一种基于数字孪生的新能源汽车动力系统及其故障诊断方法

1.本发明属于新能源汽车技术领域，特别涉及到一种基于数字孪生的新能源汽车动力系统及其故障诊断方法。


背景技术：

2.随着环境和能源问题的日益突出，具有节能环保优势的新能源汽车获得了较大发展。新能源汽车作为一个更为复杂的机电耦合系统，其潜在的故障较传统燃油汽车而言更加复杂。而且现有技术的车用故障诊断系统主要是车载自动诊断系统，但是该技术面临诊断不全面、处理不及时等缺点，不能即时的有效解决新能源汽车爆发的各种故障问题，而且它并不能监控新能源汽车动力系统中电机、动力电池、动力耦合机构等关键部件的运行状态，满足不了汽车智能化趋势下新能源汽车的故障诊断需求。
3.数字孪生技术的发展为新能源汽车动力系统故障诊断提供了新思路，数字孪生技术在数字空间创建物理实体对象的仿真数字模型，通过物理实体对象的实时监测信息动态地更新数字模型，通过物理实体与数字孪生物理模型的数据交互完成故障诊断。


技术实现要素：

4.针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于数字孪生的新能源汽车动力系统及其故障诊断方法，以解决现有技术中难以实现新能源汽车动力系统具体部件故障诊断的问题。
5.为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种基于数字孪生的新能源汽车动力系统，包括：物理实体模块，数字孪生模块以及云平台，所述云平台分别与物理实体模块和数字孪生模块通过通信网络方式数据连接；所述物理实体模块包括新能源汽车动力系统物理实体以及各部件处传感器；所述数字孪生模块包括数字孪生物理模型以及数字孪生数据库；所述数字孪生物理模型包括新能源汽车动力系统各部件物理模型；所述云平台包含数据存储模块与数据分析模块；所述数据存储模块用于对新能源汽车动力系统物理实体和数字孪生物理模型的运行数据进行存储；所述数据分析模块则在获取物理实体模块的传感器数据与数字孪生模块对应数字孪生物理模型的运行数据后进行处理分析和故障诊断。
6.进一步，所述新能源汽车动力系统物理实体，包括混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车的动力系统；其中混合动力汽车动力系统包括串联式混合动力汽车动力系统、并联式混合动力汽车动力系统、功率分流式混合动力汽车动力系统；所述串联式混合动力汽车动力系统包括发动机、电机、离合器、电池；所述并联式混合动力汽车动力系统包括发动机、电机、变速器、离合器、电池；所述功率分流式混合动力汽车动力系统包括发动机、电机、电池、动力耦合机构，所述动力耦合机构包括行星齿轮机构、离合器、制动器；所述行星齿轮机构包括太阳轮、行星架、齿圈和行星轮；所述纯电动汽车动力系统包括电池、电机；所述燃料电池汽车动力系统包括燃料电池系统、电池、电机。
7.进一步，所述各部件处传感器包含若干不同功能的传感器，用于实时获取新能源
汽车动力系统物理实体中各部件的运行状态。
8.进一步，所述数字孪生物理模型，其中所有相关部件的物理模型为新能源汽车动力系统物理实体中对应部件的拟合模型；所述数字孪生数据库包括静态数据库、动态数据库、算法数据库。
9.进一步，所述静态数据库包括数字孪生物理模型运行中不发生改变的数据，包括新能源汽车动力系统物理实体中各部件的形状、尺寸及装配关系数据，各部件的性能参数；所述动态数据库包括数字孪生物理模型中各部件的性能退化数据和仿真数据；所述性能退化数据包括发动机的性能退化数据，各电机永磁体损耗数据及电机轴承磨损和退化数据，电池的容量衰减数据，以及动力耦合机构中包括行星排、离合器、制动器的性能退化数据；所述仿真数据包括数字孪生物理模型运行仿真产生的结果数据，包括发动机模型的转速、转矩，电机模型的转速、转矩，电池模型的状态、电流、电压，动力耦合机构模型各部件处的转速、转矩；算法数据库包括数字孪生物理模型建立和仿真分析过程涉及的各类算法数据。
