電動(dòng)車增程器控制單元的硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周明珂，袁昌明

（中國(guó)計(jì)量學(xué)院 質(zhì)量與安全工程學(xué)院，浙江 杭州 310018）

在能源日趨緊張和環(huán)境污染日益嚴(yán)重的背景下，純電動(dòng)汽車是未來(lái)汽車行業(yè)的必然發(fā)展趨勢(shì).但是當(dāng)前電動(dòng)汽車的發(fā)展卻遭遇動(dòng)力電池的技術(shù)瓶頸，低能量密度和高昂的成本導(dǎo)致了設(shè)計(jì)者在續(xù)駛里程和成本之間難以取舍.而增程式電動(dòng)車（extended range electric vehicle，EREV）作為一種特殊的混合動(dòng)力汽車，介于傳統(tǒng)混合動(dòng)力車和純電動(dòng)汽車之間，既比傳統(tǒng)混合動(dòng)力更省油、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，同時(shí)又對(duì)電池的要求不高，比純電動(dòng)成本更低，開(kāi)始逐步出現(xiàn)在人們的視野之中.所謂增程式電動(dòng)車是指在純電動(dòng)汽車的基礎(chǔ)上追加增程器（range－extender，RE），通過(guò)增程器向車輛輸入額外的能量使純電動(dòng)車車主能夠免于經(jīng)常停車充電的一種電動(dòng)車［1］.增程器作為增程式電動(dòng)汽車的核心部件，已經(jīng)成為當(dāng)前新能源汽車的研究熱點(diǎn).

本文通過(guò)對(duì)增程器工作原理的分析，采用xPC Target仿真工具，研究開(kāi)發(fā)了增程器控制單元硬件在環(huán)仿真（hardware in the loop system，HILS）系統(tǒng)，以滿足控制單元設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)需求，完成控制單元的功能測(cè)試和控制策略優(yōu)化等工作.

1 增程器的工作原理及HILS系統(tǒng)方案

目前一般認(rèn)為增程器是一個(gè)小型的電機(jī)組，由發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、變頻器和控制系統(tǒng)組成.增程式電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1.

圖1 增程式電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Figure 1 EREV's powertrain structure chart

增程器的存在與否不影響整車的動(dòng)力電池以及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)性能.其存在只是為了進(jìn)一步提升純電動(dòng)汽車的續(xù)航里程，盡量避免電動(dòng)車頻繁地停車充電.

汽車行駛過(guò)程中，增程器的控制單元首先檢測(cè)駕駛員當(dāng)前選擇的是自動(dòng)起停模式或手動(dòng)起停模式.在自動(dòng)模式下，控制系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)到的整車狀態(tài)、工況及電池電量，自行啟動(dòng)和停機(jī)；在手動(dòng)模式下，則由駕駛員根據(jù)需要進(jìn)行手動(dòng)啟動(dòng)和停止.增程器在工作的時(shí)候，其控制系統(tǒng)要根據(jù)整車控制器（VMS）的指令進(jìn)入相應(yīng)的發(fā)電模式：恒壓模式、恒流模式和故障模式.同時(shí)，控制器通過(guò)監(jiān)測(cè)當(dāng)前的動(dòng)力電池狀態(tài)和當(dāng)前的發(fā)電機(jī)組的工作模式，向電機(jī)控制器（MCU）發(fā)出功率控制指令.增程器ECU的控制簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2.

圖2 增程器ECU的控制簡(jiǎn)圖Figure 2 Simplified control chart of the ECU of RE

所謂硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)是指將實(shí)際被控制對(duì)象（發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電和動(dòng)力電池等）用高速計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)運(yùn)行的仿真模型來(lái)替代，與控制單元實(shí)物通過(guò)信號(hào)接口系統(tǒng)連接成一個(gè)系統(tǒng)［2］.部分傳感器和執(zhí)行器采用實(shí)物.

