專利名稱：多能源動力總成半實物仿真測試系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有多能源的電動汽車和其它電動車輛的多能源動力總成控制系統(tǒng)硬件和控制軟件的測試系統(tǒng)，也就是在電動車輛制造過程中，當已知多能源總成的特性參數(shù)，或已有少量的總成實物，但沒有將多能源各總成實物進行組裝的條件下進行動力總成控制系統(tǒng)軟硬件試驗測試的系統(tǒng)，即多能源動力總成半實物仿真測試系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
電動汽車多能源動力總成控制器(簡稱多能源ECU)除具有復(fù)雜的硬件電路外，還有復(fù)雜的接口電路，如模擬/數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換，數(shù)字/模擬(D/A)轉(zhuǎn)換，開關(guān)量輸入輸出(I/O)、串口通訊(SCI)、控制局域網(wǎng)(CAN)數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，此外，控制芯片中的軟件即對多能源和整車控制的軟件也很?fù)雜，因而給軟硬件調(diào)試帶來相當大的難度。在多能源動力總成控制器制做完畢后，僅根據(jù)簡單的調(diào)試程序觀察A/D、D/A、I/O、SCI和CAN接口有無信號來判斷控制器的軟硬件是否工作正常是遠遠不夠的，因為這無法考核控制硬件是否工作協(xié)調(diào)，也無法檢驗控制軟件是否工作合理，從而將會加大在實驗臺架上或整車上與各總成聯(lián)調(diào)時的工作量。因此，根據(jù)整車各總成的工作特征，采用軟件工程方法建立模型，結(jié)合計算機和接口板卡組成集成化的半實物仿真測試系統(tǒng)(也可稱為虛擬測試試驗系統(tǒng))，對所構(gòu)造的不同控制軟件和結(jié)構(gòu)組成的多能源動力總成電控系統(tǒng)，進行實時仿真、測試和評價。這樣，就可以將錯誤及不當之處消除于設(shè)計初期，使上車調(diào)試時間縮短、設(shè)計修改費用降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種多能源動力總成半實物仿真試驗測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)整車各總成的工作特性，采用軟件工程方法建立模型，結(jié)合計算機和硬件接口板卡組成集成化的半實物仿真試驗系統(tǒng)，對所構(gòu)造的不同控制軟件和結(jié)構(gòu)組成的多能源動力總成電控系統(tǒng)，進行實時仿真、測試和評價。也可用來考核多能源動力總成中單個總成器件的工作性能。
本發(fā)明的多能源動力總成半實物仿真測試系統(tǒng)，包括一臺臺式計算機、支持硬件的八路模數(shù)A/D采集卡、八路數(shù)模D/A轉(zhuǎn)換卡、三十二路開關(guān)量I/O卡及與高速串口USB轉(zhuǎn)換器連接的數(shù)字式信號發(fā)生器，軟件開發(fā)平臺Matlab/simulink，代替實際車輛運行的起動機、內(nèi)燃發(fā)動機、電機、電池、離合器、變速器、車輪、車身、低壓配電系統(tǒng)各總成的動態(tài)計算模型，使用汽車的動力學(xué)行駛方程，通過Matlab/simulink來建立各總成的能量平衡，各總成模型按自身的特性工作，用A/D、D/A、I/O板卡、串口SCI通訊、高速串口USB通訊建立多能源動力總成控制器與模型計算機的聯(lián)系，控制器用A/D、I/O、CAN板卡、SCI通訊所傳遞的電量對模型進行參數(shù)控制和邏輯控制，模型的輸出參量通過D/A、I/O、CAN板卡、SCI通訊和USB通訊的方式傳給多能源總成控制器，實際的控制器、各種信號轉(zhuǎn)換板卡以及用來代替真實總成控制器件的仿真模型一起組成閉環(huán)測試系統(tǒng)。
