混合动力汽车半实物仿真系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种混合动力汽车半实物仿真系统，包括虚拟驾驶模拟装置和实体驾驶模拟装置，实体驾驶模拟装置包括车辆驱动系统和能够为车辆驱动系统提供负载的负载模拟系统，虚拟驾驶模拟装置包括虚拟模拟系统以及与虚拟模拟系统连接的显示装置，虚拟模拟系统能够模拟出虚拟车辆模型和虚拟路面模型，虚拟驾驶模拟装置与实体驾驶模拟装置电连接。本发明通过将计算机模拟、台架试验和实地道路三者相互关联在一起，同时进行测试，使测试更接近于真实情况；同时利用本发明模拟车辆驾驶是在样车制造前，汽车可以根据测试修改后的数据进行设计，能够降低汽车设计环节的整体自己投入，缩短汽车的设计时间。
【专利说明】
混合动力汽车半实物仿真系统
技术领域
[0001] 本发明设及混合动力汽车测试领域，具体设及一种混合动力汽车半实物仿真系 统。
【背景技术】
[0002] 传统混合动力汽车测试主要分为=个阶段:计算机模拟测试、台架试验测试、实际 道路测试(如图1所示）。
[0003] 计算机模拟测试是将车辆参数、行驶工况、模拟驾驶员操作输入计算机，通过运算 得到结果，耗时时间最短，成本最低。混合动力汽车主要研究是对象发动机和电机的匹配。 发动机的转矩、转速、节气口的闭合时机，电机的转矩、转速，电池的剩余电量、控制阔值、充 放电曲线等参数很多是多变量、强禪和、非线性，给参数的使用带来很大不便。纯计算机仿 真往往在理论阶段就忽略部分参数并且对复杂部分进行近似替代，所W部分测试结果距离 实际有较大出入，对汽车实际设计的参考价值相对较低。
[0004] 台架试验测试是把需要测试的部件安放在对应的实验台上，根据需要测量的参数 安置传感器和通讯线，运行实验台，采集数据、存储然后分析获得结果，并对混合动力匹配 设计进行改进和优化。实验台建设费用低，移植性好，可重复操作，能够很好的检验计算机 模拟测试得到的混合动力匹配关系。同时国内大量高校和研究机构的参与降低了台架试验 测试的难度。不过由于台架测试通常是在室内进行，也有着很大的局限性，例如，将测量部 件固定在实验台上，得到了部件本身参数，却难W测试其对整车动态性能的影响，运就导致 在测出的转矩、转速、振动在非常真实的情况下依然无法判断其是否合理。此外由于驾驶人 员操作的不确定性、天气、道路湿滑等复杂影响因数也很难在实验台上体现。总之台架试验 测试尽管有着很大局限性，却依然是必不可少的环节。
[0005] 实际道路测试在规定路面上，试验车按照相应标准行驶，对汽车动力性、燃油经济 性、安全性、平顺性、通过性等进行整车测试。测试结果最具真实性和可靠性。不过道路测试 是在车辆样本制造完成后，车身的整个结构和控制系统已经定型，已经无法对混合动力的 设计提供足够改进，想根据测试结果进行调节又会消耗大量的人力、财力和时间。同时实地 道路的复杂多样和驾驶员本身素质的高低导致了实地道路测试的重复性不好。
[0006] 计算机模拟、台架试验、实地道路=种测试方法既必不可少，但独立性太强导致相 互间联系不足，其价值难W充分发挥。同时由于实际道路和台架条件的限制，必然对前面的 计算机模拟测试提出更高的要求。
【发明内容】
[0007] 针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种能够将 计算机模拟、台架试验、实地道路=者结合在一起同时测试，使得=者之间联系更加紧密， 同时减小了环境因素的制约，提高测试准确性的混合动力汽车半实物仿真系统。
[000引为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
