混合動(dòng)力整車(chē)控制器實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)開(kāi)發(fā)

劉鵬，趙紅*，金振華，牛仁強(qiáng)，趙英良

(1.青島大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島　266071; 2.清華大學(xué) 汽車(chē)系，北京　100084)

引言

混合動(dòng)力控制器是混合動(dòng)力系統(tǒng)的核心部件，控制器控制整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)零部件的運(yùn)行，其控制效果的優(yōu)劣決定著整車(chē)的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性以及排放等性能的好壞[1-3]。混合動(dòng)力系統(tǒng)和傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力相比增加了電池和電機(jī)等部件，整車(chē)控制器需要協(xié)調(diào)控制兩個(gè)動(dòng)力源，這為混合動(dòng)力控制器的開(kāi)發(fā)以及測(cè)試工作帶來(lái)了更大的工作量。傳統(tǒng)控制器的測(cè)試方法是將開(kāi)發(fā)好的整車(chē)控制器直接進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，這種測(cè)試方法費(fèi)時(shí)、昂貴、安全隱患大，而且對(duì)于極限工況以及極端工況(如故障狀態(tài))下的測(cè)試很難完成[4]。如何縮短混合動(dòng)力控制器的開(kāi)發(fā)周期以及降低開(kāi)發(fā)成本成為國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)方向。

目前混合動(dòng)力控制器的開(kāi)發(fā)采用成熟的基于模型的“V”型開(kāi)發(fā)模式[5]，其中最有代表性的有：德國(guó)的dSpace公司、ETAS公司以及美國(guó)的阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室。德國(guó)dSpace公司開(kāi)發(fā)的dSpace實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)[6]； ETAS公司基于“V”型開(kāi)發(fā)模式搭建了一整套完整的混合動(dòng)力控制器集成開(kāi)發(fā)平臺(tái)[7]；美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室針對(duì)控制器的開(kāi)發(fā)搭建了包括從仿真過(guò)程到部件測(cè)試、模型驗(yàn)證、控制策略開(kāi)發(fā)以及驗(yàn)證的集成化開(kāi)發(fā)平臺(tái)[8-9]。國(guó)內(nèi)主要依靠采購(gòu)國(guó)外成熟的商業(yè)軟硬件來(lái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，對(duì)開(kāi)發(fā)平臺(tái)的技術(shù)研究較少，尚處于初始研究的階段。國(guó)外開(kāi)發(fā)的混合動(dòng)力控制器集成開(kāi)發(fā)平臺(tái)成本較高而且無(wú)法根據(jù)研發(fā)的要求定制和擴(kuò)張相應(yīng)的功能，因此針對(duì)混合動(dòng)力控制器開(kāi)發(fā)平臺(tái)的研究有重要意義。

本文基于PXI實(shí)時(shí)控制器和一套快速原型RapidECU以及嵌入式PC等硬件設(shè)備和MATLAB/Simulink及Veristand等軟件，開(kāi)發(fā)了一套基于模型的整車(chē)控制器實(shí)時(shí)仿真開(kāi)發(fā)平臺(tái)，并且在該平臺(tái)上以一款雙行星排功率分流式混合動(dòng)力客車(chē)的整車(chē)控制器為研究對(duì)象進(jìn)行了整車(chē)控制器的前期開(kāi)發(fā)。

1　混合動(dòng)力控制器實(shí)時(shí)仿真開(kāi)發(fā)平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)

圖1　基于模型的控制器開(kāi)發(fā)流程

混合動(dòng)力控制器基于模型的“V”型開(kāi)發(fā)模式流程包括：離線仿真、實(shí)時(shí)仿真、快速原型臺(tái)架測(cè)試、目標(biāo)控制器硬件在環(huán)測(cè)試以及目標(biāo)控制器臺(tái)架測(cè)試等[10-12]。基于模型的控制器開(kāi)發(fā)流程如圖1所示。

圖2　實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)

在基于模型的“V”型開(kāi)發(fā)模式中，實(shí)時(shí)仿真是通過(guò)軟硬件搭建的實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)將離線仿真實(shí)時(shí)化。實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)是在不涉及真實(shí)動(dòng)力系統(tǒng)的情況下對(duì)于混合動(dòng)力控制器控制策略進(jìn)行早期驗(yàn)證，尤其在極限工況和極端工況(如故障狀態(tài))下對(duì)控制器功能的驗(yàn)證具有實(shí)際測(cè)試無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。實(shí)時(shí)仿真是將在離線仿真過(guò)程中搭建的控制器模型、駕駛員和整車(chē)模型分別下載到快速原型系統(tǒng)和硬件在環(huán)系統(tǒng)軟硬件中構(gòu)成實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，其實(shí)質(zhì)是將離線化模型進(jìn)行實(shí)時(shí)化運(yùn)行?？焖僭拖到y(tǒng)和硬件在環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成的實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)如圖2所示。