模型的具體建立方法如下發(fā)動機模型、電機模型由試驗所得的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速-效率特性曲線組成，也稱發(fā)動機、電機Map圖。發(fā)動機的工作點由轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門開度確定，電機的工作點由轉(zhuǎn)速和電機轉(zhuǎn)矩給定(俗稱電機油門開度)確定，電池模型由試驗所得的充放電特性曲線組成，通過查表和曲線擬合的方式求其工作點，離合器模型包括結(jié)合、分離、打滑三種工況，偶合器模型用于發(fā)動機與電機的動力混合方式，變速器模型包括按車速換檔和按發(fā)動機負荷率換檔兩種工作模式，車輪模型用于施加制動力和滑移，車身模型用來施加迎風阻力，低壓配電系統(tǒng)模型包括上電自檢開關(guān)和點火開關(guān)。
各模型以驅(qū)動力--行駛阻力平衡來建立方程。Me=Mg(f+i)rigi0ηT+CDAρu2r2igi0ηT+dudt(mrigi0ηT+ΣIwrigi0ηT+Ifigi0r+Idigi0r)]]>式中Me-發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩，N.m；m-汽車總質(zhì)量，kg；g-重力加速度，9.81m/s2；
f-滾動阻力系數(shù)，對轎車，f＝f0(1+0.00067u2)，f＝0.014～0.02；i-道路坡度；r-輪胎滾動半徑，m；ig-變速器傳動比；i0-主減速器傳動比；ηT-傳動系機械效率；CD-空阻系數(shù)；A-迎風面積，m2；ρ-空氣密度，取ρ＝1.2258N.s2.m-4；u-車速，m/s；Iw-車輪轉(zhuǎn)動慣量，kgm2；If-發(fā)動機轉(zhuǎn)動慣量，kgm2；Id-電機轉(zhuǎn)動慣量，kgm2。
本多能源動力總成控制器對仿真試驗測試系統(tǒng)各模型的控制方式如下發(fā)動機節(jié)氣門開度、電機油門開度(發(fā)電機發(fā)電電流)、電池電壓(V)、電池電流(I)、電池荷電狀態(tài)(SOC值)及制動力以模擬量傳輸。工況控制、工作狀態(tài)、啟動開關(guān)信號以開關(guān)量傳送。發(fā)動機和電機轉(zhuǎn)速通過USB及數(shù)字信號發(fā)生器以脈沖信號(Pules)傳輸，變速器操縱桿位置、當前檔位以及變速器模型中所需要的電機轉(zhuǎn)速、發(fā)動機節(jié)氣門開度、加速踏板位置均用串口SCI定時傳遞。該仿真試驗測試系統(tǒng)有如下特點1)仿真試驗測試系統(tǒng)在界面上具有可設(shè)置參數(shù)如故障模式設(shè)置、檔位控制設(shè)置、點火開關(guān)設(shè)置。
2)仿真試驗測試系統(tǒng)具有行駛狀態(tài)顯示界面如發(fā)動機轉(zhuǎn)速、電機轉(zhuǎn)速、電池荷電狀態(tài)(SOC)、變速器當前檔位。此外，還有時間-車速曲線，可實時顯示模型汽車行駛時的時間-車速曲線，還能同時顯示工況法所要求的標準試驗曲線。


圖1是半實物仿真試驗測試系統(tǒng)與多能源動力總成控制器連接的框圖。
圖中起動機、發(fā)動機、電機、電池、離合器、偶合器、自動變速器、車輪、車身、低壓配電系統(tǒng)為動態(tài)計算模型，多能源ECU為電動汽車多能源動力總成控制器。
圖中連接各模型的粗實線 為能量流，即轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩或電壓、電流表示的功率；細雙點劃線 為計算反饋量。
連接各模型與多能源動力總成控制器(EUC)的長細實線 為開關(guān)量信號，細虛線 為模擬量信號，單點劃線 為脈沖信號。
各模型向外延伸的短細實線為與操作界面連接的信號，由模型向外的是給界面顯示的信號，如發(fā)動機轉(zhuǎn)速、電池SOC值等；指向模型的是可以通過界面加給模型的控制信號，例如故障設(shè)置，換檔方式等。