[0009] -种混合动力汽车半实物仿真系统，其特征在于:包括虚拟驾驶模拟装置和实体 驾驶模拟装置，实体驾驶模拟装置包括车辆驱动系统和能够为车辆驱动系统提供负载的负 载模拟系统，车辆驱动系统包括发动机、发电机、电池组和电机，虚拟驾驶模拟装置包括虚 拟模拟系统W及与虚拟模拟系统连接的显示装置，虚拟模拟系统能够模拟出虚拟车辆模型 和虚拟车辆模型行驶的虚拟路面模型，虚拟驾驶模拟装置与实体驾驶模拟装置电连接；
[0010] 混合动力汽车半实物仿真系统的实施步骤包括：
[0011] Al:将仿真车型的参数输入虚拟车辆模型中；
[0012] A2:根据测试要求选择虚拟路面模型，并模拟出虚拟车辆模型在虚拟路面模型上 行驶过程中遇到的行驶阻力F;
[0013] A3:模拟出一个驾驶实验周期；
[0014] -个驾驶实验周期内，混合动力汽车半实物仿真系统的运行步骤为：
[0015] BI:车辆驱动系统启动，根据电池组的电荷量SOC作出判断：电荷量SOC大于充放电 阀值SOCmin时，执行Bll步骤;电荷量SOC小于充放电阀值SOCmin时，执行B12步骤；
[0016] Bll:发动机不启动，电机启动，同时车辆驱动系统将信号输出给虚拟车辆模型，虚 拟车辆模型W车辆驱动系统相同速度在虚拟路面模型上行驶，虚拟模拟系统将虚拟车辆模 型遇到的行驶阻力信号输出给负载模拟系统，负载模拟系统为车辆驱动系统提供阻力；
[0017] B12:电机不启动，发动机启动，同时车辆驱动系统将信号输出给虚拟车辆模型，虚 拟车辆模型W车辆驱动系统相同速度在虚拟路面模型上行驶，虚拟模拟系统将虚拟车辆模 型遇到的行驶阻力信号输出给负载模拟系统，负载模拟系统为车辆驱动系统提供阻力；
[0018] B2:虚拟车辆模型在虚拟路面模型上行驶的过程中，当车速低于Ub或者电荷量SOC 低于SOCmin时，发动机启动提供动力，车辆驱动系统变为混合动力驱动模式；
[0019] B3:当电荷量SOC达到SOCmax时，发动机关闭，车辆驱动系统变为纯电动驱动模式。
[0020] 在本发明中，测试人员先将仿真车型的各个参数输入到虚拟模拟系统中，进而模 拟出虚拟车辆模型和虚拟车辆模型行驶的虚拟路面模型。同时车辆驱动系统作为实体进行 测试，在测试的同时将信号数据传递给虚拟模拟系统。另外在虚拟模拟系统中选择测试用 的虚拟路面模型，W及在虚拟车辆系统中模拟出虚拟路面模型上行驶过程中遇到的行驶阻 力，相当于汽车真实的道路上测试。而模拟的行驶阻力同时通过信号反馈给负载系统，由负 载系统为车辆驱动系统提供在虚拟车辆系统中实时遇到的相同阻力，同时车辆驱动系统又 将实体测试中的实时车速通过信号又传递给虚拟车辆模型，通过虚拟模拟系统进行实时分 析。
[0021] 最后通过模拟出一个驾驶实验周期，可W将得到发动机消耗的燃油量和电池组的 电荷量SOC变化转化的燃油量相加得到总的燃油消耗量Ls:
[0022] Ls = LE+nAS0C
[0023] 其中Le表示发动机燃油消耗量，n表示电荷量折算燃油量系数（由于是随SCX：非线 性变化的，具体参数需要根据电池型号查阅相关资料），A SOC表示电荷变化量。
[0024] 另外SOCmin和SOCmax表示剩余电荷量SOC的充放电区间，若SOCmax-SOCmin = O，则电池 组将频繁的充电与停止充电，发动机也将频繁启停，不利于电池组寿命和能量节省。因此， SOCmin和SOCmax两个值的大小可W使车辆驱动系统在驾驶实验周期中调教出相应的最佳燃 油经济状态。
[0025] 运样通过将计算机模拟、台架试验和实地道路=者相互关联在一起，同时进行测 试，相对于W前单独进行测试，再将测试数据结合的方式，不仅减小了环境因素的制约，同 时提高了测试的准确性。
[0026] 作为优化，步骤A2中行驶阻力F的计算方式为：
[0027]
[002引
[0029]
[0030]
[0031]
[0032]
[0033] 其中Ff表示轮胎滚动阻力，Fw表示汽车空气阻力，Fi表示汽车爬坡阻力，門表示汽 车加速度阻力，m表示汽车质量，f表示滚动阻力系数，Cd表示空气阻力系数，A表示迎风面 积，P表示空气密度，Un表示汽车行驶速度，a表示坡度，S表示汽车旋转质量换算系数，Un+l表 示下一时刻汽车行驶速度，Un表示当前汽车行驶速度，A t表示仿真步长，Ttg表示驱动力矩， i表示等效传动比，r表示车轮半径。
