AFS硬件在環(huán)測試平臺開發(fā)

文健康，唐善政，2

（1.上海內燃機研究所，上海 200438；2.上汽集團商用車技術中心項目管理部，上海 200438）

AFS硬件在環(huán)測試平臺開發(fā)

文健康1，唐善政1，2

（1.上海內燃機研究所，上海 200438；2.上汽集團商用車技術中心項目管理部，上海 200438）

分析AFS ECU測試需求，建立了硬件在環(huán)測試平臺的總體架構；采用PXI技術路線搭建了系統(tǒng)硬件，基于Veristand環(huán)境開發(fā)了系統(tǒng)軟件，最終對硬件在環(huán)測試平臺進行集成；針對AFS的上下調光功能和左右調光功能分別設計了測試激勵。測試結果表明：該平臺具有良好的AFS硬件在環(huán)仿真功能，能在滿足測試精度和實時性要求的基礎上，實現(xiàn)對AFS控制器的測試。

自適應前照燈系統(tǒng)；硬件在環(huán)；Veristand；測試激勵

汽車前照燈能夠改善駕駛視野，尤其是在沒有光線的夜間和惡劣環(huán)境下，對汽車行車安全十分重要。傳統(tǒng)的汽車前照燈系統(tǒng)的照射角度都是固定的，當汽車高速行駛或者汽車轉彎時，由于光束無法調節(jié)，導致存在照明死區(qū)，進而影響行車安全。汽車自適應前照燈照明系統(tǒng)（Adaptive Front-lighting System，簡稱AFS）是一種智能燈光調節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠通過感知駕駛員操作、車輛行駛狀態(tài)、路面變化以及天氣環(huán)境等信息，自動調節(jié)光束的照射角度，為駕駛員提供最佳道路照明效果，提高汽車的主動安全性［1］。自適應前照燈系統(tǒng)的優(yōu)點主要體現(xiàn)在3個方面：增強視野、提高舒適性和減少對會車駕駛員、行人的影響。

硬件在環(huán)（Hardware-In-The-Loop，簡稱HIL）仿真技術就是實際控制器與虛擬對象相結合，以實時處理器模擬ECU運行的各種工況，然后通過I／O接口與被測的ECU連接，實現(xiàn)對被測ECU進行全方位的、系統(tǒng)的測試［2］。它能很好地解決目前AFS從軟硬件設計、系統(tǒng)開發(fā)、實車試驗到ECU定型過程中的測試工作，能在節(jié)省大量的人力和資源、縮短開發(fā)周期的同時，最大程度地保證開發(fā)出AFS軟件的品質，提升AFS的市場競爭力并降低汽車廠的風險。

目前國內對智能車燈控制器的硬件在環(huán)測試系統(tǒng)已有相關研究，主要是基于汽車駕駛模擬器搭建的AFS硬件在環(huán)仿真平臺，用于檢驗和修正AFS系統(tǒng)的控制算法［3-4］。本文基于NI PXI硬件和NI-Labview、Veristand測試軟件，搭建了自適應前照燈ECU硬件在環(huán)測試平臺，用于國內某款乘用車的自適應前照燈系統(tǒng)的開發(fā)和測試。

1 臺架方案設計

1.1AFS控制器的工作原理

本文所涉及的AFS采取同時具備車輛前照燈隨動轉向功能及車輛前照燈俯仰調節(jié)功能的方案，系統(tǒng)結構如圖1所示。AFS ECU通過整車線束獲取電源；通過整車高速CAN總線獲取控制所需的發(fā)動機狀態(tài)、點火鑰匙狀態(tài)、前照燈狀態(tài)、車速、轉向盤轉角等整車信號；通過采集前／后高度傳感器信號感知俯仰姿態(tài)，進而控制集成在車輛前照燈總成內的左／右調光電動機，實現(xiàn)前照燈主動調節(jié)功能。