本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的增程器ECU硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)基于MATLAB／xPC Target的“雙機(jī)仿真”模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)框圖如3.利用xPC Target工具將兩臺(tái)PC分別配置成主機(jī)跟目標(biāo)機(jī)，主機(jī)和目標(biāo)機(jī)之間采用TCP／IP協(xié)議通信，xPC目標(biāo)機(jī)作為實(shí)時(shí)PC運(yùn)行被控對(duì)象的仿真模型，為控制單元的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供一個(gè)虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，同時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡、CAN通訊卡與信號(hào)接口系統(tǒng)的連接，實(shí)現(xiàn)了控制單元硬件實(shí)物的物理信息與被控對(duì)象仿真模型的數(shù)字信息交換.信號(hào)接口系統(tǒng)（含信號(hào)測(cè)量板）對(duì)信號(hào)進(jìn)行電氣特性的匹配等處理；模擬負(fù)載裝置提供了控制器仿真過(guò)程中的一些負(fù)載模擬和實(shí)際器件如節(jié)氣門閥體、點(diǎn)火線圈等；監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)TCP／IP協(xié)議與xPC目標(biāo)機(jī)中的實(shí)時(shí)模型進(jìn)行交互，獲得仿真過(guò)程中全部信息，將操作者的控制指令傳遞給系統(tǒng)內(nèi)部.

圖3 增程器ECU硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)框圖Figure 3 Hardware in the loop system chart of the ECU of RE

2 HILS系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 HILS基礎(chǔ)平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)

HILS基礎(chǔ)平臺(tái)需要完成實(shí)時(shí)仿真模型產(chǎn)生的虛擬信號(hào)到真實(shí)信號(hào)的轉(zhuǎn)換，這些信號(hào)包含數(shù)字量的I／O信號(hào)，模擬量的D／A信號(hào)和CAN通訊信號(hào).比如增程器的啟動(dòng)開(kāi)關(guān)信號(hào)屬于數(shù)字信號(hào)，水溫信號(hào)屬于模擬信號(hào)，而控制器控制命令通過(guò)CAN總線進(jìn)行傳送.

HILS基礎(chǔ)平臺(tái)包括xPC主機(jī)、目標(biāo)機(jī)和相關(guān)PCI數(shù)據(jù)采集卡等.其中主機(jī)采用普通的筆記本電腦，目標(biāo)機(jī)采用凌華公司生產(chǎn)的工控機(jī)（CPU 為core 2Duo E7400，2.8GHz）.基礎(chǔ)平臺(tái)仿真的虛擬數(shù)字／模擬信號(hào)通過(guò)PCI數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)與真實(shí)世界的交換.xPC Target工具箱提供豐富的第三方PCI數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，可以直接用于仿真.本系統(tǒng)中采用凌華公司的PCI－6216（DA，DIO）、PCI－7200（DIO）和 PCI－7841（CAN）并不具有xPC Target環(huán)境下的設(shè)備驅(qū)動(dòng)，因此需要采用MATLAB／Simulink環(huán)境下的S函數(shù)進(jìn)行編寫(xiě)和集成［3－4］.整個(gè) HILS系統(tǒng)具備36路數(shù)字信號(hào)輸入／輸出、16路模擬量輸出；同時(shí)支持CAN2.0A／B通訊協(xié)議.

2.2 信號(hào)接口系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

信號(hào)接口系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)工作有兩個(gè)方面：根據(jù)控制單元的接口定義，對(duì)基礎(chǔ)平臺(tái)的板卡端口資源進(jìn)行規(guī)劃配置，明確輸入輸出信號(hào)的類型及電氣特性，部分信號(hào)類型及板卡端口配置見(jiàn)表1；通用型的HILS系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)接口板和調(diào)理電路的設(shè)計(jì)，使HILS系統(tǒng)能夠滿足實(shí)際控制單元的電氣特性要求.