[0034] 车辆在行驶过程中，会受到不同的阻力，其中有来自轮胎的滚动阻力、空气阻力、 爬坡阻力和加速度阻力。另外车辆在不同时刻、不同路况和不同速度的情况下，受到的阻力 也不相同，通过实时的计算模拟，为虚拟车辆模型的行驶提供一个较为真实的模拟环境，使 其更接近实际道路测试，进一步提高了测试结果的准确性，为汽车的定型设计提供更好的 帮助。
[0035] 作为优化，当所述车辆驱动系统制动的时候，所述电机能够将制动力转换成电能 储存至所述电池组内。使整个混合动力汽车能量的回收模拟情况更接近真实值。
[0036] 作为优化，所述电机为汽车起动发电一体化电机。汽车起动发电一体化电机也可 W称为ISG电机，直接集成在发动机主轴上，就是直接W某种瞬态功率较大的电机替代传统 的启动电机，在起步阶段短时替代发动机驱动汽车，并同时起到启动发动机的作用，减少发 动机的怠速损耗和污染，正常行使时，发动机驱动车辆，该电机断开或者起到发电机的作 用，刹车时，该电机还可W起到再生发电，回收制动能量的节能效果。
[0037] 综上所述，本发明的有益效果在于:本发明通过将计算机模拟、台架试验和实地道 路=者相互关联在一起，同时进行测试，使测试更接近于真实情况;可W获得混合动力汽车 真实行驶参数相近的测量值，并且可W实时显示=维动态和实时数据输出，拓宽了测量范 围；另外发动机和电机混合输出后的力矩变化对汽车动力性的影响能够直接感受到，燃油 消耗量可W实时进行显示；同时利用本发明模拟车辆驾驶是在样车制造前，汽车可W根据 测试修改后的数据进行设计，能够降低汽车设计环节的整体自己投入，缩短汽车的设计时 间。
【附图说明】
[0038] 为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一 步的详细描述，其中：
[0039] 图1为现有混合动力测试流程；
[0040] 图2为本发明中车辆驱动系统驾驶汽车行驶示意图；
[0041 ]图3为本发明混合动力半实物仿真系统仿真原理示意图；
[0042] 图4为本发明混合动力串联型半实物仿真系统示意图；
【具体实施方式】
[0043] 下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
[0044] 如图2和图3所示，本【具体实施方式】中的混合动力汽车半实物仿真系统，包括虚拟 驾驶模拟装置和实体驾驶模拟装置，实体驾驶模拟装置包括车辆驱动系统和能够为车辆驱 动系统提供负载的负载模拟系统，车辆驱动系统包括发动机、发电机、电池组和电机，虚拟 驾驶模拟装置包括虚拟模拟系统W及与虚拟模拟系统连接的显示装置，虚拟模拟系统能够 模拟出虚拟车辆模型和虚拟车辆模型行驶的虚拟路面模型，虚拟驾驶模拟装置与实体驾驶 模拟装置电连接；
[0045] 混合动力汽车半实物仿真系统的实施步骤包括：
[0046] Al:将仿真车型的参数输入虚拟车辆模型中；
[0047] A2:根据测试要求选择虚拟路面模型，并模拟出虚拟车辆模型在虚拟路面模型上 行驶过程中遇到的行驶阻力F;
[004引A3:模拟出一个驾驶实验周期；
[0049] -个驾驶实验周期内，混合动力汽车半实物仿真系统的运行步骤为：
[0050] BI:车辆驱动系统启动，根据电池组的电荷量SOC作出判断：电荷量SOC大于充放电 阀值SOCmin时，执行Bll步骤;电荷量SOC小于充放电阀值SOCmin时，执行B12步骤；
[0051 ] Bll:发动机不启动，电机启动，同时车辆驱动系统将信号输出给虚拟车辆模型，虚 拟车辆模型W车辆驱动系统相同速度在虚拟路面模型上行驶，虚拟模拟系统将虚拟车辆模 型遇到的行驶阻力信号输出给负载模拟系统，负载模拟系统为车辆驱动系统提供阻力；