圖1 AFS系統(tǒng)結構圖

1.2系統(tǒng)的總體設計方案

根據(jù)AFS控制器的工作原理，測試臺架應在滿足實時性的條件下，為AFS ECU提供正常工作所需的KL15電、KL30電、搭鐵以及相關的整車信號，并且采集AFS ECU發(fā)出的控制信號，并轉化為前照燈調光角度。針對測試需求開發(fā)了一套包括PC上位機操作界面、監(jiān)控界面、NI PXI實時控制模塊、待測控制器的AFS HIL測試平臺，其總結構示意圖如圖2所示。其中NI PXI實時控制模塊是HIL測試系統(tǒng)的核心，負責完成發(fā)動機Simulink模型運行、模擬激勵信號和測試輸出信號等重要任務，為了能夠精確地仿真出測試臺架中虛擬部分，NI PXI實時控制模塊需要有足夠高的實時性。待測AFS ECU上運行自適應前照燈系統(tǒng)控制算法，獲取由NI PXI實時控制模塊中各硬件板卡模擬或采集到的各模型運行參數(shù)信號，經(jīng)相關計算得到并輸出控制信號。操作界面為通過NI Veristand實時測試軟件集成的開關按鈕、數(shù)字顯示、曲線顯示等控件，通過映射板卡通道和模擬變量的圖形化界面，用以實現(xiàn)創(chuàng)建測試激勵、輸入測試命令、顯示動態(tài)參數(shù)等功能。監(jiān)控界面通過AFS ECU的各輸入信號和輸出的控制信號來監(jiān)控自適應前照燈系統(tǒng)的工作狀態(tài)，如AFS OFF指示燈、左／右調光電動機的動作等。

圖2 AFS HIL臺架總體結構

2 軟硬件系統(tǒng)的開發(fā)

2.1硬件系統(tǒng)設計與選擇

綜合性能和成本等因素考慮，選擇NI公司的PXI技術路線來設計該硬件在環(huán)測試平臺。選用NI PXIe-7962R機箱、NI PXI-8110控制器、PXI-6224模擬輸出卡、PXI-7813數(shù)據(jù)采集卡和PXI-8512雙端口CAN接口卡。NI PXI-8110控制器是高性能嵌入式實時操作控制器，能夠保證模型的實時運行，借助NI PXIe-7962R多功能RIO模塊提供的可編程FPGA芯片和Labview軟件中的FPGA模塊，可配置實時性較高的各項數(shù)字和模擬信號，如前／后高度傳感器PWM信號、轉向盤轉角信號和點火鑰匙狀態(tài)信號等；PXI-6224模擬輸出卡負責動力學模型模擬信號的輸出，如車速信號和側傾角信號；PXI-7813數(shù)據(jù)采集卡負責采集AFS ECU輸出的控制信號；PXI-8512雙端口CAN接口卡能夠直接將車輛的CAN信號數(shù)據(jù)庫或自定義CAN信號導入至上位機中，以實現(xiàn)AFS ECU與上位機的CAN通信。

2.2軟件系統(tǒng)選擇與設計

2.2.1下位機軟件

車輛動力學模型是整個HIL測試臺架的軟件基礎，借助MATLAB／Simulink建立了國內某乘用車的車輛動力學模型。該車輛動力學模型包括發(fā)動機模型、車速模型、轉彎模型和汽車懸架系統(tǒng)模型。其中汽車懸架系統(tǒng)模型采用簡化為7自由度的動力學模型，假設車身為剛體，汽車在勻速直線行駛時，車身具有垂直振動、前后俯仰、左右側傾3個自由度，4個車輪考慮垂直振動自由度；車速模型以目標汽車速度為主要輸入量，在調整離合／制動／油門踏板行程和擋位等信號之間關系的基礎上，以汽車實時速度為輸出量的模型；轉彎模型主要模擬出車輛轉彎時的側傾運動，將模擬出的側傾角信號輸出給AFS ECU。利用Veristand Sever編譯上述模型，導出.DLL文件然后添加到Veristand。

2.2.2操作界面與監(jiān)控界面軟件

Workplace是Veristand提供的用于建立操作界面的軟件，通過Workplace可以將模型變量和板卡硬件通道之間建立映射，實現(xiàn)通道變量的設置和監(jiān)控，從而控制和監(jiān)控AFS HIL臺架的測試過程［5］。

根據(jù)測試需要，建立了前／后高度傳感器PWM波信號、目標車速信號、轉向盤轉角信號、點火鑰匙等操作按鈕控件，AFS ECU從臺架中獲取的相關信號的數(shù)字顯示控件和關鍵參數(shù)的曲線顯示控件，以及激勵編輯器，組成了操作界面。其中激勵編輯器用于創(chuàng)建測試腳本，以實現(xiàn)路譜的導入和調用。

監(jiān)控界面用來監(jiān)控AFS系統(tǒng)在臺架上的運行狀態(tài)，如AFS ECU輸入信號、AFS OFF使能狀態(tài)以及左右前照燈的調光信號，能夠實時顯示參數(shù)并且記錄數(shù)據(jù)，如圖3所示。

3 AFS HIL測試臺架測試研究

將上位機、PXI實時控制模塊、待測AFS ECU、供電電源通過I／O接口、CAN通信接口和線束連接，確保各信號能準確、穩(wěn)定地在各部件之間傳輸，完成對AFS HIL測試臺架的集成。搭建測試臺架的目的是為了在試驗室條件下檢測AFS的控制策略。本文將針對AFS的上下調光和左右調光分別設計測試激勵，并分析測試結果。

