殘余總線仿真平臺(tái)在新能源汽車(chē)上的應(yīng)用

熊杰，金振華,2

(1.清華大學(xué)汽車(chē)工程系國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；2.北京電動(dòng)車(chē)輛協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100084)

新能源車(chē)相對(duì)傳統(tǒng)燃油汽車(chē)有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境治理的不斷重視，新能源車(chē)也迎來(lái)了越來(lái)越好的發(fā)展時(shí)機(jī)。新能源車(chē)控制器的開(kāi)發(fā)是新能源車(chē)發(fā)展的重要內(nèi)容，控制器在前期開(kāi)發(fā)過(guò)程中，需要大量的臺(tái)架試驗(yàn)和道路試驗(yàn)[1-3]。新能源車(chē)上有整車(chē)控制器、BMS控制器、電機(jī)控制器等，汽車(chē)控制器之間通過(guò)內(nèi)部高速CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。如果要驗(yàn)證目標(biāo)控制器的內(nèi)部CAN通信功能，按常規(guī)的測(cè)試方法，需要連接多個(gè)控制器實(shí)物進(jìn)行通信,國(guó)內(nèi)外臺(tái)架測(cè)試一般使用這種方案，其優(yōu)勢(shì)是測(cè)試結(jié)果更接近真實(shí)情況，不足是系統(tǒng)復(fù)雜，成本高。采用殘余總線仿真的方法可以驗(yàn)證目標(biāo)控制器的CAN通信功能，減少控制器測(cè)試系統(tǒng)的復(fù)雜度并大大降低測(cè)試成本[4-7]。本研究提出了一種新能源汽車(chē)控制器殘余總線測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)方法，可以有效驗(yàn)證目標(biāo)控制器的CAN通信功能。

1 總體設(shè)計(jì)

新能源車(chē)控制器主要有整車(chē)控制器、電機(jī)控制器、電池管理系統(tǒng)控制器等[8-14]。殘余總線仿真系統(tǒng)原理見(jiàn)圖1。上位機(jī)運(yùn)行Windows操作系統(tǒng)和NI Veristand軟件測(cè)試環(huán)境。殘余總線仿真的目的是通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真模型來(lái)模擬CAN通信網(wǎng)絡(luò)中除待測(cè)控制器以外的CAN通信節(jié)點(diǎn)。在整個(gè)CAN通信網(wǎng)絡(luò)中，其實(shí)是一個(gè)真實(shí)的待測(cè)控制器和多個(gè)虛擬的控制器進(jìn)行CAN通信。這些虛擬的控制器我們稱(chēng)為VECU，這些VECU根據(jù)它們功能特點(diǎn)的不同，有不同的算法模型，這些算法模型通常使用第三方工具M(jìn)ATLAB/Simulink/Stateflow搭建。通過(guò)離線仿真可以對(duì)VECU的算法模型進(jìn)行初步的功能驗(yàn)證。模型通過(guò)上位機(jī)電腦MATLAB/Simulink軟件編譯器編譯為DLL文件，下載到一個(gè)運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的基于PXI架構(gòu)的實(shí)時(shí)控制器上就可以實(shí)時(shí)運(yùn)行了,VECU算法模型的輸入輸出參數(shù)可以很方便地映射到實(shí)時(shí)控制器硬件板卡的相應(yīng)I/O通道上。在上位機(jī)電腦上通過(guò)Veristand軟件平臺(tái)可以實(shí)時(shí)控制多個(gè)VECU的CAN通信狀態(tài)，在PXI實(shí)時(shí)控制器中可以下載并運(yùn)行多個(gè)VECU的模型。待測(cè)ECU在與VECU進(jìn)行CAN通信時(shí)，其通信過(guò)程和真實(shí)的ECU通信是一樣的，可以通過(guò)觀測(cè)通信總線的狀態(tài)和信號(hào)傳遞時(shí)序發(fā)現(xiàn)CAN通信是否正常工作，比如數(shù)據(jù)幀是否有丟幀等情況。用殘余總線仿真平臺(tái)進(jìn)行待測(cè)控制器的CAN通信功能測(cè)試和用實(shí)物控制器進(jìn)行CAN通信功能測(cè)試相比較，可以評(píng)估殘余總線仿真的有效性。