2　混合動(dòng)力系統(tǒng)建模

在基于模型的“V”型開(kāi)發(fā)流程中，模型是控制器開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)。本文中的一款雙行星排功率分流式混合動(dòng)力系統(tǒng)模型包括:駕駛員模型、整車(chē)及部件模型和控制器模型[13]。在MATLAB/Simulink中搭建的混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3　混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1　基于PID的駕駛員模型

在對(duì)汽車(chē)性能進(jìn)行仿真時(shí)，需要使車(chē)輛按給定循環(huán)工況運(yùn)行，根據(jù)需求車(chē)速和實(shí)際車(chē)速可通過(guò)PID控制器模擬駕駛員的行為，輸出加速踏板和制動(dòng)踏板開(kāi)度。

駕駛員模型計(jì)算如下所示[14]：

Tdemand=TPID+Tload,

(1)

其中：

(2)

Tload=(Fa+Fload)·rwh,

(3)

Fload=Fi+Fw+Ff,

(4)

Tdemand_brake=min(0,Tdemand)，

(5)

Tdemand_prop=max(0,Tdemand)，

(6)

(7)

(8)

式中：Tdemand_prop為整車(chē)需求扭矩，N·m；Tmax_prop為當(dāng)前車(chē)速下動(dòng)力源能夠提供的最大扭矩，N·m；Tdemand_brake為整車(chē)所需的制動(dòng)扭矩，N·m；Pa_pct為加速踏板開(kāi)度，%；Pbrake_pct為制動(dòng)踏板開(kāi)度，%。

2.2　整車(chē)及部件模型

表1　電機(jī)模型的輸入輸出信號(hào)

雙行星排功率分流式混合動(dòng)力系統(tǒng)整車(chē)及部件模型包括發(fā)動(dòng)機(jī)模型、電機(jī)I/II模型、雙行星排模型、動(dòng)力電池模型、主減速器模型以及整車(chē)模型等。其中發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)和動(dòng)力電池采用基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的試驗(yàn)建模方法建立仿真模型，雙行星排、主減速器以及整車(chē)模型是通過(guò)對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析建立輸入和輸出之間的數(shù)學(xué)關(guān)系來(lái)建立仿真模型。以電機(jī)模型為例建立部件模型。電機(jī)模型的輸入輸出信號(hào)如表1所示：

電機(jī)模型的算法如下所示：

(9)

(10)

(11)

式中:nmot為電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速；nmot,cmd為電機(jī)轉(zhuǎn)速命令；Tmot為電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)矩；Tmot,cmd為電機(jī)命令；Tmot,max為電機(jī)最高轉(zhuǎn)矩；ηmot為電機(jī)的效率；PImot,spd為比例積分控制器；xmot,ctrlmode為電機(jī)控制模式，0為轉(zhuǎn)機(jī)控制模式，1為轉(zhuǎn)速控制模式；fmot,maxtrq是關(guān)于轉(zhuǎn)速的一維查表函數(shù)，為電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速下的最大轉(zhuǎn)矩，feff為關(guān)于轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的二維查表函數(shù)，為電機(jī)效率；Pmot為電機(jī)功率；Vbatt為電池電壓；Ibatt是電池電流；sign是符號(hào)函數(shù)。

2.3　混合動(dòng)力控制器模型

圖4　能量管理策略模型

在MATLAB/Simulink中針對(duì)雙行星排功率分流式混合動(dòng)力系統(tǒng)搭建的能量管理策略策略如圖4所示?；旌蟿?dòng)力控制器是混合動(dòng)力系統(tǒng)的核心，控制器需要實(shí)現(xiàn)的功能包括：控制器上下電控制、故障管理、能量管理以及模式切換過(guò)程中的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制[15]。其中能量管理策略對(duì)整車(chē)的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性及排放等性能起著決定性作用，是混合動(dòng)力整車(chē)控制器開(kāi)發(fā)中的最重要部分。能量管理策略包括模式切換以及轉(zhuǎn)矩分配策略兩部分。該雙行星排功率分流式混合動(dòng)力系統(tǒng)的工作模式分為：低負(fù)荷純電動(dòng)、高負(fù)荷純電動(dòng)、混動(dòng)模式、制動(dòng)能量回收和停車(chē)充電模式，能量分配采用的是發(fā)動(dòng)機(jī)恒定工作點(diǎn)控制策略。

3　快速原型系統(tǒng)和硬件在環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成的實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)

快速原型系統(tǒng)和硬件在環(huán)系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成?？焖僭拖到y(tǒng)是將在MTALAB/Simulink中搭建的控制策略下載到實(shí)時(shí)控制器當(dāng)中，將下載控制策略的實(shí)時(shí)控制器作為整車(chē)控制器對(duì)控制策略進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真測(cè)試。硬件在環(huán)系統(tǒng)是將整車(chē)控制器的被控對(duì)象下載到實(shí)時(shí)控制器當(dāng)中去充當(dāng)被控對(duì)象。