圖3 上位機監(jiān)控界面

3.1上下調光功能測試

以急加減速工況測試為例，對上下調光功能進行測試。初始化NI Veristand工程，將點火開關從OFF擋打到START擋再打到ON擋，模擬點火上電信號；初始車速設為0，將油門踏板控件調到1，下位機接收到指令后，會運行其上的動力學模型，計算出實時車速，當車速達到60km／h時將油門踏板控件調回0，將制動踏板控件調到1，直至實時車速降到0。得到前照燈上下調光角度測試結果，如圖4所示。

圖4 急加減速工況上下調光角度

由圖4可知，實時車速的變化與操作界面進行的操作基本一致，最高車速大于60km／h是由于人工操作無法保證參數(shù)精度，但對測試無影響。隨著車速的迅速增速和急劇減小，AFS系統(tǒng)會判斷加速度和減速度的大小階躍，調節(jié)車燈上下調光角度（這里正值代表車燈向上調節(jié)，負值代表車燈向下調節(jié)）。當加速度變化量超過一定數(shù)值時，上下調光角度才會產(chǎn)生變化，所以調光角度為階躍調節(jié)，并且加／減速度越大時調光角度越大，向上調節(jié)的最大值為0.6°，向下調節(jié)的最大值為0.9°。

3.2左右調光功能測試

AFS左右調光功能是ECU根據(jù)轉向盤轉角信號和側傾角，計算出左右調光角度，控制左右步進電動機執(zhí)行動作。左右調光功能測試條件為電源點火開關在ON擋，目標車速設置為50 km／h，前／后高度傳感器PWM值設置為0.52，轉向盤轉角初始為0，4 s時階躍為-50°，8s時階躍為-150°，12s時階躍為50°，16s時階躍為150°。得到左／右車燈左右方向調光角度測試結果，如圖5所示。

圖5 左右車燈隨動調光角度

由圖5可知，隨著轉向盤轉角從0、-50°、-150°、50°和150°之間階躍變化時，左車燈調光角度相應隨動0、-5.1°、-13.8°、2.4°、6.0°，右車燈調光角度相應隨動0、-2.5°、-5.9°、5.1°、13.9°（這里負值表示車燈向左調節(jié)，正值表示車燈向右調節(jié)）。

4 結論

為了加快AFS的開發(fā)速度，保證AFS系統(tǒng)測試的可靠性以及產(chǎn)品的品質，開發(fā)了基于Veristand軟件的AFS硬件在環(huán)測試臺架，并運用所開發(fā)測試臺架進行了仿真試驗。仿真結果表明：該臺架能提供AFS ECU正常調光工作所需的信號，同時能采集ECU輸出的控制信號并轉化為模擬前照燈調光信號，在滿足測試所要求的精度和實時性的同時，實現(xiàn)對待測AFS控制器仿真測試，達到了預期的目的，為AFS系統(tǒng)的開發(fā)奠定了必要的基礎。

本測試臺架目前只能通過人工調參或調用回放路譜，而無法進行自動化測試。下一階段，本研究將根據(jù)待測AFS ECU的測試需求編寫測試用例，實現(xiàn)自動化測試，為全面檢測ECU在各個工況下的控制策略奠定基礎。

［1］左萃．汽車智能前大燈系統(tǒng)（AFS）控制策略及仿真研究［D］．長沙：長沙理工大學，2012．

［2］王偉達，丁能根，鄒紅明，等．汽車ASR系統(tǒng)控制算法及硬件在環(huán)仿真研究［J］．汽車工程，2009，31（11）：1042-1048．

［3］雷玲．智能車燈控制器的硬件在環(huán)測試系統(tǒng)研制［D］．武漢：武漢理工大學，2009．

［4］林國余，王東，姚平．一種用于AFS的半實物仿真平臺［J］．計算機系統(tǒng)應用，2011，20（9）：43-47．

［5］戎輝，張明路，張曉?。赩eristand的硬件在環(huán)測試系統(tǒng)設計［J］．科學技術與工程，2016，16（8）：167-170．

（編輯 心翔）

新的界面架構能使高能固態(tài)鋰電池具有長的循環(huán)壽命

由中國寧波材料技術和工程學院領導的一個團隊已經(jīng)開發(fā)出超穩(wěn)定全固態(tài)鋰電池（421mAh／g,在1.27mA／cm2，1000次循環(huán)后），具有360Wh／kg和3823W／kg的高能量密度和功率密度，在當前密度分別為0.13和12.73mA／cm2。他們的論文發(fā)表在ACS(美國化學學會）雜志《納米快報》上。

為了實現(xiàn)他們的成果，研究人員開發(fā)出一種新的界面結構。研究人員說他們的設計方法可以被用作基于硫或過渡金屬硫化物的硫電解復合材料的其他合成的全固態(tài)鋰電池的通用路徑。