表1 部分信號(hào)類型及板卡端口配置Table 1 Part of the signals'type and port configuration of the card

接口系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求是靈活、可靠，便于系統(tǒng)擴(kuò)展，同時(shí)要方便系統(tǒng)調(diào)試.在設(shè)計(jì)過(guò)程中，將整個(gè)信號(hào)接口系統(tǒng)分成6個(gè)模塊：信號(hào)轉(zhuǎn)接模塊、ECU模擬量輸入調(diào)理模塊、ECU開(kāi)關(guān)量輸入調(diào)理模塊、轉(zhuǎn)速信號(hào)調(diào)理板（具備霍爾和磁電兩種類型的曲軸傳感器信號(hào)）、ECU輸出信號(hào)調(diào)理模塊和電源供電調(diào)理模塊.電源供電調(diào)理模塊為各模塊提供電源供給，其他模塊則完成相應(yīng)信號(hào)的調(diào)理、匹配功能.用戶可以根據(jù)需求隨時(shí)增加或者卸除各模塊和板卡，以滿足不同的仿真測(cè)試需求.

2.3 模擬負(fù)載裝置硬件設(shè)計(jì)

由于控制單元實(shí)物實(shí)際的工作中的負(fù)載多是低邊驅(qū)動(dòng)的開(kāi)關(guān)負(fù)載和電機(jī)類負(fù)載，比如節(jié)氣門電機(jī)等.模擬負(fù)載根據(jù)負(fù)載特性共有3種形式：電阻＋電感、電阻和繼電器.

模擬負(fù)載設(shè)計(jì)僅考慮對(duì)控制單元的功能進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)負(fù)載輸出均采用LED顯示作為反饋.對(duì)一些典型負(fù)載如點(diǎn)火線圈、電子節(jié)氣門等，會(huì)在模擬負(fù)載的電路設(shè)計(jì)時(shí)，添加負(fù)載選擇開(kāi)關(guān)及真實(shí)負(fù)載的接口，以方便進(jìn)行控制器的性能測(cè)試.

3 HILS系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

HILS系統(tǒng)的軟件部分主要包括增程器的實(shí)時(shí)仿真模型和監(jiān)控系統(tǒng)軟件.

3.1 增程器系統(tǒng)的實(shí)時(shí)模型

應(yīng)用 MATLAB／Simulink建立增程器的實(shí)時(shí)仿真模型.根據(jù)增程器的組成結(jié)構(gòu)，增程器仿真模型分為：發(fā)動(dòng)機(jī)模型、發(fā)電機(jī)＋變頻器模型和動(dòng)力電池等子模型.建立的增程器模型如圖4所示.本文主要采用實(shí)驗(yàn)建模為主，理論建模為輔助的混合建模方法.

在增程器的工作過(guò)程，發(fā)動(dòng)機(jī)控制的目的是盡可能地讓其工作于高效區(qū)，因此只需關(guān)心發(fā)動(dòng)機(jī)模型的輸入和輸出，對(duì)其內(nèi)部過(guò)程可以盡可能的簡(jiǎn)化.對(duì)于汽油機(jī)來(lái)講，外部控制變量主要是節(jié)氣門開(kāi)度，因此發(fā)動(dòng)機(jī)的建模的主要工作是是建立節(jié)氣門開(kāi)度、轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩特性關(guān)系的模型，以及發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗模型.以SQR372發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到曲線方程為公式（1）和動(dòng)力學(xué)方程分別公式（2）、（3）：

式中，T0為穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩；T1是修正輸出轉(zhuǎn)矩；T1（t）是發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩，j是發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；w為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸的角速度；θ為節(jié)氣門開(kāi)度；n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速.

圖4 增程器系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真模型Figure 4 Real－time simulation model of RE

另外，發(fā)動(dòng)機(jī)在冷啟動(dòng)時(shí)油耗要高于發(fā)動(dòng)機(jī)熱機(jī)工作時(shí)的油耗，為此引入溫度修正，采用文獻(xiàn)［5］提供的經(jīng)驗(yàn)公式：

式中，cold表示發(fā)動(dòng)機(jī)冷機(jī)油耗；hot表示發(fā)動(dòng)機(jī)熱機(jī)的油耗，這都可以通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)性能臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)定.t是發(fā)動(dòng)機(jī)冷水溫度，c和e都是常量系數(shù).