圖1 殘余總線仿真系統(tǒng)原理

2 硬件設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)的殘余總線仿真系統(tǒng)采用基于PXI架構(gòu)的實(shí)時(shí)控制器及配套的I/O接口板卡搭建。PXI是一種開(kāi)放的儀器總線，它的特點(diǎn)是具備堅(jiān)固的工業(yè)封裝以及插針式結(jié)構(gòu)，具有豐富的I/O、通信接口卡以及定時(shí)和觸發(fā)能力[13]。殘余總線仿真系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)包括上位機(jī)、下位機(jī)及信號(hào)接口板。上位機(jī)采用一臺(tái)工業(yè)控制PC，安裝有Veristand軟件環(huán)境以及Visual Studio C代碼編譯器。下位機(jī)結(jié)構(gòu)包括PXI-1062機(jī)箱、PXI-8115控制器、PXI-8512 CAN通信接口卡。信號(hào)接口板的作用是將各個(gè)板卡的I/O信號(hào)線引出，方便與待測(cè)控制器進(jìn)行線束連接。下位機(jī)硬件為PXI系統(tǒng)，在PXI實(shí)時(shí)控制器上運(yùn)行PharLab實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，通過(guò)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)方式與上位機(jī)連接，其功能主要是實(shí)現(xiàn)程序的下載和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)主要參數(shù)的實(shí)時(shí)觀測(cè)。

圖2 殘余總線仿真系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 基于Veristand的軟件設(shè)計(jì)

Veristand是針對(duì)HiL仿真測(cè)試系統(tǒng)而開(kāi)發(fā)的軟件環(huán)境，其工作原理見(jiàn)圖3。

圖3 Veristand工作原理

Veristand能夠配置模擬、數(shù)字和基于FPGA的硬件I/O接口，能夠從NI LabVIEW和MathWorks Simulink等建模環(huán)境中導(dǎo)入控制算法和仿真模型，能夠配置激勵(lì)生成、記錄數(shù)據(jù)、計(jì)算通道和事件報(bào)警，能夠利用操作界面實(shí)時(shí)在線監(jiān)控運(yùn)行任務(wù)并與之交互。Veristand開(kāi)發(fā)環(huán)境運(yùn)行于上位機(jī)，其中資源管理器對(duì)實(shí)時(shí)應(yīng)用程序進(jìn)行定義，一個(gè)典型的實(shí)時(shí)應(yīng)用程序需要配置控制模型、硬件I/O接口及通信接口；工作界面包含可自由編輯的人機(jī)接口界面，界面主要有多種輸入控件和顯示控件可以與實(shí)時(shí)應(yīng)用程序進(jìn)行交互；激勵(lì)編輯器用于創(chuàng)建測(cè)試腳本，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試。Veristand實(shí)時(shí)引擎在下位機(jī)運(yùn)行，主要實(shí)現(xiàn)模型算法的運(yùn)行、參數(shù)更新、I/O通道刷新以及參數(shù)和故障報(bào)警燈功能。其通過(guò)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)進(jìn)行通信，發(fā)送實(shí)時(shí)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，同時(shí)接收上位機(jī)設(shè)定的相關(guān)參數(shù)。Veristand定時(shí)功能由硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)，控制精度可達(dá)微秒級(jí)別，同時(shí)引擎可執(zhí)行多個(gè)定時(shí)循環(huán)。

3.2 充電機(jī)模型

本研究以車(chē)載充電機(jī)作為一個(gè)CAN通信節(jié)點(diǎn)與BCU進(jìn)行通信。充電機(jī)Stateflow模型(見(jiàn)圖4)主要分三部分：初始化、充電循環(huán)、充電結(jié)束。初始化模塊主要對(duì)充電機(jī)狀態(tài)進(jìn)行初始化，充電機(jī)狀態(tài)包括充電機(jī)工作狀態(tài)、充電機(jī)充電電流、充電機(jī)充電電壓；充電循環(huán)模塊功能是與BMS進(jìn)行握手通信后，按照BMS充電指令進(jìn)行充電循環(huán)；充電結(jié)束模塊判斷電池是否充滿電量和充電異常情況，如果滿足條件將會(huì)關(guān)閉充電機(jī)輸出，停止工作。

