基于V模式開(kāi)發(fā)插電式混合動(dòng)力汽車整車熱管理控制策略研究

，桂萍，

(1.華晨寶馬汽車有限公司,沈陽(yáng) 110143; 2.北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 工業(yè)自動(dòng)化學(xué)院, 廣東 珠海 519088)

0 引言

近年來(lái)，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，環(huán)境污染和能源消耗的問(wèn)題也隨之而來(lái)。為實(shí)現(xiàn)低碳環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)，在汽車領(lǐng)域， 中國(guó)政府頒布了一系列的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)來(lái)限制汽車的排放和燃油消耗。如輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第六階段)，GB18352.6—2016[1]，乘用車燃料消耗量第四階段標(biāo)準(zhǔn)(GB 19578-2014和GB 27999-2014)[2]。同時(shí)中央政府及各地方政府頒布了一系列政策法規(guī)來(lái)推動(dòng)電動(dòng)汽車，插電式混合動(dòng)力汽車(在下文中簡(jiǎn)稱PHEV(plug-in hybrid electric vehicle))和燃料電池汽車等新能源汽車的開(kāi)發(fā)和市場(chǎng)化進(jìn)程。

受目前動(dòng)力電池，燃料電池技術(shù)和成本的限制，純電動(dòng)汽車和燃料電池汽車還無(wú)法大規(guī)模推向市場(chǎng)。而PHEV兼具了可純電動(dòng)行駛，行駛里程不受動(dòng)力電池總能量的限制，節(jié)油減排效果明顯等優(yōu)勢(shì)，成為目前新能源汽車重要的發(fā)展推廣方向。整車控制技術(shù)作為大三電(電機(jī)、電池、電控)之一，整車廠都將其作為核心技術(shù)進(jìn)行投入和開(kāi)發(fā)[3-4]。目前基于模型的V模式開(kāi)發(fā)流程已經(jīng)成為動(dòng)力系統(tǒng)控制軟件的主流開(kāi)發(fā)流程。整車熱管理控制是PHEV整車控制功能中很重要的模塊，使動(dòng)力系統(tǒng)的零部件工作在合理的溫度范圍，保證其可靠工作[5]。本文將重點(diǎn)介紹基于模型的V模式開(kāi)發(fā)流程在PHEV整車控制軟件開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用，使用該開(kāi)發(fā)流程開(kāi)發(fā)某款PHEV整車熱管理控制策略。

1 V模式開(kāi)發(fā)流程介紹

V模式開(kāi)發(fā)流程適用于復(fù)雜系統(tǒng)，需要大規(guī)模開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)協(xié)調(diào)配合的開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，汽車的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)符合上述的特點(diǎn)。一個(gè)典型的基于V流程進(jìn)行整車開(kāi)發(fā)(這里只描述整車開(kāi)發(fā)之下的動(dòng)力系統(tǒng)開(kāi)發(fā)部分)的各步驟如下：

1)V流程左半部分-整車需求分析，V流程右半部分-整車測(cè)試驗(yàn)證和標(biāo)定。

2)V流程左半部分-動(dòng)力系統(tǒng)需求分析，V流程右半部分-動(dòng)力系統(tǒng)集成測(cè)試。

3)V流程左半部分-動(dòng)力子系統(tǒng)需求分析，V流程右半部分-動(dòng)力子系統(tǒng)集成測(cè)試。

4)V流程左半部分-硬件和軟件需求分析，V流程右半部分-硬件和軟件的單元測(cè)試。

5)具體的開(kāi)發(fā)過(guò)程，包括控制器硬件設(shè)計(jì)和軟件開(kāi)發(fā)。

其主要的特點(diǎn)包括，

1)自上而下的過(guò)程是從整車到系統(tǒng)，從系統(tǒng)到子系統(tǒng)，從子系統(tǒng)到零部件，從零部件到硬件和軟件的詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程。上一步的輸出為下一步的輸入，環(huán)環(huán)相扣。

2)V流程的左半部分為需求開(kāi)發(fā)，右半部分為測(cè)試驗(yàn)證。借助于配套的工具軟件，需求開(kāi)發(fā)和測(cè)試驗(yàn)證可基本同步進(jìn)行。這樣可以在開(kāi)發(fā)的前期就進(jìn)行驗(yàn)證和開(kāi)發(fā)質(zhì)量控制工作，降低項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，提高開(kāi)發(fā)效率。