圖中符號含義是Md-電機輸出轉(zhuǎn)矩，N.m； nd-電機輸出轉(zhuǎn)速，r/min；ne-發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)速，r/min； M-偶合器輸出轉(zhuǎn)矩，N.m；n-偶合器輸出轉(zhuǎn)速，r/min； i-變速器與主減速器總傳動比；F-車輪驅(qū)動力，N； n’-離合器反饋到發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，r/min；Md′-需要電機輸出的轉(zhuǎn)矩，N.m；nd′-需要電機輸出轉(zhuǎn)速，r/min；I-電流，A； V-電壓，V；n″-偶合器反饋到離合器和電機的轉(zhuǎn)速，r/min；n-車輪反饋到變速器輸出軸的轉(zhuǎn)速，r/min。
具體實施例方式
本多能源動力總成半實物仿真測試系統(tǒng)的實施例以一臺PIII 800臺式計算機作為硬件平臺，IPC5442八路模數(shù)(A/D)采集卡、IPC5445八路數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換卡、IPC5311三十二路開關(guān)量(I/O)卡作為硬件支持。軟件開發(fā)平臺是Matlab/Simulink。作為硬件支持的還有與高速串口USB口轉(zhuǎn)換器連接的數(shù)字式信號發(fā)生器，用于產(chǎn)生脈沖信號。
以起動機、內(nèi)燃發(fā)動機、電機、電池、離合器、偶合器、變速器、車輪、車身、低壓配電系統(tǒng)的動態(tài)計算模型的運行來代替實際車輛的運行，以對多能源ECU系統(tǒng)的控制信號及控制軟件進行測試。多能源動力總成控制器實物與仿真試驗測試系統(tǒng)連接后如圖1所示。在實際使用中，可根據(jù)具體的多能源動力汽車的布置方案對模型的連接方式進行調(diào)整。
1)建立以偶合器為中心的模型，各模型的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速全部向偶合器輸入和輸出端轉(zhuǎn)換。偶合器輸入端發(fā)動機正轉(zhuǎn)矩Me電動機正轉(zhuǎn)矩Md發(fā)電機負轉(zhuǎn)矩-Md偶合器輸出端輸出轉(zhuǎn)矩Mtq純發(fā)動機工作狀態(tài) Mtq＝Me發(fā)動機+電動機工作狀態(tài) Mtq＝Me+Md純電動機工作狀態(tài) Mtq＝Md發(fā)電機工作狀態(tài) Mtq＝Me-Md再生制動工作狀態(tài) Mtq＝-Md故，偶合器轉(zhuǎn)矩平衡方程為Mtq=Mg(f+i)rigi0ηT+CDAρu2r2igi0ηT+dudt(mrigi0ηT+ΣIwrigi0ηT+Ifigi0r+Idigi0r)]]>將汽車的具體參數(shù)代入上述平衡方程中，用Simulink編寫相應(yīng)的流程圖。
2)用以下四個表來表示控制參數(shù)①工作狀態(tài)信號表(輸入)

②工作狀態(tài)信號表(輸出)


③模擬輸入量信號表

④模擬輸出量信號表

將輸入、輸出控制信號用邏輯符號和連線引至相應(yīng)模型的Simulink模塊上。界面上的顯示和控制信號也用邏輯符號和連線引至相應(yīng)模型的Simulink模塊上。
⑤仿真測試系統(tǒng)各模塊與接口板引腳定義

3)仿真測試過程①準備運行點火開關(guān)位于1位置時，開始自檢。各部件輸出工作狀態(tài)。正常輸出“0”，故障輸出“1”。
點火開關(guān)位于2位置時，上強電。電池發(fā)出上電允許信號，電機發(fā)出允許運轉(zhuǎn)信號。
整車各模型進入準備運行狀態(tài)。
②發(fā)動機工作如D1＝“0”，起動機啟動，如D3＝“0”，A/D1≠0，發(fā)動機運轉(zhuǎn)，進入高怠速，轉(zhuǎn)速ne＝1500r/min，由ne和A/D1信號表示的節(jié)氣門開度查發(fā)動機map圖，確定工作點，得轉(zhuǎn)矩Me。
