基于Simulink的電動(dòng)客車整車控制器軟件層設(shè)計(jì)

蔡瀟揚(yáng)，鮑 寧，袁所賢

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

目前，環(huán)境問(wèn)題和能源問(wèn)題日益突出，而用新能源汽車逐步取代傳統(tǒng)燃油汽車在一定程度上可以解決這些問(wèn)題，因此各國(guó)都十分重視新能源汽車的發(fā)展。電動(dòng)化、智能化是未來(lái)汽車行業(yè)必然的發(fā)展方向。電動(dòng)汽車有噪聲低、能源利用率高、排放低甚至零排放等優(yōu)點(diǎn)，因此成為目前研究的重點(diǎn)[1-4]。純電動(dòng)車整車控制器(VCU)是驅(qū)動(dòng)汽車的大腦，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集處理、邏輯運(yùn)算及控制實(shí)現(xiàn)。車輛運(yùn)用控制策略時(shí)，一方面應(yīng)充分滿足駕駛員的駕駛需求，另一方面要考慮成本的合理性，同時(shí)滿足汽車的動(dòng)力性、平順性和其他基本技術(shù)性能要求。整車控制器算法復(fù)雜、開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、調(diào)試與驗(yàn)證工作量大，因此本文提出基于Simulink開(kāi)發(fā)整車控制器來(lái)克服以上缺點(diǎn)[5-6]。

1 軟件整體設(shè)計(jì)方案

整車控制器(VCU)的主要功能是通過(guò)傳感器采集加速踏板、制動(dòng)踏板等數(shù)字/模擬信號(hào)，接收各個(gè)子系統(tǒng)電控單元ECU發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行解析，結(jié)合車輛運(yùn)行時(shí)的信息進(jìn)行診斷，并發(fā)出相應(yīng)的指令[7]。按功能來(lái)分，純電動(dòng)客車整車控制器軟件設(shè)計(jì)包括底層驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)和應(yīng)用層軟件設(shè)計(jì)。底層驅(qū)動(dòng)軟件主要對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、通信模塊(包括CAN或LIN通信)、輸入輸出接口等模塊進(jìn)行初始化，用讀寫接口函數(shù)編寫和封裝；應(yīng)用層軟件是整車控制系統(tǒng)的高層管理軟件，根據(jù)車輛的不同狀態(tài)，通過(guò)整車控制策略對(duì)整車系統(tǒng)進(jìn)行控制。VCU軟件構(gòu)架設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 VCU軟件構(gòu)架設(shè)計(jì)

2 VCU軟件集成開(kāi)發(fā)流程

純電動(dòng)客車整車VCU采用MC9S12XEP100芯片，利用Simulink中S-function函數(shù)編寫VCU的底層驅(qū)動(dòng)模塊，采用Simulink自帶的模塊對(duì)整車軟件層控制策略進(jìn)行建模，通過(guò)底層驅(qū)動(dòng)模塊與應(yīng)用層模型的集成，利用Simulink中Code generation生成軟件層C代碼，包括底層驅(qū)動(dòng)代碼、上層算法代碼以及MC9S12XEP100所需要的文件。將文件編譯調(diào)試生成可執(zhí)行的S19目標(biāo)工程文件。最后利用BootLoader下載工具將其下載至VCU硬件，如圖2所示。

圖2 VCU集成開(kāi)發(fā)流程

3 整車控制策略研究

整車控制策略在考慮駕駛員動(dòng)作情況下采集加速踏板開(kāi)度、制動(dòng)踏板、鑰匙門、行車開(kāi)關(guān)等模擬量信號(hào)以及電機(jī)溫度、功率、電池溫度、輸出電流、輸出電壓等信號(hào)的同時(shí)，綜合分析駕駛員的駕駛意圖，并結(jié)合行駛工況、電池剩余電量(SOC)等影響因素對(duì)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩合理分配。此外，對(duì)電機(jī)的工作區(qū)域進(jìn)行限定并控制電池SOC值在一定的范圍，可延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命和確保電池保持高效狀態(tài)，使純電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程得到提升。當(dāng)整車系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，整車控制器通過(guò)對(duì)接收到的報(bào)文信息進(jìn)行分析并與車輛預(yù)先設(shè)定的工作模式進(jìn)行比較，對(duì)電機(jī)、繼電器等零部件進(jìn)行保護(hù)或者對(duì)控制失效的零部件故障進(jìn)行診斷、處理。圖3是整車行駛控制策略邏輯。