3)開(kāi)發(fā)流程清晰明確，每個(gè)開(kāi)發(fā)步驟均有明確的開(kāi)發(fā)內(nèi)容，輸入物和輸出物的定義。便于開(kāi)發(fā)過(guò)程的跟蹤，開(kāi)發(fā)節(jié)點(diǎn)控制及開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)成員之間的溝通配合。

基于V模式開(kāi)發(fā)流程的優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在汽車開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，國(guó)內(nèi)整車廠在嘗試進(jìn)行正向產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)多采用V模式開(kāi)發(fā)流程。V模式不僅適用于整車開(kāi)發(fā)，對(duì)開(kāi)發(fā)的各個(gè)階段，如對(duì)新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)控制軟件開(kāi)發(fā)同樣適用。新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)控制軟件開(kāi)發(fā)作為國(guó)內(nèi)整車廠急需掌握的核心技術(shù)之一，得到了大量的人力和資金投入，也是目前正向開(kāi)發(fā)做的比較深入的領(lǐng)域。為提高開(kāi)發(fā)的質(zhì)量和效率，需要解決的主要問(wèn)題包括：如何能夠讓開(kāi)發(fā)的控制策略直觀易懂，便于團(tuán)隊(duì)成員間的溝通；如何能夠在每個(gè)開(kāi)發(fā)階段的成果都進(jìn)行及時(shí)的測(cè)試驗(yàn)證和確認(rèn)，防止問(wèn)題在項(xiàng)目后期才被發(fā)現(xiàn)；如何讓開(kāi)發(fā)人員主要關(guān)注在功能和策略，控制器的目標(biāo)代碼生成采用自動(dòng)化的方式進(jìn)行，而且自動(dòng)生成的代碼基本無(wú)需做調(diào)整即可使用；如何在個(gè)別控制器硬件還沒(méi)完成開(kāi)發(fā)，或沒(méi)有樣車的情況下進(jìn)行整車級(jí)別的策略驗(yàn)證工作?；谀Ｐ偷腣模式開(kāi)發(fā)流程可以解決以上的問(wèn)題，近年來(lái)已成為新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)控制軟件開(kāi)發(fā)的主流開(kāi)發(fā)模式[6-7]。

圖1描述了用于新能源汽車整車控制軟件開(kāi)發(fā)基于模型的V模式開(kāi)發(fā)流程的幾個(gè)主要階段，包括功能需求，軟件架構(gòu)及軟件需求，軟件算法開(kāi)發(fā)建模， 模型集成，快速代碼生成，單元測(cè)試，集成測(cè)試，功能驗(yàn)證標(biāo)定[8-9]。

各階段的描述如下：

1)功能需求:根據(jù)整車設(shè)計(jì)需求，動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，整車的電氣架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)通訊方案，關(guān)鍵零部件(動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、車載充電機(jī)等)的功能及接口，確定整車控制軟件應(yīng)實(shí)現(xiàn)的所有功能。

2)軟件架構(gòu)及軟件需求:根據(jù)功能需求，確定整車控制軟件的架構(gòu)，主要包括將軟件劃分為若干個(gè)子模塊，各子模塊實(shí)現(xiàn)的功能，這些子模塊之間的信號(hào)接口。同時(shí)對(duì)軟件設(shè)計(jì)提出具體的需求。

3)軟件算法開(kāi)發(fā)建模:目前的軟件開(kāi)發(fā)多基于模型。根據(jù)軟件架構(gòu)及軟件需求，設(shè)計(jì)各子模塊的算法，建立各子模塊的控制模型。目前主流的模型開(kāi)發(fā)平臺(tái)包括Mathworks公司的MATLAB/Simulink/Stateflow[10], dSPACE公司的Target Link， ETAS公司的ASCET。

4)模型集成:根據(jù)定義的軟件架構(gòu)，把各子模塊的模型集成為一個(gè)完整的控制模型，同時(shí)需要根據(jù)底層軟件提供的接口設(shè)置完成應(yīng)用層軟件和底層軟件的集成。

5)快速代碼生成:通過(guò)編譯器將集成完的模型生成C代碼及目標(biāo)控制器使用的機(jī)器碼。常用的編譯器包括Mathworks公司的Embedded coder，飛思卡爾公司的CodeWarrior， Green Hills編譯器。

6)單元測(cè)試:對(duì)各子模塊模型進(jìn)行測(cè)試，確保子模塊模型的邏輯正確性，常用的測(cè)試方法有模型在環(huán)測(cè)試(MIL-Model In Loop), 軟件在環(huán)測(cè)試(SIL-Software In Loop)。