[0052] B12:电机不启动，发动机启动，同时车辆驱动系统将信号输出给虚拟车辆模型，虚 拟车辆模型W车辆驱动系统相同速度在虚拟路面模型上行驶，虚拟模拟系统将虚拟车辆模 型遇到的行驶阻力信号输出给负载模拟系统，负载模拟系统为车辆驱动系统提供阻力；
[0053] B2:虚拟车辆模型在虚拟路面模型上行驶的过程中，当车速低于Ub或者电荷量SOC 低于SOCmin时，发动机启动提供动力，车辆驱动系统变为混合动力驱动模式。
[0化4] B3 :当电荷量SOC达到SOCmax时，发动机关闭，车辆驱动系统变为纯电动驱动模式； [0055]本【具体实施方式】中，步骤A2中行驶阻力F的计算方式为：
[0化6] 5：F=Ff+Fw+Fi+Fj [00 日 7] 二 mf
[00日引
[00日9] Fi二m Sina
[0060]
[0061]
[0062] 其中Ff表示轮胎滚动阻力，Fw表示汽车空气阻力，Fi表示汽车爬坡阻力，門表示汽 车加速度阻力，m表示汽车质量，f表示滚动阻力系数，Cd表示空气阻力系数，A表示迎风面 积，P表示空气密度，Un表示汽车行驶速度，a表示坡度，S表示汽车旋转质量换算系数，Un+l表 示下一时刻汽车行驶速度，Un表示当前汽车行驶速度，A t表示仿真步长，Ttg表示驱动力矩， i表示等效传动比，r表示车轮半径。
[0063] 本【具体实施方式】中，当所述车辆驱动系统制动的时候，所述电机能够将制动力转 换成电能储存至所述电池组内。
[0064] 本【具体实施方式】中，所述电机为汽车起动发电一体化电机。
[0065] 在具体实施的过程中，虚拟模拟系统采用计算机进行处理，混合动力半实物仿真 系统控制搭建要求：
[0066] 计算机要求:1GW上内存，CPU主频1.6GHz W上，硬盘空余空间2G W上；
[0067] 显示器要求:最低支持1024*768分辨率，支持独立显卡。
[0068] 计算机虚拟真实系统要求：
[0069] 整个虚拟真实系统包括虚拟汽车=维模型，虚拟真实路面状况和模拟驾驶程序， 可W用VRML虚拟现实技术进行汽车和路面状况的设计。
[0070] 虚拟汽车包括可调节的基本物理量，可供选择的电机模型、发电机模型、电池组模 型和电机模型，可变化的匹配方式。道路模型除了基本的长度宽度，还要包括道路面不平 度。
[0071] 另外，车辆驱动系统还包括方向盘、离合器踏板、排挡杆、刹车踏板和油口踏板，驾 驶人员可W结合VR技术显示模拟汽车和道路环境，在虚拟的环境中驾驶，模拟操作驾驶人 员可W根据VR技术显示的路面状况和行驶车辆做出判断，通过油口踏板来控制汽车动力， 通过方向盘、离合器踏板、排挡杆和刹车踏板，使汽车加减速和改变方向。
[0072] 整个混合动力半实物仿真系统的控制原理是驾驶人员根据显示设备上的车速U和 期望车速Uq控制油口和离合器，计算机收到操作命令后经过软件计算出数字信号，传送给 SIMULINK模块计算出车辆运动参数，最后通过VR显示在显示屏上。计算机仿真时，由某时刻 模拟汽车的行驶速度Un得到汽车空气阻力Fw;由汽车质量m和轮胎滚动阻力系数f获得滚动 阻力Ff;由期望车速Uq和Un获得加速度阻力Fj ;由W和坡度a获得爬坡阻力Fi;
[0073] 如图4所示，矩形虚线指的车辆驱动系统包含的内容，楠圆虚线指的虚拟车辆模型 包含的类容，测试时由计算机模拟虚拟车辆模型和虚拟路面模型，由真实驾驶人员通过控 制车辆驱动系统运转，然后计算机使虚拟车辆模型在虚拟路面模型上行驶，行驶情况通过 显示装置动态输出。获得Ki(油口踏板信号）后计算机控制发动机和电机获取驱动力矩Ttg, 经过机算机仿真获得下一时刻车速Un+l。
