一种机电复合传动系统虚实融合试验装置及其方法

本发明提供一种机电复合传动系统虚实融合试验装置及其方法，属于机电智能控制。

背景技术：

1、机电复合传动系统作为融合发动机、电机、电池及机械传动装置的先进动力传递形式，是车辆实现节能降耗、动力优化和智能控制的重要发展方向。机电复合传动系统广泛存在于混合动力车辆、特种车辆、工程车辆及相关电驱动装备中，其运行工况复杂、动力需求大、可靠性要求高。因此，开展车辆机电复合传动系统相关技术研究，对于提升车辆动力性、经济性与环境适应性，推动重型装备绿色化、智能化转型具有重要意义。

2、在进行机电复合传动系统试验时，传统做法通常依赖真实台架或整车道路试验。真实台架能够反映物理系统的实际动态特性，但台架搭建成本高，试验风险高，尤其是在高转速高转矩、突加负载、急加速、急制动、制动能量回收、低soc大功率放电、高soc 大功率回馈、换挡瞬态冲击、低温冷启动、高温连续运行以及通信异常等极端工况下，真实台架容易出现传动轴扭振、齿轮冲击、联轴器松动、轴承过热、离合器滑摩过热、母线电压波动、电机过流、dcdc保护、电池或超级电容过压过流以及控制器失稳等问题，严重时会造成台架保护停机或设备损伤。直接在真实台架上频繁开展极端工况试验存在较高设备风险和安全风险，并且部分关键内部状态难以直接测量，例如离合器接合状态、传动系统内部载荷、齿轮啮合冲击、轴系扭振、电池内部状态、等效机械损失和换挡瞬态过程中的同步状态等。另一方面，纯仿真模型或离线仿真方法能够方便地观察系统内部变量并扩展工况范围，但其模型参数、边界条件和动态响应往往与真实台架存在偏差，尤其是在大功率瞬态、换挡过程、能量流快速变化和温度变化等情况下，虚拟模型容易出现与真实系统不一致的问题。

技术实现思路

1、为解决上述问题，提高机电复合传动系统试验的安全性、覆盖性、可观测性和模型可信度。本发明提出一种机电复合传动系统虚实融合试验装置及其方法。该方法面向真实台架搭建成本高，极端工况试验风险较高、纯仿真模型或离线仿真方法的模型参数、边界条件和动态响应与真实台架存在偏差、机电复合传动系统真实台架与虚拟模型之间难以同步运行、实测数据难以在线修正虚拟模型、真实台架内部状态难以直接观测等问题。

2、机电复合传动系统虚实融合试验装置，包括真实机电复合传动系统台架层和虚拟模型仿真试验层两个部分。

3、其中，真实机电复合传动系统台架层包括上位机、工控机、机电复合传动真实台架、传感器与数据采集模块、通信与时间同步模块。上位机具备配置工况、管理流程、显示和记录结果功能。工控机具备真实机电复合传动台架和虚拟机电复合传动模型控制功能，基于上位机给出的预设工况信号生成执行指令。机电复合传动真实台架提供真实物理运行过程的功能，包括发动机，发电机，动力电池或超级电容，dcdc，驱动电机，负载电机等，基于工控机给出的执行指令运行。传感器与数据采集模块具备采集真实台架的实测运行数据和初始或预运行数据的能力，并将台架状态反馈给工控机。通信与时间同步模块负责上位机、工控机、真实台架和实时仿真机之间传输数据，并对实测运行数据、虚拟运行数据和执行指令进行统一时间基准下的时间戳标记、延迟补偿、重采样和同步对齐。

4、虚拟模型仿真试验层为实时仿真机，包括虚拟机电复合传动模型、虚拟模型校正模块以及软传感器或内部状态观测模块等三个模块。虚拟机电复合传动模型包括发动机模型、发电机模型、驱动电机模型、电机控制模型、电池模型、超级电容模型、dcdc模型、变速器模型、离合器模型、换挡执行机构模型、机械负载模型、电气负载模型、道路负载模型、驾驶员模型和机械损失模型，做为真实机电复合传动系统的数字孪生。虚拟模型校正模块具备比较虚实数据并生成校正结果的能力，基于同步实测运行数据、虚拟运行数据生成融合修正信息。软传感器或内部状态观测模块具备估算难以直接测量的内部状态的功能，基于修正后的虚拟模型状态、实测数据输出内部观测量。