10.进一步，所述云平台的数据存储模块存储每一时刻新能源汽车动力系统物理实体各部件的传感器数据以及数字孪生物理模型实现与物理实体相同操作后的仿真结果数据；云平台的数据分析模块的作用是获取数据存储模块中的数据进行处理分析。
11.进一步，为实现在正常运行时新能源汽车动力系统物理实体和数字孪生模块运行一致，需通过测试对数字孪生物理模型进行参数修正，使物理实体模块与数字孪生模块在同一操作下获取的各部件运行数据误差在合理的阈值内。
12.本发明的一种基于数字孪生的新能源汽车动力系统的故障诊断方法，包含以下步骤：
13.(1)根据新能源汽车动力系统物理实体的设计参数，构建数字孪生模块的初始物理模型，对应设置数字孪生物理模型的初始参数，并对数字孪生物理模型完成参数修正；
14.(2)在真实环境中运行新能源汽车动力系统，新能源汽车动力系统中各部件处设置的实时传感器获取相关数据后，将传感器数据参数化后传输至云平台并存储；(3)在数字孪生物理模型中执行与新能源汽车动力系统物理实体相同的仿真驾驶操作，采集数字孪生物理模型中与新能源汽车动力系统物理实体实时传感器数据对应的实时仿真数据，将上述动力学实时仿真数据参数化后传输至云平台并存储；(4)在云平台中对新能源汽车动力系统物理实体的实时传感器数据和数字孪生物理模型的实时仿真数据进行数据对比，计算两者各部件处传感器数据与仿真数据的偏差；将各部件处数据偏差与云平台中对各部件分别预设的故障阈值进行对比；各部件的故障阈值设置因部件特性而异。若某部件的故障偏差超过该部件的故障阈值则云平台发出对应部件的故障信号，否则判断新能源汽车动力系统当前无故障。
15.进一步，为保证故障诊断结果的有效性，若新能源汽车动力系统无故障，数字孪生物理模型定期根据云平台存储的数据和自身的数据库修正自身参数，更新自身模型；若诊断出新能源汽车动力系统故障，则在故障修复后校准数字孪生物理模型的参数，以确保无故障时新能源汽车动力系统物理实体和数字孪生物理模型运行一致。
16.本发明的有益效果：
17.本发明通过数字孪生技术生成新能源汽车数字孪生动力系统，利用数据驱动的方法，使无故障时新能源汽车动力系统数字孪生物理模型与物理实体运行一致，实现了新能
源汽车动力系统物理实体和新能源汽车动力系统数字孪生物理模型的数据的实时获取。
18.本发明中云平台结合数字孪生物理模型和物理实体获取的数据，设定相关阈值对新能源汽车动力系统各部件处获取的数据偏差进行判别，以此实现新能源汽车动力系统各部件处故障的精确诊断。
附图说明
19.图1为本发明新能源汽车动力系统故障诊断系统结构示意图；
20.图2为新能源汽车数字孪生物理模型参数修正原理图；
21.图3为本发明故障诊断方法原理图。
具体实施方式
22.为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
23.参照图1所示，本发明的基于数字孪生的新能源汽车动力系统，包括：物理实体模块，数字孪生模块以及云平台所述云平台分别与物理实体模块和数字孪生模块通过通信网络方式数据连接；
24.所述物理实体模块包括新能源汽车动力系统的物理实体以及各部件处的传感器；
25.所述数字孪生模块包括新能源汽车动力系统物理模型以及数字孪生数据库；
26.所述数字孪生物理模型包括新能源汽车动力系统各部件物理模型；
27.所述云平台包含数据存储模块与数据分析模块；
28.所述数据存储模块用于对新能源汽车动力传动系统物理实体和数字孪生物理模型的运行数据进行存储；所述数据分析模块则在获取物理实体模块的传感器数据与数字孪生模块对应物理模型的运行数据后进行处理分析和故障诊断。
29.所述物理实体模块中的新能源汽车动力系统物理实体，包括但不限于混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车的动力系统；
30.优选地，所述混合动力汽车动力系统包括串联式混合动力汽车动力系统、并联式混合动力汽车动力系统、功率分流式混合动力汽车动力系统；