圖4 充電機(jī)模型

3.3 電池模型

電池模型(見(jiàn)圖5)采用二階電池模型，戴維南等效電路模型。電池模型主要有三個(gè)模塊：SOC計(jì)算、電壓計(jì)算、極化電流計(jì)算。電池模型有2個(gè)獨(dú)立的回路，一個(gè)是電流源，一個(gè)是電壓源，可以仿真電池的極化現(xiàn)象和自放電現(xiàn)象[14-15]。在電池放電達(dá)到截止電壓時(shí)，定義SOC為0，而電池完全充滿到最高截止電壓時(shí)，SOC為100%。電池的端電壓可以通過(guò)電池管理監(jiān)測(cè)芯片實(shí)時(shí)采集，用來(lái)判斷電池的SOC狀態(tài)。

圖5 電池模型

在電池電路模型中，SOC是一個(gè)很重要的參數(shù)。計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

Ip=f(SOC,Iinstant)，

(3)

VOC=f(SOC,Ip,Iinstant)。

(4)

式中：Qr為剩余電量；Qi為初始的Ah數(shù)；Q0為標(biāo)定Ah數(shù)；SOC為荷電狀態(tài)；Iinstant為瞬時(shí)電流；Ip為極化電流；VOC為電池開(kāi)路電壓。

電池模型中單體電壓可以隨著充電機(jī)充電參數(shù)的變化而變化。

4 應(yīng)用

殘余總線測(cè)試適用于需要對(duì)被測(cè)ECU進(jìn)行多個(gè)相關(guān)聯(lián)ECU的CAN通信聯(lián)調(diào)的情況。本研究待測(cè)ECU選擇BMS的主控制器BCU，測(cè)試界面見(jiàn)圖6。測(cè)試界面可以監(jiān)測(cè)充電機(jī)和BCU的CAN通信數(shù)據(jù)和狀態(tài)，也可以仿真BMU的功能進(jìn)行電池參數(shù)采集后通過(guò)CAN數(shù)據(jù)發(fā)送，在上位機(jī)可以直接控制BMU的輸出數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)BCU控制策略算法的驗(yàn)證。

圖6 測(cè)試界面

4.1 BCU與BMU的通信測(cè)試

本研究待測(cè)的控制器是某混合動(dòng)力汽車(chē)所用的BMS，該BMS采用主從結(jié)構(gòu)，即有一個(gè)主控制器BCU，一個(gè)從控制器BMU。主控器BCU主要功能包括SOC算法、均衡策略算法、安全策略、CAN通信、充放電管理、溫度管理。從控制器BMU主要功能是單體電壓采集、溫度采集、均衡功能。

表1示出虛擬的BMU與真實(shí)BCU進(jìn)行CAN通信的部分?jǐn)?shù)據(jù)。此系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)測(cè)試BCU與BMU的通信功能，如果有通信異?；驁?bào)錯(cuò)會(huì)在Veristand的人機(jī)接口界面實(shí)時(shí)觀測(cè)到。此系統(tǒng)也可以通過(guò)Veristand軟件環(huán)境注入故障信息，觀察BCU的響應(yīng)，此功能不作詳細(xì)描述。

表1 BMS內(nèi)部CAN通信部分?jǐn)?shù)據(jù)

4.2 BCU與充電機(jī)通信

本研究需要仿真的充電機(jī)為車(chē)載充電機(jī)，型號(hào)為CH4110-14420，適用于144 V鋰電池組，輸入電壓是220 V，額定輸出電壓是144 V，充電電流最大20 A。車(chē)載充電機(jī)具有CAN通信功能，這樣有利于在充電過(guò)程中隨時(shí)控制充電機(jī)的狀態(tài)。因此將該款充電機(jī)作為CAN通信網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)通信節(jié)點(diǎn)，可以與CAN通信總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，也可以與通信總線上的其他CAN通信節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。在充電前，BCU需要和充電機(jī)進(jìn)行CAN通信握手，充電機(jī)向BCU發(fā)送充電機(jī)是否允許充電的CAN報(bào)文(0x1806E5F4)，如果允許充電，BCU會(huì)發(fā)送一幀CAN報(bào)文命令(0x18FF50E5)，根據(jù)鋰電池當(dāng)前的狀態(tài)，輸出鋰電池需要的最大充電電壓、最大充電電流和充電機(jī)控制字狀態(tài)。

本研究針對(duì)BCU進(jìn)行殘余總線仿真測(cè)試，充電機(jī)作為CAN通信網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)通信節(jié)點(diǎn)，采用計(jì)算機(jī)模型仿真取代真實(shí)的充電機(jī)，方便進(jìn)行充電機(jī)控制和測(cè)試，也更加安全。表2示出了BCU和充電機(jī)的CAN通信過(guò)程。