5、机电复合传动系统虚实融合试验方法，包括以下步骤：

6、首先，在试验开始前，通过传感器与数据采集模块采集机电复合传动真实台架的初始状态数据。所述初始状态数据包括电机初始转速、输入轴转速、输出轴转速、母线电压、电池电流、电池 soc、超级电容电压、dcdc 工作状态、油温、离合器状态和换挡执行机构位置中的一种或多种。

7、将所述初始状态数据通过通信与时间同步模块发送至实时仿真机中的虚拟机电复合传动模型，虚拟机电复合传动模型根据所述初始状态数据进行模型初始化，使虚拟模型与机电复合传动真实台架处于一致或接近一致的初始运行状态。

8、试验开始时，在上位机输入预设工况，工控机根据上位机下发的预设试验工况生成执行指令，并将所述执行指令发送至机电复合传动真实台架，同时将对应的同步执行指令发送至虚拟机电复合传动模型，使真实台架和虚拟模型在相同试验工况下并行运行。

9、在真实台架运行过程中，传感器与数据采集模块实时采集机电复合传动真实台架的实测运行数据，并将台架状态反馈至工控机，同时将实测运行数据发送至通信与时间同步模块。所述实测运行数据包括驱动电机转速、负载电机转速、输入轴转速、输出轴转速、输入转矩、输出转矩、母线电压、电机电流、电池电流、电池 soc、超级电容电压、dcdc 工作状态、油温、离合器状态和换挡执行机构位置中的一种或多种。

10、通信与时间同步模块将真实台架实测运行数据与虚拟机电复合传动模型输出的虚拟运行数据进行通信传输、时间戳标记、数据缓存、采样周期匹配、延迟补偿和同步对齐，得到统一时间基准下的虚实同步数据。

11、虚拟模型校正模块接收统一时间基准下的实测运行数据和虚拟运行数据，计算真实台架与虚拟模型之间的运行偏差，并根据所述运行偏差生成融合修正信息。

12、所述融合修正信息反馈至虚拟机电复合传动模型，用于修正虚拟模型的模型参数、边界条件或状态变量。

13、软传感器或内部状态观测模块基于修正后的虚拟机电复合传动模型，对机电复合传动真实台架中难以直接测量的内部状态进行估计，生成内部观测量，并将所述内部观测量上传至上位机进行显示、记录和分析。

14、本发明具有的技术效果：

15、1. 本发明设计了一种真实台架和虚拟模型结合的试验方法，可以实现实测运行数据和虚拟运行数据的比对，并将融合修正信息反馈给虚拟机电复合传动模型，能够提高虚拟模型与真实台架之间的一致性。

16、2. 本发明设计了一种虚拟模型内部状态观测方法，能够解决纯实物台架内部状态难以观测的问题，同时减少物理传感器的使用数量，降低试验成本。

17、3. 本发明设计一种虚拟机电传动系统仿真模型，能够减少极端工况和故障工况直接作用于真实台架的次数，降低试验风险和试验成本，同时扩大机电复合传动系统试验工况覆盖范围率。

1.机电复合传动系统虚实融合试验装置，其特征在于，包括真实机电复合传动系统台架层和虚拟模型仿真试验层两个部分；

2.根据权利要求1所述的机电复合传动系统虚实融合试验装置，其特征在于，所述的机电复合传动真实台架包括发动机，发电机，动力电池或超级电容，dcdc，驱动电机，负载电机。

3.根据权利要求1所述的机电复合传动系统虚实融合试验装置，其特征在于，所述的虚拟机电复合传动模型包括发动机模型、发电机模型、驱动电机模型、电机控制模型、电池模型、超级电容模型、dcdc模型、变速器模型、离合器模型、换挡执行机构模型、机械负载模型、电气负载模型、道路负载模型、驾驶员模型和机械损失模型。

4.机电复合传动系统虚实融合试验方法，其特征在于，采用权利要求1到3任一项所述的机电复合传动系统虚实融合试验装置，所述的方法包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的机电复合传动系统虚实融合试验方法，其特征在于，所述初始状态数据包括电机初始转速、输入轴转速、输出轴转速、母线电压、电池电流、电池 soc、超级电容电压、dcdc 工作状态、油温、离合器状态和换挡执行机构位置中的一种或多种。

6.根据权利要求4所述的机电复合传动系统虚实融合试验方法，其特征在于，所述实测运行数据包括驱动电机转速、负载电机转速、输入轴转速、输出轴转速、输入转矩、输出转矩、母线电压、电机电流、电池电流、电池 soc、超级电容电压、dcdc 工作状态、油温、离合器状态和换挡执行机构位置中的一种或多种。