向接口板和界面輸出信號轉(zhuǎn)速P1。
向離合器輸出能量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)速ne，轉(zhuǎn)矩Me。
③離合器打滑的處理nL1＝ne，nL1為離合器主動部分轉(zhuǎn)速，nL2為離合器從動部分轉(zhuǎn)速。
當離合器結(jié)合時，如nL1-nL2＝ΔnL≥200r/min，則認為是要以發(fā)動機起步。給離合器打滑過程，循環(huán)5次，每次nL2＝nL2+ΔnL/5。如|nL1-nL2|＝ΔnL＜200，則nL2＝nL1。
離合器向發(fā)動機反饋轉(zhuǎn)速信號n’，由n’和節(jié)氣門開度A/D1重查發(fā)動機map圖，確定新工作點，得Me。
當離合器分離時，發(fā)動機按空載運行，由最后一個ne和節(jié)氣門開度查map圖，確定工作點，扭矩用于克服自身慣性，轉(zhuǎn)速迅速增加。
④電機和電池工作在電機模型中，電機有三種工作模式電動機、發(fā)電機和空轉(zhuǎn)。由控制信號D10和D11決定。
如D10＝“0”，D11＝“1”，電動機工作狀態(tài)，電機轉(zhuǎn)速nd＝偶合器轉(zhuǎn)速no，偶合器轉(zhuǎn)速由車速確定。故此，可由A/D2信號表示的電機轉(zhuǎn)矩給定和電機轉(zhuǎn)速nd查電機map圖，確定電機工作點，得Md。
向接口板和界面輸出信號轉(zhuǎn)速P2。
向偶合器輸出能量流數(shù)據(jù)nd，Md。偶合器輸出轉(zhuǎn)矩Mo＝Me+Md。
向電池傳送能量流數(shù)據(jù)需要的功率和參考電流值。
電池模型由電池的充放電特性構(gòu)成，電機工作時，由電機要求的功率和電池本身的充放電特性確定工作點，向電機傳送可提供的電流值和電壓值。
向接口板輸出信號電流D/A1、電壓D/A2、SOC值D/A3。
如D10＝“1”，D11＝“0”，發(fā)電機工作狀態(tài)，nd＝no。A/D2為發(fā)電電流，由A/D2和nd查發(fā)電機map圖，確定工作點，得Md。
向接口板和界面輸出信號轉(zhuǎn)速P2。
向偶合器輸出能量數(shù)據(jù)nd，Md。則偶合器輸出轉(zhuǎn)矩為Mo＝Me-Md。
電池按充電特性充電。
向接口板輸出信號電流、電壓、SOC。
4)測試效果經(jīng)與多能源動力總成控制系統(tǒng)進行聯(lián)調(diào)，結(jié)果表明，本系統(tǒng)可以很好地考核多能源動力總成控制器的接口信號和控制策略，大大節(jié)省了在實際試驗臺和整車上的調(diào)試時間。
對電控節(jié)氣門元器件的直接測試表明，本半實物仿真測試系統(tǒng)也能進行單個元器件性能的測試試驗。
權(quán)利要求
1.一種多能源動力總成半實物仿真測試系統(tǒng)，其特征是包括一臺臺式計算機、支持硬件的八路模數(shù)A/D采集卡、八路數(shù)模D/A轉(zhuǎn)換卡、三十二路開關(guān)量I/O卡及與高速串口USB轉(zhuǎn)換器連接的數(shù)字式信號發(fā)生器，軟件開發(fā)平臺Matlab/simulink，代替實際車輛運行的起動機、內(nèi)燃發(fā)動機、電機、電池、離合器、變速器、車輪、車身、低壓配電系統(tǒng)各總成的動態(tài)計算模型，使用汽車的動力學(xué)行駛方程，通過Matlab/simulink來建立各總成的能量平衡，各總成模型按自身的特性工作，用A/D、D/A、I/O板卡、串口SCI通訊、高速串口USB通訊建立多能源動力總成控制器與模型計算機的聯(lián)系，控制器用A/D、I/O、CAN板卡、SCI通訊所傳遞的電量對模型進行參數(shù)控制和邏輯控制，模型的輸出參量通過D/A、I/O、CAN板卡、SCI通訊和USB通訊的方式傳給多能源總成控制器，實際的控制器、各種信號轉(zhuǎn)換板卡以及用來代替真實總成器件的仿真模型一起組成閉環(huán)測試系統(tǒng)。