圖3 整車行駛控制策略邏輯

3.1 工作模式

電動(dòng)輕型客車依據(jù)整車的運(yùn)行工況和動(dòng)力總成不同狀態(tài)主要分為7種工作模式，并可根據(jù)整車運(yùn)行條件進(jìn)行模式切換，各模式及其控制功能[8-9]如表1所示。

表1 整車工作模式及控制功能

3.2 加速扭矩控制策略

本文采用線性踏板控制策略，即在轉(zhuǎn)速不變的情況下通過(guò)控制使轉(zhuǎn)矩隨油門踏板開(kāi)度增加而線性增加，相對(duì)于非線性踏板控制策略，可以在中高負(fù)荷下滿足駕駛員駕駛樂(lè)趣的要求和在低負(fù)荷情況下提升車輛的操縱穩(wěn)定性[10]。針對(duì)所選取的控制策略對(duì)本項(xiàng)目的純電動(dòng)輕型客車進(jìn)行道路測(cè)試實(shí)驗(yàn)，用曲線標(biāo)定駕駛感覺(jué)，并結(jié)合電機(jī)的外特性曲線繪制出純電動(dòng)車的動(dòng)力特性圖，也就是加速轉(zhuǎn)矩MAP，如圖4所示。圖4中最下面的曲線表示的是在加速踏板回位時(shí)，電機(jī)滑行制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的大小，從而達(dá)到對(duì)傳統(tǒng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的倒拖阻轉(zhuǎn)矩的模擬，并相應(yīng)地將制動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存到蓄電池中。

3.3 制動(dòng)能量回收控制策略

本文制動(dòng)能量回收控制策略的設(shè)計(jì)針對(duì)的是本項(xiàng)目使用的前軸驅(qū)動(dòng)的純電動(dòng)輕型客車，其控制策略中選擇電液并聯(lián)式作為制動(dòng)能量回收方案，即通過(guò)車速、電池SOC、制動(dòng)踏板開(kāi)度的值來(lái)調(diào)整電機(jī)制動(dòng)回饋轉(zhuǎn)矩，在不改變?cè)兄苿?dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的情況下使其在合理范圍內(nèi)。但是需要對(duì)原有液壓制動(dòng)系統(tǒng)做適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)才能正常實(shí)現(xiàn)其控制策略，也就是說(shuō)通過(guò)增加制動(dòng)踏板的位移傳感器，整車控制器將傳感器檢測(cè)到的踏板開(kāi)度作為其控制策略的判斷條件[11]。

4 故障診斷控制策略

純電動(dòng)汽車要求整車控制器能合理分配能量，最大限度地提高車載電池能量的利用效率。而整車控制器(VCU)是實(shí)現(xiàn)這些系統(tǒng)控制的關(guān)鍵設(shè)備。VCU故障診斷與處理策略非常重要，其安全、穩(wěn)定的運(yùn)行可以在確保車輛行駛安全的同時(shí)提高各控制系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳遞的效率和準(zhǔn)確性。系統(tǒng)故障包括電機(jī)、電池及兩者的控制器故障，電壓系統(tǒng)故障，各部分附件故障等[12]。針對(duì)不同部件存在的故障提出不同的故障診斷及處理策略，如表2所示。

5 底層驅(qū)動(dòng)模塊

Matlab用戶通過(guò)S-function函數(shù)在Simulink模型中創(chuàng)建自制驅(qū)動(dòng)模塊，利用S-function編寫MC9S12XEP100的底層驅(qū)動(dòng)模塊，并將它們封裝成Simulink的模塊?？梢酝ㄟ^(guò) Matlab、C/C++、Ada或者Fortran語(yǔ)言來(lái)對(duì)S-function函數(shù)進(jìn)行編寫。本文通過(guò)C語(yǔ)言來(lái)編寫S-function，在 Simulink中完成底層驅(qū)動(dòng)封裝。先利用C語(yǔ)言編寫C-MEX S-function用于基本的仿真，然后利用TLC語(yǔ)言編寫TLC文件來(lái)控制代碼的自動(dòng)生成[13-15]，保證代碼的有效性及規(guī)律性。編寫過(guò)程如圖5所示。