[0074] 电池组接收发动机和制动器产生的能量并为电机提供能量，针对串联、并联和混 联有不同接法。发动机、电机电池都由对应的模拟控制器控制。驾驶人员踩下油口踏板或者 制动踏板，计算机根据踩踏踏板的深度获得模拟信号Ki或K2，经过A/D转换为数字信号，计算 机再根据模拟汽车速度U控制发动机的节气口开度C和运行电源控制策略，从而实现虚拟车 辆模型在虚拟路面模型上行驶。虚拟模拟系统能够模拟出虚拟车辆模型运行的加速度阻 力，空气阻力，滚动阻力，爬坡阻力W及路面状况，模拟出混合动力汽车在发动机，电机不同 匹配情况下的动力性和燃油经济性，进而更好的对汽车进行优化设计。
[0075]最后说明的是，W上实施例仅用W说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参 照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可 W在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明 的精神和范围。
【主权项】
1. 一种混合动力汽车半实物仿真系统，其特征在于:包括虚拟驾驶模拟装置和实体驾 驶模拟装置，实体驾驶模拟装置包括车辆驱动系统和能够为车辆驱动系统提供负载的负载 模拟系统，车辆驱动系统包括发动机、发电机、电池组和电机，虚拟驾驶模拟装置包括虚拟 模拟系统以及与虚拟模拟系统连接的显示装置，虚拟模拟系统能够模拟出虚拟车辆模型和 虚拟车辆模型行驶的虚拟路面模型，虚拟驾驶模拟装置与实体驾驶模拟装置电连接； 混合动力汽车半实物仿真系统的实施步骤包括： A1:将仿真车型的参数输入虚拟车辆模型中； A2:根据测试要求选择虚拟路面模型，并模拟出虚拟车辆模型在虚拟路面模型上行驶 过程中遇到的行驶阻力F; A3:模拟出一个驾驶实验周期； 一个驾驶实验周期内，混合动力汽车半实物仿真系统的运行步骤为： B1:车辆驱动系统启动，根据电池组的电荷量SOC作出判断：电荷量SOC大于充放电阀值 SOCmin时，执行Bl 1步骤;电荷量SOC小于充放电阀值SOCmin时，执行B12步骤； B11:发动机不启动，电机启动，同时车辆驱动系统将信号输出给虚拟车辆模型，虚拟车 辆模型以车辆驱动系统相同速度在虚拟路面模型上行驶，虚拟模拟系统将虚拟车辆模型遇 到的行驶阻力信号输出给负载模拟系统，负载模拟系统为车辆驱动系统提供阻力； B12:电机不启动，发动机启动，同时车辆驱动系统将信号输出给虚拟车辆模型，虚拟车 辆模型以车辆驱动系统相同速度在虚拟路面模型上行驶，虚拟模拟系统将虚拟车辆模型遇 到的行驶阻力信号输出给负载模拟系统，负载模拟系统为车辆驱动系统提供阻力； B2:虚拟车辆模型在虚拟路面模型上行驶的过程中，当车速低于ub或者电荷量SOC低于 SOCmin时，发动机启动提供动力，车辆驱动系统变为混合动力驱动模式。 B3:当电荷量S0C达到S0Cm』寸，发动机关闭，车辆驱动系统变为纯电动驱动模式。2. 根据权利要求1所述的混合动力汽车半实物仿真系统，其特征在于:步骤A2中行驶阻 力F的计算方式为：其中Ff表示轮胎滚动阻力，Fw表示汽车空气阻力，Fi表示汽车爬坡阻力，Fj表示汽车加速 度阻力，m表示汽车质量，f表示滚动阻力系数，Cd表示空气阻力系数，A表示迎风面积，P表示 空气密度，un表示汽车行驶速度，α表示坡度，δ表示汽车旋转质量换算系数， Un+1表示下一时 刻汽车行驶速度，un表示当前汽车行驶速度，At表示仿真步长，1^表示驱动力矩，i表示等 效传动比，r表示车轮半径。3. 根据权利要求1所述的混合动力汽车半实物仿真系统，其特征在于：当所述车辆驱动 系统制动的时候，所述电机能够将制动力转换成电能储存至所述电池组内。4.根据权利要求3所述的混合动力汽车半实物仿真系统，其特征在于:所述电机为汽车 起动发电一体化电机。
【文档编号】G01M17/007GK105954043SQ201610353536
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月25日
【发明人】罗勇, 赵雪, 曹玉峰, 程新, 龙克俊, 谢小洪, 阚英哲
【申请人】重庆理工大学