31.进一步地，所述串联式混合动力汽车动力系统包括但不限于发动机、电机、离合器、电池；所述并联式混合动力汽车动力系统包括但不限于发动机、电机、变速器、离合器、电池；所述功率分流式混合动力汽车动力系统包括但不限于发动机、电机、电池、动力耦合机构，所述动力耦合机构包括行星齿轮机构、离合器、制动器；所述行星齿轮机构包括太阳轮、行星架、齿圈和行星轮；
32.优选地，所述纯电动汽车动力系统包括但不限于电池、电机；
33.优选地，所述燃料电池汽车动力系统包括但不限于燃料电池系统、电池、电机；
34.所述物理实体模块中的传感器模块包含若干不同功能的传感器，其作用为：实时获取新能源汽车动力系统物理实体中各部件的运行状态。
35.所述数字孪生模块中的新能源汽车动力系统的物理模型，其中所有相关部件的物理模型为新能源汽车动力系统物理实体中对应部件的拟合模型；所述数字孪生模块中的新能源汽车动力系统数字孪生数据库，包括静态数据库、动态数据库、算法数据库。
36.所述新能源汽车动力系统数字孪生静态数据库包括新能源汽车动力系统数字孪生物理模型运行中不发生改变的数据，包括但不限于新能源汽车动力系统数字孪生物理模型中各部件的形状、尺寸及装配关系数据，各部件的性能参数；所述新能源汽车动力系统数字孪生动态数据库包括数字孪生物理模型中各部件的性能退化数据和仿真数据；所述性能退化数据包括但不限于发动机的性能退化数据，各电机永磁体损耗数据及电机轴承磨损和退化数据，电池的容量衰减数据，以及动力耦合机构中包括但不限于行星排、离合器、制动器的性能退化数据；所述仿真数据包括数字孪生物理模型运行仿真产生的结果数据，包括但不限于：发动机模型的转速、转矩，电机模型的转速、转矩，电池模型的状态、电流、电压，动力耦合机构模型各部件处的转速、转矩；新能源汽车动力系统数字孪生算法数据库包括新能源汽车动力系统数字孪生物理模型建立和仿真分析过程涉及的各类算法数据。
37.所述云平台的数据存储模块存储每一时刻新能源汽车动力系统物理实体各部件的传感器数据以及新能源汽车动力系统数字孪生物理模型实现与物理实体相同操作后的仿真结果数据；所述云平台的数据分析模块的作用是获取数据存储模块中的数据进行处理分析。
38.参照图2所示，为实现在正常运行时新能源汽车动力系统的物理实体和数字孪生物理模型运行一致，需通过测试对新能源汽车动力系统数字孪生物理模型进行参数修正，使物理实体与数字孪生物理模型在同一操作下获取的各部件运行数据误差在合理的阈值内。
39.参照图3所示，本发明的一种基于数字孪生的新能源汽车动力系统故障诊断方法，基于上述系统，包含以下步骤：
40.(1)根据新能源汽车动力系统物理实体的设计参数，构建数字孪生模块的初始物理模型，对应设置数字孪生物理模型的初始参数，并对数字孪生物理模型完成参数修正；
41.(2)在真实环境中运行新能源汽车动力系统，新能源汽车动力系统中各部件处设置的实时传感器获取相关数据后，将传感器数据参数化后传输至云平台并存储；
42.(3)在数字孪生物理模型中执行与新能源汽车动力系统物理实体相同的仿真驾驶操作，采集数字孪生物理模型中与新能源汽车动力系统物理实体实时传感器数据对应的实时仿真数据，将上述动力学实时仿真数据参数化后传输至云平台并存储；
43.(4)在云平台中对新能源汽车动力系统物理实体的实时传感器数据和数字孪生物理模型的实时仿真数据进行数据对比，计算两者各部件处传感器数据与仿真数据的偏差；将各部件处数据偏差与云平台中对各部件分别预设的故障阈值进行对比；各部件的故障阈值设置因部件特性而异。若某部件的故障偏差超过该部件的故障阈值则云平台发出对应部件的故障信号，否则判断新能源汽车动力系统当前无故障。
44.进一步地，为保证故障诊断结果的有效性，若新能源汽车动力系统无故障，数字孪生物理模型定期根据云平台存储的数据和自身的数据库修正自身参数，更新自身模型；若诊断出新能源汽车动力系统故障，则在故障修复后校准数字孪生物理模型的参数，以确保无故障时新能源汽车动力系统物理实体和数字孪生物理模型运行一致。
45.本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。