全固態(tài)鋰電池采用硫化物固態(tài)電解質和常規(guī)分層或尖晶石鋰過渡金屬氧化物作為陰極。由于硫化物電解質快速開發(fā)，具有10-2到10-3Scm-1的高的離子導電性和化學穩(wěn)定性而被廣泛研究。全固態(tài)鋰電池使用LiCoO2作為陽極材料的全固態(tài)鋰電池的能量密度已經(jīng)達到可以與液態(tài)電池相媲美的水平。然而，由于其理論比容量的限制，其仍然遠遠不能滿足電動車輛和混合動力電動車輛應用的需求。況且，由于在陰極和硫化物電解質之間產(chǎn)生的大的界面電阻，功率密度和循環(huán)穩(wěn)定性的障礙限制了全固態(tài)鋰電池的實際應用。

這個問題可以通過引入一種電子絕緣和離子導電材料作為在活性材料和硫化物電解質界面的功能性緩沖層而有所緩解。因此，電極和固態(tài)電解質之間的良好和穩(wěn)定的固-固界面對實現(xiàn)優(yōu)異的電化學性能是至關重要的。因此，非常迫切需要開發(fā)一種在活性材料和硫化物電解質之間構建緊密界面接觸的簡單而有效的方法。

在本研究中，一種新穎的界面架構，即約10nmLi7P3S11電解質顆粒鉚定在硫化納米片上，其是通過在原位液相方法來實現(xiàn)的。

該獨特的結構賦予一種緊密接觸界面和硫化鈷納米片均勻的體積變化，導致優(yōu)異的能量率和循環(huán)穩(wěn)定性的超穩(wěn)定全固態(tài)鋰電池。

——姚及其同事

在該研究中，該團隊比較了采用硫化鈷-Li7P3S11納米復合材料的電池單元與僅用硫化鈷的電池單元的性能。

為了創(chuàng)建電池單元，他們使用了純的Li7P3S11和超級P作為電解質在陰極層中的電子添加劑以達到高的離子和電子傳導，以及一個Li10GeP2S12／70%Li2S-29%,P2S5-1%P205雙層作為在固態(tài)電池中的電解質以提高鋰陰極的離子傳導性和穩(wěn)定性。

該具有納米復合材料的電池單元表現(xiàn)出優(yōu)異的能量率和循環(huán)穩(wěn)定性以及非常高的能量和功率密度。該團隊建議的強烈的電化學性能將導致：（從以下產(chǎn)生）

●鉚定Li7P3S11涂層不僅在硫化鈷和硫化物電解質之間行形成穩(wěn)定的固-固接觸界面，而且高效率地防止電極和電解質在連續(xù)循環(huán)中的破裂或塊狀崩落，從而保持高的能量率和循環(huán)穩(wěn)定性。

●具有降低顆粒尺寸和改進離子傳導性的在陰極層中的電解質可能提供一種在活性材料和電解質之間的緊密接觸以及快速的離子擴散，導致優(yōu)異的功率和循環(huán)性能。

●一種雙層固態(tài)電解質——Li10GeP2S12和70%Li2S-29%P2S5-1%P2O5的采用，避免了在Li10GeP2S12和鋰金屬之間的反應，并且確保了在電解質和金屬鋰之間的相容性。鋰金屬作為陰極替代了它的合金的使用可能增加了電池的能量密度。

●二維硫化鈷納米片可能由于它們獨特的具有高的面積對體積比的幾何形狀，提供了鋰離子插入和提取的短的途徑和高的動力學，導致了一個較高的比容量。

（信息來源：2016.10.27 Green Car Congress)

戴朝典編譯

The Development of the Hardware-in-the-loop Simulation Platform for AFS

WEN Jian-kang，TANG Shan-zheng
（1.Shanghai Research Institute of Internal Combustion Engine；2.Project Management Department，SAIC Motor Commercial Vehicle Technical Center，Shanghai 200438，China）

In this article，general architecture of Hardware-in-the-loop（HIL）test-bench is built based on the requirements of AFS ECU.Then the hardware is constructed with PXI technical route，and software is developed with Veristand environment.Finally，the HIL test-bench is integrated.Meanwhile，test stimuli for dimming function is also designed.The result indicates that the platform has good function of the HIL simulation for AFS，and realizes the testing for AFS controller while satisfying precision and timeliness requirements.

AFS；HIL；Veristand；test stimuli

U463.651

：A

1003－8639（2016）12－0034－04

2016-05-30

文健康（1992-），男，湖南益陽人，碩士研究生，研究方向為駕駛員輔助系統(tǒng)和汽車主被動安全技術。