表2 故障診斷及處理策略

圖5 S-Function編寫底層函數(shù)的過(guò)程

6 VCU軟件設(shè)計(jì)

純電動(dòng)輕型客車VCU軟件層是利用Simulink工具開(kāi)發(fā)的，在Simulink環(huán)境下進(jìn)行仿真驗(yàn)證，最終利用Simulink中Code generation按鈕將整車控制策略模型生成C代碼。將生成的C代碼導(dǎo)入到編譯環(huán)境后可以與底層驅(qū)動(dòng)一起編譯成MC9S12XEP100芯片的可執(zhí)行代碼。將文件編譯生成可執(zhí)行的S19目標(biāo)工程文件，最后利用BootLoader把文件下載到VCU硬件，完成軟件層的設(shè)計(jì)，如圖6、7所示。

圖6 整車控制模型

圖7 Bootloader下載程序示意圖

7 VCU的策略驗(yàn)證及道路測(cè)試

將VCU安裝于本項(xiàng)目中已改裝完成的純電動(dòng)輕型客車上。依據(jù)GB/T15089—2001規(guī)定，該測(cè)試車輛屬于Ml類車輛。根據(jù)GB/T18385—2005規(guī)定，該車輛進(jìn)行相關(guān)性能測(cè)試時(shí)應(yīng)滿足以下道路條件：① 平直道路；② 道路平整干燥；③ 附著系數(shù)良好。該車采用的永磁同步電機(jī)為25 kW/192 V，磷酸鐵鋰電池組為175 Ah/192 V。表3為整車及其部件參數(shù)，圖8為電機(jī)外特性曲線。

圖8 驅(qū)動(dòng)電機(jī)外特性曲線

類型參數(shù)數(shù)值整車整備質(zhì)量/kg3 792主減速比4.889迎風(fēng)面積/m25傳動(dòng)系效率0.9輪胎滾動(dòng)半徑r/m0.36永磁同步電機(jī)額定電壓/V192額定功率/kW25最大功率/kW70額定扭矩/(N·m)318最大扭矩/(N·m)890額定轉(zhuǎn)速/(r·min-1)750最高轉(zhuǎn)速/(r·min-1)3 600冷卻方式水冷磷酸鐵鋰動(dòng)力電池單體額定電壓/V4.2放電截止電壓/V3.5充電最高電壓/V4.65放電最大電流/A300額定容量/Ah175電池組額定電壓/V336電池組質(zhì)量/kg290工作溫度/℃充電 0-45放電-20-45

7.1 車輛加速及最高車速試驗(yàn)

駕駛員在試驗(yàn)起始位置啟動(dòng)車輛，然后通過(guò)將加速踏板踩到底，將車輛加速達(dá)到最高車速，并在此過(guò)程中記錄車速、電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、電池電流和電壓等相關(guān)信息。完成上述試驗(yàn)后，再以相反的方向重復(fù)進(jìn)行相同的試驗(yàn)。取2次測(cè)得的時(shí)間平均值即為加速時(shí)間。如圖9所示，車輛從靜止加速達(dá)到最高車速需要20 s，達(dá)到最高車速之后經(jīng)過(guò)35.48 s以最高車速行駛1 000 m。因此，經(jīng)計(jì)算該車試驗(yàn)最高車速為86.7 km/h。

7.2 轉(zhuǎn)矩控制策略試驗(yàn)

如圖10所示，試驗(yàn)車在空擋時(shí)，司機(jī)松開(kāi)制動(dòng)踏板，車輛倒溜(車速為負(fù))；掛前進(jìn)擋后，車輛進(jìn)入駐坡模式，不會(huì)出現(xiàn)上述狀況；在加速階段，隨加速踏板開(kāi)度加大，目標(biāo)扭矩增加，車速平穩(wěn)上升。

圖9 加速性能測(cè)試

圖10 輕客起步試驗(yàn)性能曲線

7.3 車輛制動(dòng)能量回收試驗(yàn)

如圖11所示，該測(cè)試曲線顯示了在輕踩制動(dòng)踏板時(shí)制動(dòng)能量回收過(guò)程。由于制動(dòng)踏板存在空行程，圖中前15 s液壓系統(tǒng)并沒(méi)有工作。當(dāng)司機(jī)輕微制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)踏板處于空行程中，并未產(chǎn)生作用，液壓系統(tǒng)未處在工作狀態(tài)。車輛在15 s后進(jìn)入滑行制動(dòng)，當(dāng)制動(dòng)踏板行程逐步增大到閾值時(shí)，判定需要進(jìn)行控制，此時(shí)車輛開(kāi)啟制動(dòng)模式，車輛進(jìn)入滑行能量回饋模式。從26 s之后，在液壓制動(dòng)力和制動(dòng)回饋力兩者作用下，由滑行回饋模式切換到制動(dòng)回饋模式，車速也迅速下降。車速和制動(dòng)回饋力兩者之間存在正相關(guān)，即車速不斷下降，相應(yīng)制動(dòng)回饋力也在降低。當(dāng)車速降至0時(shí)，制動(dòng)回饋則不再起作用。制動(dòng)前車輛速度為59.6 km/h，經(jīng)過(guò)14.86 s，制動(dòng)后車速為6.4 km/h，制動(dòng)的總距離為129.0 m。車輛輕微制動(dòng)電量實(shí)際消耗0.38 Ah，回饋電量為0.15 Ah，相比無(wú)能量回饋測(cè)試電量降低28.3%。