發(fā)電機(jī)模型采用永磁同步交流電機(jī)，與發(fā)動(dòng)機(jī)模型一樣，根據(jù)性能試驗(yàn)得到擬合公式及發(fā)電機(jī)動(dòng)力學(xué)方程，建立發(fā)電機(jī)模型.

式中，U為發(fā)電機(jī)電壓；I為發(fā)電機(jī)電流；j為旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Te為電磁轉(zhuǎn)矩；Tl為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩.

動(dòng)力電池模型采用了文獻(xiàn)［6］的內(nèi)阻模型，電池的內(nèi)阻模型分為兩部分：電氣模型和熱模型，電器模型由電壓源和電阻組成.電池內(nèi)阻R是SOC、溫度和電流方向（充電或者放電）的函數(shù)，按下時(shí)求得：

電池開(kāi)路電壓U 是SOC和溫度的函數(shù)，按下式求得：

電池的充放電內(nèi)阻和SOC、溫度的關(guān)系以及電池開(kāi)路電壓和SOC、溫度的關(guān)系都是根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立的查表關(guān)系.

電池SOC計(jì)算公式：

其中SOCinit是初始SOC；Cn是電池額定容量.電池的熱模型用于模擬電池的溫升，計(jì)算電池的溫度T.溫度平衡方程

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控軟件基于xPC Target API for.NET Framework用C＃語(yǔ)言自行開(kāi)發(fā)，該監(jiān)控軟件與目標(biāo)機(jī)的xPC實(shí)時(shí)內(nèi)核進(jìn)行通訊和對(duì)實(shí)時(shí)程序的監(jiān)控［7］.為增程器ECU硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)提供友好的人際交互界面，使研究人員能對(duì)仿真測(cè)試過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控與干預(yù).同時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)還具有實(shí)時(shí)顯示、在線調(diào)整參數(shù)和數(shù)據(jù)記錄等功能.其主監(jiān)控界面如圖5.

圖5 HILS系統(tǒng)主監(jiān)控界面Figure 5 HILS system monitoring software

4 HILS系統(tǒng)的試驗(yàn)運(yùn)行

開(kāi)發(fā)完成后的增程器ECU硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)除了可以進(jìn)行復(fù)雜的硬件接口電路測(cè)試，最重要的是對(duì)增程器ECU的控制策略和能量管理算法的驗(yàn)證和測(cè)試；還能進(jìn)行增程器ECU的故障模擬與研究.

圖6為動(dòng)力電池SOC變化的情況，SOC的仿真初值為0.7，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)SOC處于0.4～0.7區(qū)間時(shí)，采用功率跟隨的控制策略.由圖7可知，同時(shí)當(dāng)SOC低于0.6時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，滿足整車運(yùn)行功率需求的同時(shí)，為動(dòng)力電池充電.顯然動(dòng)力電池以及發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)與期望一致，滿足增程器的性能控制要求.

增程器ECU硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的應(yīng)用說(shuō)明該系統(tǒng)的研發(fā)是成功的.

圖6 動(dòng)力電池SOC變化曲線Figure 6 SOC variation curve of the battery

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率Figure 7 Output power of the engine

5 結(jié) 語(yǔ)

利用MATLAB／xPC Target的“雙機(jī)模式”從基礎(chǔ)平臺(tái)、信號(hào)接口系統(tǒng)、模擬負(fù)載設(shè)計(jì)和監(jiān)控軟件等方面成功的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了增程器控制單元的硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)，并搭建了增程器的實(shí)時(shí)仿真模型.為增程器控制單元的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供了便利條件，同時(shí)也為系統(tǒng)功能的全面測(cè)試工作提供了高效平臺(tái)，為控制系統(tǒng)的參數(shù)匹配和控制策略優(yōu)化提供良好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái).這縮短了ECU的開(kāi)發(fā)周期，降低了研發(fā)成本.

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