7)集成測(cè)試:在完成單元測(cè)試后，將進(jìn)行集成測(cè)試。主要測(cè)試各子模塊間組合后的功能實(shí)現(xiàn)情況，以及模塊接口連接的成功與否，數(shù)據(jù)傳遞的正確性等。常用的測(cè)試方法有模型在環(huán)測(cè)試(MIL-Model In Loop), 軟件在環(huán)測(cè)試(SIL-Software In Loop)，硬件在環(huán)測(cè)試(HIL-Hardware In Loop)。

圖1 新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)V模式

8)功能驗(yàn)證和標(biāo)定:這一步主要在臺(tái)架和實(shí)車上完成，驗(yàn)證整個(gè)控制軟件是否符合軟件的功能需求，通過(guò)標(biāo)定優(yōu)化來(lái)滿足整車的動(dòng)力性、駕駛性、系統(tǒng)保護(hù)等目標(biāo)。

基于模型的V模式開(kāi)發(fā)流程和與之配套的開(kāi)發(fā)工具鏈可以很好的解決正向開(kāi)發(fā)整車控制軟件所關(guān)注的問(wèn)題。搭建的控制模型可以非常直觀的表示出所實(shí)現(xiàn)的控制策略；每一開(kāi)發(fā)階段的位于右半邊的驗(yàn)證工作基本可以和位于左半邊的開(kāi)發(fā)工作同步開(kāi)展，及時(shí)的發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題；通過(guò)專業(yè)的編譯器可以把模型生成高質(zhì)量、可直接刷入控制器進(jìn)行測(cè)試的目標(biāo)代碼，無(wú)需耗費(fèi)大量的人力和時(shí)間去關(guān)注目標(biāo)代碼；配套的工具鏈中有快速控制原型(RCP-Rapid Control Prototype)可以作為萬(wàn)能控制器來(lái)替代未完成開(kāi)發(fā)的某個(gè)控制器硬件，硬件在環(huán)系統(tǒng)(HIL-Hardware in Loop)可以模擬整車，系統(tǒng)和零部件。這樣就可以在開(kāi)發(fā)早期進(jìn)行整車級(jí)別的軟件功能驗(yàn)證工作。

2 PHEV整車熱管理系統(tǒng)描述

某款PHEV的整車熱管理系統(tǒng)原理如圖2 所示。共有3路冷卻回路，包括空調(diào)系統(tǒng)冷卻回路、低溫冷卻回路及高溫冷卻回路。三路冷卻回路共用一個(gè)散熱風(fēng)扇。

2.1 空調(diào)系統(tǒng)冷卻回路

該款PHEV的動(dòng)力電池采用強(qiáng)制水冷方案，通過(guò)熱交換器使用空調(diào)系統(tǒng)提供的冷源來(lái)降低動(dòng)力電池冷卻水路的溫度，為動(dòng)力電池散熱。該回路的主要部件包括：空調(diào)系統(tǒng)冷凝器，電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)，駕駛艙內(nèi)蒸發(fā)器，動(dòng)力電池冷卻熱交換器，三通閥。

圖2 某款PHEV的整車熱管理系統(tǒng)原理

2.2 低溫冷卻回路

該款PHEV有兩個(gè)電機(jī)。低溫冷卻回路用于冷卻兩個(gè)電機(jī)及電機(jī)控制器。該回路的主要部件包括：電機(jī)系統(tǒng)散熱器、電機(jī)1、電機(jī)控制器1、冷卻水泵1、電機(jī)2、電機(jī)控制器2、冷卻水泵2及三通閥。

2.3 高溫冷卻回路

高溫冷卻回路用于冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)，高溫冷卻回路的主要部件包括：發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器，發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械水泵。

針對(duì)這個(gè)熱管理系統(tǒng)，需要設(shè)計(jì)熱管理控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)以下的目的 ：

1)保證各零部件工作在合理的溫度范圍內(nèi)。

2)保證空調(diào)系統(tǒng)可靠工作，駕駛艙內(nèi)溫度調(diào)節(jié)能夠符合乘員需求。

3)在保證上述兩點(diǎn)的前提下，合理控制電動(dòng)水泵和散熱風(fēng)扇的工作轉(zhuǎn)速，降低能耗和噪音。

3 利用基于模型的V模式開(kāi)發(fā)流程開(kāi)發(fā)PHEV整車熱管理控制策略

以下將介紹基于模型的V模式開(kāi)發(fā)流程開(kāi)發(fā)PHEV整車熱管理控制策略。由于PHEV整車熱管理控制策略屬于PHEV整車控制軟件的其中一個(gè)子模塊，因此這里重點(diǎn)介紹與開(kāi)發(fā)該子模塊相關(guān)的開(kāi)發(fā)工作，即軟件算法開(kāi)發(fā)，建模，單元測(cè)試，功能驗(yàn)證。