2.如權(quán)利要求1所述的仿真測試系統(tǒng)，其特征是動態(tài)計算模型按下述方法建立，發(fā)動機模型、電機模型由試驗所得的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速-效率特性曲線組成，發(fā)動機的工作點由轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門開度確定，電機的工作點由轉(zhuǎn)速和電機轉(zhuǎn)矩給定(俗稱電機油門開度)確定，電池模型由試驗所得的充放電特性曲線組成，通過查表和曲線擬合的方式求其工作點，離合器模型包括結(jié)合、分離、打滑三種工況，偶合器模型用于發(fā)動機與電機的動力混合方式，變速器模型包括按車速換檔和按發(fā)動機負荷率換檔兩種工作模式，車輪模型用于施加制動力和滑移，車身模型用來施加迎風阻力，低壓配電系統(tǒng)模型包括上電自檢開關(guān)和點火開關(guān)。
3.如權(quán)利要求1所述的仿真測試系統(tǒng)，其特征是各模型以驅(qū)動力--行駛阻力平衡來建立方程，包括Me=Mg(f+i)rigi0ηT+CDAρu2r2igi0ηT+dudt(mrigi0ηT+ΣIwrigi0ηT+Ifigi0r+Idigi0r)]]>式中Me-發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩，N.m；m-汽車總質(zhì)量，kg；g-重力加速度，9.81m/s2；f-滾動阻力系數(shù)，對轎車，f＝f0(1+0.00067u2)，f＝0.014～0.02；i-道路坡度；r-輪胎滾動半徑，m；ig-變速器傳動比；i0-主減速器傳動比；ηT-傳動系機械效率；CD-空阻系數(shù)；A-迎風面積，m2；ρ-空氣密度，取ρ＝1.2258N.s2.m-4；u-車速，m/s；Iw-車輪轉(zhuǎn)動慣量，kgm2；If-發(fā)動機轉(zhuǎn)動慣量，kgm2；Id-電機轉(zhuǎn)動慣量，kgm2。
4.如權(quán)利要求1所述的仿真測試系統(tǒng)，其特征是各模型的控制方式是發(fā)動機節(jié)氣門開度、電機油門開度、發(fā)電機發(fā)電電流、電池電壓V、電流I、荷電狀態(tài)SOC值及制動力以模擬量傳輸，工況控制、工作狀態(tài)、啟動開關(guān)信號以開關(guān)量傳送，發(fā)動機和電機轉(zhuǎn)速通過USB口及數(shù)字信號發(fā)生器以脈沖信號(Pules)傳輸，變速器操縱桿位置、當前檔位以及變速器模型中所需要的電機轉(zhuǎn)速、發(fā)動機節(jié)氣門開度、加速踏板位置均用串口SCI定時傳遞。
全文摘要
一種多能源動力總成半實物仿真測試系統(tǒng)。包括一臺臺式計算機、8路模數(shù)A/D采集卡、8路數(shù)模D/A轉(zhuǎn)換卡、32路開關(guān)量I/O卡及與高速串口USB轉(zhuǎn)換器連接的數(shù)字式信號發(fā)生器，軟件開發(fā)平臺Matlab/simulink，代替實際車輛運行的起動機、內(nèi)燃發(fā)動機、電機、電池、離合器、變速器、車輪、車身、低壓配電系統(tǒng)總成的動態(tài)計算模型，使用汽車的動力學(xué)行駛方程建立各總成的能量平衡，各總成模型按自身特性工作，用A/D、D/A、I/O板卡、SCI和USB通訊建立多能源動力總成控制器與模型計算機的聯(lián)系，多能源動力總成控制器對模型進行參數(shù)控制和邏輯控制、模型的輸出參量均通過A/D、D/A、I/O、CAN板卡和SCI通訊的方式傳遞，實際的控制器、各種信號轉(zhuǎn)換板卡以及用來代替真實總成器件的仿真模型一起組成閉環(huán)測試系統(tǒng)。
文檔編號G06N7/00GK1402187SQ0213904
公開日2003年3月12日 申請日期2002年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月13日
發(fā)明者過學(xué)迅, 蘇楚奇, 阮杰, 杜傳進, 陳軍 申請人:武漢理工大學(xué)