圖5　快速原型系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程

3.1　快速原型系統(tǒng)

快速原型系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分。硬件包括產(chǎn)品級(jí)控制器RapidECU以及CAN通訊接口和I/O接口;軟件包括基于MATLAB/Simulink的全自動(dòng)代碼生成工具ECUCoder以及ECU測(cè)量標(biāo)定軟件MeCa。

ECUCoder是基于MATLAB/Simulink的全自動(dòng)代碼生工具，用于配置ECU控制算法模型與基礎(chǔ)軟件模型，并自動(dòng)生成產(chǎn)品級(jí)代碼，該代碼可以用于快速原型階段和實(shí)際控制器。整車(chē)控制器的控制策略和其基礎(chǔ)軟件在MATLAB/Simulink平臺(tái)上通過(guò)ECUCoder生成產(chǎn)品級(jí)代碼，利用ECU測(cè)量標(biāo)定軟件MeCa將ECUCoder生成的產(chǎn)品級(jí)代碼下載到快速原型控制器硬件RapidECU中去，并且通過(guò)RapidECU的管腳定義對(duì)其分配CAN通訊信號(hào)以及I/O信號(hào)的分配。快速原型系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程如圖5所示。

3.2　硬件在環(huán)系統(tǒng)

硬件在環(huán)系統(tǒng)也包含硬件和軟件兩部分。硬件包括NI PXI實(shí)時(shí)控制器以及相應(yīng)的CAN通訊板卡和I/O板卡以及上位機(jī)；軟件包括NI公司的Veristand和相應(yīng)版本的MATLAB編譯器。NI PXI的配置及其搭載的板卡如2表所示。

表2　PXI實(shí)時(shí)控制器的配置及其搭載的板卡

圖6　實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)

在MATLAB/Simulink中將整車(chē)及部件模型和駕駛員模型通過(guò)MATLAB編譯器生成模型的dll文件，將dll文件通過(guò)上位機(jī)下載到NI PXI實(shí)時(shí)控制器中，并且在NI PXI實(shí)時(shí)控制器上安裝NI PXI-8512 CAN通訊板卡和NI PXI-6221模擬量輸入板卡與整車(chē)控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊。硬件在環(huán)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程如圖6所示,開(kāi)發(fā)的實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)如圖7所示。

圖7　硬件在環(huán)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程

4　混合動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真試驗(yàn)

利用由快速原型系統(tǒng)和硬件在環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)進(jìn)行雙行星排功率分流式混合動(dòng)力客車(chē)的實(shí)時(shí)仿真試驗(yàn)。在嵌入式PC的Veristand軟件中建立虛擬儀表顯示界面，該界面包括：實(shí)時(shí)標(biāo)定模塊、變量輸入模塊以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊。在Veristand中建立的虛擬儀表界面如圖8所示。

圖8　虛擬儀表界面

以中國(guó)典型城市公交循環(huán)(China City Bus Cycle，CCBC)為循環(huán)工況，實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)試驗(yàn)得到的車(chē)速、功率和電池電量狀態(tài)(State of Charge，SOC)如圖9所示：

a)車(chē)速

b)發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和電機(jī)功率

c)電池SOC圖9　實(shí)時(shí)仿真試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)仿真計(jì)算得，在CCBC工況下行駛5.795 km，消耗燃油0.87 L，電能2.65 km·h，綜合油耗為百公里27.7 L。

5　結(jié)論

根據(jù)實(shí)時(shí)仿真試驗(yàn)中得到的車(chē)速、功率和電池SOC等曲線以及計(jì)算出的百公里油耗這些數(shù)據(jù)表明，該平臺(tái)進(jìn)行的仿真試驗(yàn)與實(shí)際車(chē)輛運(yùn)行相比具有比較高的貼合度。表明本研究開(kāi)發(fā)的混合動(dòng)力整車(chē)控制器的實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)能夠比較準(zhǔn)確合理地對(duì)控制策略的控制功能進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制策略的實(shí)時(shí)性驗(yàn)證。該平臺(tái)還具有以下優(yōu)勢(shì)：

1)應(yīng)用范圍廣。該實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)具有良好的軟硬件擴(kuò)展性，可以從混合動(dòng)力整車(chē)控制器控制策略的驗(yàn)證擴(kuò)展到到整車(chē)控制器極限工況和極端工況(如部件故障)等控制功能的測(cè)試以及其它控制器的各種功能性驗(yàn)證。

2)在線標(biāo)定。該實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)可以通過(guò)嵌入式PC實(shí)現(xiàn)控制策略參數(shù)的實(shí)時(shí)在線調(diào)整，這為控制策略參數(shù)優(yōu)化算法的前期驗(yàn)證提供了參考。

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