3.1 PHEV整車熱管理控制算法開(kāi)發(fā)

基于前述的整車熱管理控制需求，設(shè)計(jì)的整車熱管理控制算法如下：

1)主要輸入信號(hào)包括：電機(jī)1溫度、電機(jī)控制器1溫度、電機(jī)2溫度、電機(jī)控制器2溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)溫度、鑰匙信號(hào)、整車動(dòng)力系統(tǒng)就緒狀態(tài)、發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)、空調(diào)壓縮機(jī)工作功率及動(dòng)力電池冷卻功率需求等。

2)輸出信號(hào)包括：電子水泵1工作指令、電子水泵2工作指令及散熱風(fēng)扇工作指令。

3)基于電機(jī)1的溫度，電機(jī)控制器1的溫度，電子水泵2的工作狀態(tài)，計(jì)算電子水泵1的工作轉(zhuǎn)速需求，散熱風(fēng)扇的工作轉(zhuǎn)速需求。

4)基于電機(jī)2的溫度，電機(jī)控制器2的溫度，電子水泵1的工作狀態(tài)，計(jì)算電子水泵2的工作轉(zhuǎn)速需求，散熱風(fēng)扇的工作轉(zhuǎn)速需求。

5)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，計(jì)算散熱風(fēng)扇的工作轉(zhuǎn)速需求。

6)對(duì)散熱風(fēng)扇的工作轉(zhuǎn)速需求進(jìn)行仲裁。

7)在系統(tǒng)出現(xiàn)急停信號(hào)時(shí)，控制電子水泵1，電子水泵2和散熱風(fēng)扇工作在最高轉(zhuǎn)速。

8)在鑰匙到OFF位置后，根據(jù)各部件的溫度情況，給出延遲下電散熱請(qǐng)求。

3.2 PHEV整車熱管理控制的建模設(shè)計(jì)

使用MATLAB/Simulink/Stateflow開(kāi)發(fā)軟件，根據(jù)前述的整車熱管理控制算法，進(jìn)行控制模型的開(kāi)發(fā)。開(kāi)發(fā)后的模型見(jiàn)圖3。

圖3 整車熱管理控制模型

PHEV整車熱管理控制模型包括電機(jī)系統(tǒng)散熱需求，發(fā)動(dòng)機(jī)散熱需求，空調(diào)系統(tǒng)散熱需求，散熱風(fēng)扇工作仲裁，急停控制，延遲下電散熱控制6個(gè)子模塊。各子模塊實(shí)現(xiàn)的功能如下：

1)電機(jī)系統(tǒng)散熱需求。通過(guò)判斷電機(jī)溫度，電機(jī)控制器溫度，電機(jī)控制器內(nèi)部DCDC轉(zhuǎn)換器溫度，溫度傳感器溫度和水泵1，水泵2，散熱風(fēng)扇不同轉(zhuǎn)速開(kāi)啟和關(guān)閉的溫度門限值的大小關(guān)系，經(jīng)過(guò)仲裁得到由電機(jī)系統(tǒng)散熱需求的水泵1，水泵2和散熱風(fēng)扇的開(kāi)啟關(guān)閉需求，工作轉(zhuǎn)速需求。

2)發(fā)動(dòng)機(jī)散熱需求。通過(guò)判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻液溫度和散熱風(fēng)扇不同轉(zhuǎn)速開(kāi)啟和關(guān)閉的溫度門限值的大小關(guān)系，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，得到由發(fā)動(dòng)機(jī)散熱需求的散熱風(fēng)扇開(kāi)啟關(guān)閉需求，工作轉(zhuǎn)速需求。

3)空調(diào)系統(tǒng)散熱需求。根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際輸出功率和散熱風(fēng)扇不同轉(zhuǎn)速開(kāi)啟和關(guān)閉的功率門限值的大小關(guān)系，電池包的冷卻功率需求和散熱風(fēng)扇不同轉(zhuǎn)速開(kāi)啟和關(guān)閉的功率門限值的大小關(guān)系，電池包對(duì)散熱的需求類型，經(jīng)過(guò)仲裁得到由空調(diào)系統(tǒng)散熱需求的散熱風(fēng)扇開(kāi)啟關(guān)閉需求，工作轉(zhuǎn)速需求。