圖11 輕踩踏板制動(dòng)能量回收

圖12描述了司機(jī)深踩制動(dòng)踏板時(shí)，車輛的滑行能量回饋和制動(dòng)能量回饋過(guò)程。其中，從6.1 s到6.5 s，車輛處在滑行能量回饋模式，制動(dòng)踏板開(kāi)關(guān)信號(hào)在6.5 s時(shí)被觸發(fā)，此時(shí)車輛切換到制動(dòng)能量回饋模式。整個(gè)制動(dòng)過(guò)程共歷時(shí)6.4 s，車速則由制動(dòng)前的59.6 km/h減速到最終車速5 km/h，制動(dòng)過(guò)程行駛的總距離為58.65 m，實(shí)現(xiàn)的電量回饋量為0.09 Ah，深踩制動(dòng)踏板過(guò)程實(shí)際電量消耗0.44 Ah，相比無(wú)能量回饋時(shí)的測(cè)試，電量節(jié)約16.7%，制動(dòng)過(guò)程中最大減速度為-3.1 m/s2。

另外，在車輛高速行駛且需要制動(dòng)時(shí)，為確保車輛安全制動(dòng)，制動(dòng)能量回饋被禁止。圖13是高速制動(dòng)中禁止制動(dòng)能量回饋曲線，在5 s時(shí)加速踏板收回，車輛處在滑行制動(dòng)模式，在8 s時(shí)車速較高，禁止滑行能量回饋和制動(dòng)能量回饋，車輛僅在液壓制動(dòng)力的作用下制動(dòng)，制動(dòng)回饋模式在車速降至60 km/h時(shí)起作用。該試驗(yàn)過(guò)程共歷時(shí)14.24 s，從試驗(yàn)制動(dòng)前車速為78.8 km/h到試驗(yàn)完成制動(dòng)后車速為5 km/h，制動(dòng)過(guò)程行駛的總距離為185.6 m，實(shí)際電量消耗0.68 Ah，滑行過(guò)程回饋電量為0.10 Ah，制動(dòng)過(guò)程回饋電量為0.07 Ah。

在電池SOC較高情況下，滑行與制動(dòng)能量回饋被禁止的制動(dòng)過(guò)程如圖14的測(cè)試所示。圖中電池SOC為0.97，加速踏板在2.6 s時(shí)收回，VCU發(fā)出電機(jī)停機(jī)指令，電機(jī)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，使車輛不進(jìn)入滑行回饋模式。之后分別在3.7 s和8.6 s時(shí)對(duì)車輛制動(dòng)，VCU發(fā)送停機(jī)指令，僅在液壓制動(dòng)力作用下車輛車速逐漸下降。

圖12 深踩踏板制動(dòng)能量回收

圖13 高速時(shí)制動(dòng)能量回收

圖14 高SOC值時(shí)制動(dòng)能量回收

8 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)整車控制策略進(jìn)行研究，并在Simulink中完成整車控制策略的建模，利用代碼自動(dòng)生成功能完成軟件層的設(shè)計(jì)。參照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試了該電動(dòng)汽車動(dòng)力性、最高運(yùn)行車速等參數(shù)。對(duì)整車行駛控制策略進(jìn)行了驗(yàn)證，并對(duì)該車制動(dòng)能量回收策略進(jìn)行了測(cè)試分析。研究結(jié)果證明：利用Simulink開(kāi)發(fā)整車控制器完全可行，這對(duì)于電動(dòng)車的研發(fā)是很有意義的。利用Simulink將試驗(yàn)仿真后再生成C代碼導(dǎo)入并編譯成可執(zhí)行代碼，無(wú)需直接進(jìn)行代碼的輸寫，可在一定程度上減少調(diào)試和驗(yàn)證的工作量，縮短開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本。

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