汽车行驶声音等。

图形工作站将汽车在路面的位置信息、路面阻力系数、碰撞反应的结果 等测试因素，通过实时网络通讯接口反馈给实时仿真计算机，以便实时仿真计算机确定当前时刻车辆的行驶状态。   

 驾驶舱中的驾驶设备可包括驾驶员座位和均采用USB接口且均与图形工作站连接的方向盘、加速踏板和制动踏板。USB接口方式的配件连接方便。作为优选的实施方案，方向盘、加速踏板和制动踏板采用标准的模拟驾驶设备，从而测试过程中驾驶员有与实物操控相同的体验。

电驱动系统2还包括跟据驱动控制模块的指令对驱动电机进行控制的电机控制单元（简称为：MCU）、根据驱动控制模块的指令对变速器进行控制的变速器控制单元（简称为：TCU）。

图形工作站通过USB接口获取由驾驶员操作方向盘的转角信号、加速踏板和制动踏板的开度信号，并通过CAN总线，将方向盘的转角信号、加速踏板和制动踏板的开度信号交给PCM进行解析和处理。

 PCM解读来自驾驶员的控制信号（包括加速踏板信号、制动踏板信号和转向信号）和车辆当前的状态，并根据一定的驱动控制策略，分解为对电机的控制需求和变速器的控制需求。这种控制策略可以是动力性能优先、能耗经济性能优先、驾驶安全性优先，也可以是多种性能因素的综合。

MCU根据PCM的指令对驱动电机的转矩和转速进行控制，其控制过程以高效率、快速响应、准确响应和稳定性等为目标。

TCU根据PCM的控指令控制变速器的变速变矩，其控制过程以高效率、加速响应连续性、平顺性等为目标。

测功机系统3具体包括负载电机、负载电机控制器、扭矩传感器第一联轴器和第二联轴器，负载电机控制器分别连接实时仿真计算机和负载电机，负载电机通过第一联轴器连接扭矩传感器，扭矩传感器通过第二联轴器连接变速器，扭矩传感器连接实时仿真计算机。

测功机系统3用于模拟电动汽车在加减速、上下坡、制动力回馈、倒车等各种工况下，且综合考虑风阻、路阻、斜坡阻力和惯性阻力等因素，电驱动系统2将受到的机械负载，并以转矩形式施加到电驱动系统2中的传动装置或驱动电机。

电驱动系统2和测功机系统3构成“驱动-负载”系统，在各自的控制下输出转矩和转速信号。而测功机系统3通过扭矩传感器向实时仿真计算机发送的动力信号具体为转矩和转速值。扭矩传感器可通过10M以上的带宽实时采样得到电驱动系统2和测功机系统3间传递的转矩和转速大小，通过采集卡将转矩和转速值交给实时仿真计算机。

测功机系统3内部的负载电机与扭矩传感器之间、电驱动系统2和测功机系统3之间均为法兰连接，连接方式简单。

进一步地，第一联轴器和负载电机、扭矩传感器均采用法兰连接，第二联轴器和变速器也通过法兰连接，连接方式简单、稳固。测功机系统3的负载电机和扭矩传感器及电驱动系统2的变速器和驱动电机均安装固定在铸铁平台上，使这两个系统在运行过程中不发生相对的移动。

为使整个系统流畅、稳定运行，精确采集汽车硬件实际运行指标参数，实时仿真计算机可具体设有交通流实时仿真模块、动力电池仿真模块、车辆动力学实时仿真模块、碰撞检测与碰撞反应模块、信号采集模块和实时同步通讯模块。其中车辆动力学实时仿真模块有可进一步包括整车动力学子模块、底盘动力学子模块、轮向动力学子模块和轮胎动力学子模块。图形工作站具体设有三维虚拟现实显示模块、车内仪表显示模块、驾驶员交互接口显示模块、辅助音效模块和实时同步通讯模块。

本实施例工作时一种优选的运行时序如图2所示，其中： 

S1、整机系统开启后（包括实时仿真计算机和图形工作站上的各模块、电驱动系统2和测功机系统3），实时仿真计算机根据城市或市郊工况计算交通流；

S2、图形工作站通过三维显示屏显示虚拟现实场景；

S3、驾驶员在驾驶舱中操纵驾驶设备（包括方向盘、加速踏板和制动踏板）；

S4、实时仿真计算机根据电源模型设置模拟电源器的输出状态；

S5、电源模拟器根据实时仿真计算机提供的输出参数为电驱动系统2的驱动电机供电；

S6、电驱动系统2通过设于驾驶舱的采集卡采样获得方向盘、加速踏板和制动踏板的操作信号，由PCM确定驱动控制策略，并将驱动控制策略分解到TCU和MCU，由TCU控制变速器的传动比，由MCU控制驱动电机的输出转矩；