4)散熱風(fēng)扇仲裁。通過(guò)設(shè)定的優(yōu)先級(jí)對(duì)電機(jī)系統(tǒng)散熱需求的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，發(fā)動(dòng)機(jī)散熱需求的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，空調(diào)系統(tǒng)散熱需求的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速進(jìn)行仲裁，得到最終的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速需求。

5)急?？刂?。當(dāng)接收到急停控制信號(hào)時(shí)，控制水泵和風(fēng)扇以最高轉(zhuǎn)速運(yùn)行。

6)延遲下電散熱控制。當(dāng)仲裁得到的散熱風(fēng)扇轉(zhuǎn)速超過(guò)設(shè)置值時(shí)，系統(tǒng)下電后散熱風(fēng)扇和水泵還將工作一段時(shí)間，防止零部件超溫。

3.3 單元測(cè)試

使用Matlab/Simulink/Stateflow搭建的單元測(cè)試模型見(jiàn)圖4。利用該測(cè)試模型，設(shè)計(jì)測(cè)試用例，進(jìn)行整車熱管理控制子模塊的單元測(cè)試，查找bug，驗(yàn)證該子模塊的邏輯正確性。

圖4 單元測(cè)試模型

圖4中的模型是在搭建的整車熱管理控制模型的基礎(chǔ)上，增加了輸入設(shè)置，輸出監(jiān)控和觸發(fā)信號(hào)，可以在Matlab/Simulink/Stateflow平臺(tái)上仿真運(yùn)行。測(cè)試用例是在軟件需求和模型功能的基礎(chǔ)上做出的，給出該模型相關(guān)輸入的組合下，期望得到的輸出值。在基于圖4中的模型進(jìn)行單元測(cè)試時(shí)，先運(yùn)行模型，把模型中的輸入設(shè)置為測(cè)試用例的需求組合值，對(duì)比模型的輸出值與測(cè)試用例中給出的期望值是否一致。

3.4 功能驗(yàn)證

在完成整車控制軟件其他子模塊的開(kāi)發(fā)，集成測(cè)試之后，使用dSPCAE公司的Autobox快速控制原型工具作為整車控制器硬件對(duì)整車控制的相關(guān)功能在實(shí)車上進(jìn)行了測(cè)試和驗(yàn)證。

圖5為使用ETAS公司的INCA軟件分析在NEDC工況下整車熱管理控制的運(yùn)行數(shù)據(jù)。如圖可見(jiàn)實(shí)際的車速為NEDC工況下要求的4個(gè)城市循環(huán)和1個(gè)城郊循環(huán)。從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，電機(jī)2為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在加速過(guò)程中電機(jī)的溫度會(huì)上升，減速時(shí)電機(jī)溫度會(huì)下降，起始溫度為35℃左右，最高溫度達(dá)到約70℃。電機(jī)1為發(fā)電機(jī)，在增程器工作時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)1的溫度持續(xù)升高，發(fā)動(dòng)機(jī)最高溫度為99℃，電機(jī)1為58℃。在散熱系統(tǒng)工作下，3個(gè)零部件的溫度均保持在合適的范圍。由于NEDC工況對(duì)于整車來(lái)說(shuō)并不是熱負(fù)荷很高的運(yùn)行工況，在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中，電子水泵1，電子水泵2的工作轉(zhuǎn)速保持在30%峰值轉(zhuǎn)速，散熱風(fēng)扇在前段溫度較低時(shí)不工作，在中間工作轉(zhuǎn)速為30%峰值轉(zhuǎn)速，在最后城郊較高車速下工作轉(zhuǎn)速為60%峰值工作轉(zhuǎn)速。

圖5 NEDC工況下整車熱管理控制數(shù)據(jù)分析

通過(guò)測(cè)試和數(shù)據(jù)分析，整車熱管理控制功能能夠符合預(yù)設(shè)的控制需求，各零部件的工作溫度維持在合理的范圍之內(nèi)，同時(shí)水泵和風(fēng)扇的工作轉(zhuǎn)速維持在較低的工作區(qū)間以實(shí)現(xiàn)降噪和節(jié)能。

4 結(jié)論

本文介紹了用于汽車動(dòng)力系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)的基于模型的V模式開(kāi)發(fā)流程?；谠撻_(kāi)發(fā)模式進(jìn)行了PHEV整車控制軟件一個(gè)重要功能整車熱管理控制的開(kāi)發(fā)，包括算法設(shè)計(jì)，模型開(kāi)發(fā)，單元測(cè)試和功能驗(yàn)證。經(jīng)實(shí)車驗(yàn)證，該控制功能能夠保證各零部件的工作溫度在合理范圍內(nèi)，符合整車控制軟件的功能需求。

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