表2 BCU與充電機(jī)CAN通信部分?jǐn)?shù)據(jù)

對(duì)于充電機(jī)和BCU之間的通信故障、通信延時(shí)等問(wèn)題，都可以通過(guò)殘余總線仿真測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行觀察和調(diào)試。根據(jù)充電機(jī)和BCU的通信時(shí)序(見(jiàn)圖7)，可以知道兩個(gè)CAN通信節(jié)點(diǎn)之間的通信過(guò)程，通過(guò)殘余總線仿真平臺(tái)試驗(yàn)可以得到兩者通信的通信時(shí)序。

圖8示出了多個(gè)ECU進(jìn)行聯(lián)調(diào)BCU的響應(yīng)情況。試驗(yàn)過(guò)程中，只有被測(cè)對(duì)象BCU采用了實(shí)物，而其他ECU為VECU，即模型算法。在試驗(yàn)前，已知鋰電池單體的允許最高電壓為4.15 V，當(dāng)超過(guò)該值繼續(xù)充電的話，會(huì)嚴(yán)重?fù)p害電池。電池管理系統(tǒng)具有單體電池過(guò)高保護(hù)功能，如果單體電壓超過(guò)限值，BCU會(huì)強(qiáng)制斷開(kāi)充電回路。在試驗(yàn)過(guò)程中，可以在上位機(jī)通過(guò)Veristand軟件平臺(tái)對(duì)整個(gè)殘余總線仿真系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和實(shí)時(shí)控制。通過(guò)在上位機(jī)控制面板上控制電池模型的電壓輸出參數(shù)，可以給某個(gè)單體電池提高電壓以達(dá)到加快試驗(yàn)進(jìn)度的作用。正常充電過(guò)程中，充電電壓(CAN_CCS_CHAR_V)和充電電流(CAN_CCS_CHAR_C)分別為160 V和17 A，當(dāng)單體最高電壓在7:20時(shí)刻達(dá)到4.15 V以上，會(huì)觸發(fā)BCU的安全保護(hù)控制策略，BCU會(huì)向充電機(jī)發(fā)送CAN控制命令停止充電機(jī)充電，此時(shí)BCU發(fā)送的控制命令字節(jié)(CAN_BMS_CTL_CHA)值為1,充電機(jī)的充電電壓(CAN_CCS_CHAR_V)和充電電流(CAN_CCS_CHAR_C)輸出都為0。當(dāng)單體最高電壓降低到4.15 V以下時(shí)，BCU經(jīng)過(guò)t時(shí)間(程序設(shè)置的延遲時(shí)間)的延時(shí)后會(huì)重新進(jìn)入充電循環(huán)，此時(shí)BCU發(fā)送的控制命令字節(jié)(CAN_BMS_CTL_CHA)值為0，此時(shí)單體最高電壓在7:50時(shí)刻降低到4.1 V，充電機(jī)的充電電壓還是160 V，充電電流已經(jīng)下降到10 A。當(dāng)單體電池的電壓再次充電到4.15 V以上時(shí)，在8:50時(shí)刻，BCU又給充電機(jī)發(fā)送了停機(jī)指令，充電機(jī)的充電電壓和充電電流又迅速降為0。BCU響應(yīng)結(jié)果與預(yù)設(shè)的結(jié)果一致，即證明本研究設(shè)計(jì)的殘余總線仿真系統(tǒng)具有驗(yàn)證控制器的控制策略的功能。

圖7 充電過(guò)程通信時(shí)序圖

圖8 BMS充電功能驗(yàn)證

5 結(jié)束語(yǔ)

基于PXI實(shí)時(shí)控制器搭建一套控制器HIL測(cè)試系統(tǒng)。該HIL系統(tǒng)主要應(yīng)用于控制器的CAN通信總線測(cè)試，通過(guò)殘余總線仿真技術(shù)，大大降低了系統(tǒng)復(fù)雜度，降低了系統(tǒng)的測(cè)試成本，提高了測(cè)試效率。該仿真平臺(tái)可以用于BMS通信功能測(cè)試中。對(duì)BMS進(jìn)行通信功能測(cè)試只是殘余總線仿真技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)方向，采用類(lèi)似的設(shè)計(jì)思路，可以容易地搭建新能源汽車(chē)其他控制器的CAN通信測(cè)試系統(tǒng)，比如可用于整車(chē)控制器、電機(jī)控制器等ECU的殘余總線測(cè)試。