S7、实时仿真计算机根据当前模拟的现实场景路面产生的阻力系数、电动汽车惯量和测功机系统3的惯量、阻尼特性，计算出电驱动系统2中驱动电机的输出转矩，并控制测功机系统3输出负载；

S8、测功机系统3和电驱动系统2构成的“驱动-负载”系统输出实际转速和扭矩，并由扭矩传感器检测到；

S9、根据扭矩传感器输出的转矩和转速信号及当前虚拟现实场景中的车辆状态，实时仿真计算机控制图形工作站更新虚拟汽车下一时刻的状态；

S10、图形工作站获得虚拟汽车下一时刻的位置，交通流仿真后更新交通流；

S11、继续进行S2的操作。

以上内容仅为本实用新型的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (10)

1.电动汽车电驱动与驾驶员双在环模拟测试系统，其特征在于：包括虚拟现实系统、电驱动系统、测功机系统、实时仿真系统和电源模拟系统；虚拟现实系统包括驾驶设备、用于场景建模的图形工作站、用于显示模拟现实驾驶环境的3D显示屏；电驱动系统包括驱动控制模块、变速器和驱动电机；图形工作站通过3D显示屏显示虚拟现实场景，驱动控制模块处理虚拟现实场景中驾驶员对驾驶设备的操作信号并控制变速器和驱动电机；实时仿真系统计算模拟电源输出并控制电源模拟系统为驱动电机供电；实时仿真系统计算测功机系统的输出负载；测功机系统向电驱动系统输出负载；实时仿真系统检测测功机系统的实际动力输出并更新虚拟现实系统中虚拟车辆的驱动系统输出状态。

2.根据权利要求1所述的电动汽车电驱动与驾驶员双在环模拟测试系统，其特征在于：所述实时仿真系统包括实时仿真计算机。

3.根据权利要求1所述的电动汽车电驱动与驾驶员双在环模拟测试系统，其特征在于：所述电源模拟系统包括连接交流电网的电源模拟器，电源模拟器连接所述驱动电机。

4.根据权利要求1所述的电动汽车电驱动与驾驶员双在环模拟测试系统，其特征在于：所述虚拟现实系统还包括驾驶舱，所述驾驶设备设于驾驶舱。

5.根据权利要求1所述的电动汽车电驱动与驾驶员双在环模拟测试系统，其特征在于：所述电驱动系统还包括电机控制单元和变速器控制单元，所述驱动控制模块分别向电机控制单元和变速器控制单元发出控制需求指令，电机控制单元根据驱动控制模块的指令对驱动电机进行控制，变速器控制单元根据驱动控制模块的指令对变速器进行控制。

6.根据权利要求2所述的电动汽车电驱动与驾驶员双在环模拟测试系统，其特征在于：所述测功机系统包括负载电机、负载电机控制器、扭矩传感器、第一联轴器和第二联轴器，负载电机控制器分别连接实时仿真计算机和负载电机，负载电机通过第一联轴器连接扭矩传感器，扭矩传感器通过第二联轴器连接变速器，扭矩传感器电连接实时仿真计算机。

7.根据权利要求6所述的电动汽车电驱动与驾驶员双在环模拟测试系统，其特征在于：所述第二联轴器和所述变速器通过法兰连接。

8.根据权利要求6所述的电动汽车电驱动与驾驶员双在环模拟测试系统，其特征在于：还包括铸铁平台，所述变速器、所述驱动电机、所述负载电机和所述扭矩传感器均固定安装在铸铁平台。

9.根据权利要求1所述的电动汽车电驱动与驾驶员双在环模拟测试系统，其特征在于：所述驾驶设备包括驾驶员座位和均采用USB接口且均与图形工作站连接的方向盘、加速踏板和制动踏板。

10.根据权利要求9所述的电动汽车电驱动与驾驶员双在环模拟测试系统，其特征在于：所述方向盘、加速踏板和制动踏板均为标准模拟驾驶设备。

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