純電動(dòng)汽車VCU硬件在環(huán)測(cè)試技術(shù)研究

晏江華，劉全周，劉鐵山

（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津 300130）

2020年中國(guó)新能源汽車發(fā)展預(yù)計(jì)將會(huì)達(dá)到145萬輛，而純電動(dòng)汽車作為新能源汽車發(fā)展的主力軍，必將是今后發(fā)展過程中關(guān)注的重點(diǎn)。在整車V型研發(fā)過程中，為了更全面地完善設(shè)計(jì)需求以及問題反饋，硬件在環(huán)（Hardware in the Loop，HIL）仿真測(cè)試貫穿于研發(fā)的各個(gè)階段，已成為研發(fā)過程中不可缺少的部分［1］，尤其在如今電控技術(shù)高速發(fā)展的狀態(tài)下，HIL仿真測(cè)試能夠盡早地發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)當(dāng)中存在的問題，幫助工程師解決ECU開發(fā)過程中的問題，提升整車開發(fā)品質(zhì)和穩(wěn)定性。

整車控制器是電動(dòng)汽車的核心部件，主要對(duì)整車上、下電，車輛模式切換、扭矩分配、故障檢測(cè)以及網(wǎng)絡(luò)管理等方面進(jìn)行控制和管理。VCU在電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)中扮演著重要角色，因此在VCU開發(fā)流程中需要納入嚴(yán)格的測(cè)試保證其開發(fā)品質(zhì)。HIL仿真測(cè)試能夠仿真VCU在極限工況以及故障狀態(tài)下的車輛運(yùn)行工況，提升了VCU測(cè)試驗(yàn)證的廣度和深度，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全面測(cè)試。由于HIL仿真測(cè)試的靈活性以及便利性，大大縮減了研發(fā)周期，節(jié)省了開發(fā)成本，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。

本文基于MATLAB/Simulink建立整車模型，以某純電動(dòng)車型控制器為測(cè)試對(duì)象，利用dSPACE軟硬件搭建純電動(dòng)汽車VCU硬件在環(huán)仿真測(cè)試環(huán)境，對(duì)整車控制器進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證工作。

1 VCU HIL測(cè)試系統(tǒng)基本原理

1.1 VCU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1為純電動(dòng)汽車VCU結(jié)構(gòu)示意圖。整車控制器包括微控制器、模擬量采集和輸出、開關(guān)量采集、數(shù)字量驅(qū)動(dòng)輸出、繼電器驅(qū)動(dòng)、高速CAN總線接口、供電系統(tǒng)等模塊。VCU對(duì)純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行協(xié)調(diào)管理和監(jiān)控，提升整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。

整車控制器獲取駕駛員駕駛意圖，結(jié)合CAN總線采集的動(dòng)力電池和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的狀態(tài)信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和計(jì)算，發(fā)送電機(jī)控制和電池管理以及其他控制指令，實(shí)現(xiàn)整車驅(qū)動(dòng)控制、能量管理控制、制動(dòng)回饋控制、空調(diào)系統(tǒng)控制以及顯示控制。整車控制器還具備故障診斷和故障處理功能，實(shí)現(xiàn)整車故障保護(hù)以及安全處理。

1.2 VCU HIL系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖2所示，VCU HIL系統(tǒng)主要包含以下幾個(gè)部分：待測(cè)VCU、HIL測(cè)試機(jī)柜、上位機(jī)軟件、整車模型。

HIL機(jī)柜根據(jù)VCU接口特性與VCU建立映射連接關(guān)系，一方面對(duì)VCU進(jìn)行供電控制以及傳感器信號(hào)仿真，另一方面對(duì)VCU控制信號(hào)進(jìn)行采集監(jiān)測(cè)。上位機(jī)軟件主要基于dSPACE ControDesk軟件環(huán)境，實(shí)現(xiàn)測(cè)試界面開發(fā)以及測(cè)試實(shí)施管理工作。整車模型包括IO接口模型和車輛模型兩部分，IO模型實(shí)現(xiàn)機(jī)柜IO資源的配置管理，車輛模型主要建立VCU運(yùn)行控制的虛擬整車環(huán)境。車輛模型包括電機(jī)模型、電池模型、車輛動(dòng)力學(xué)模型、道路環(huán)境模型、Soft ECU等模塊。

2 仿真測(cè)試環(huán)境的搭建

硬件在環(huán)測(cè)試平臺(tái)搭建主要包含3大部分：硬件系統(tǒng)開發(fā)、整車模型開發(fā)、測(cè)試軟件開發(fā)［2］。利用MATLAB/Simulink搭建整車模型，基于dSPACE軟硬件平臺(tái)對(duì)VCU仿真測(cè)試環(huán)境進(jìn)行搭建。

圖1 純電動(dòng)汽車VCU結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 VCU HIL系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 硬件系統(tǒng)開發(fā)

整車控制器硬件在環(huán)測(cè)試平臺(tái)基于dSPACE仿真系統(tǒng)，dSPACE硬件采用SCALEXIO硬件平臺(tái)，SCALEXIO Realtime PC 采用 Intel XEON E-1275v3 處理器，運(yùn)算主頻高達(dá) 3.5GHz，擁有 4GB RAM 內(nèi)存。資源板卡采用DS2680-2672板卡，該板卡為 SCALEXIO 中的多功能 IO 板卡，具有ADC、DI、DAC、PWM、RES、CAN、LIN多類型資源仿真通道。該硬件平臺(tái)與Matlab/Simulink無縫集成，支持實(shí)施在線仿真測(cè)試。

根據(jù)VCU接口資源類型及其接口參數(shù)特性，進(jìn)行HIL接口資源分配，并完成機(jī)柜和VCU之間的物理連接。

2.2 整車模型開發(fā)

整車模型主要包括IO模型和車輛模型，其中車輛模型最主要的模塊是電機(jī)模型、電池模型、車輛動(dòng)力學(xué)模型。

2.2.1 IO模型開發(fā)

IO模型其主要作用是對(duì)實(shí)時(shí)仿真器硬件輸入輸出接口進(jìn)行配置以及所有信號(hào)的信號(hào)調(diào)理，根據(jù)控制器引腳定義確定信號(hào)類型來配置接口［3］，采用dSPACE配置軟件ConfigurationDesk實(shí)現(xiàn)IO模型的配置（圖3），配置其中的A/D、D/A、PWM、DIGIN等信號(hào)，并生成IO接口模型，同時(shí)通過RTICANMM模塊對(duì)總線通信進(jìn)行配置，完成IO模型開發(fā)。

圖3 IO模型配置

2.2.2 電池模型

本文電池模型主要以試驗(yàn)數(shù)據(jù)建模為主，根據(jù)查表法建立相關(guān)的特性，結(jié)合等效電路法的理論指導(dǎo)建立電池模型。利用電池OCV特性曲線可以得到電池開路電壓和內(nèi)阻，采用安時(shí)積分法求得電池SOC［4］。

式中：SOC0——初始SOC；I——電流；Qn——電池組額定容量；η——電池充放電庫(kù)倫效率。

2.2.3 電機(jī)模型

基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)搭建的電機(jī)模型主要包含3部分，分別是扭矩計(jì)算模型、效率特性模型和熱模型。在VCU測(cè)試中主要關(guān)心電機(jī)轉(zhuǎn)速扭矩的輸出，因此忽略熱模型對(duì)電機(jī)整體輸出的影響。通過建立與電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關(guān)系式T=f（n），可以確定電機(jī)輸出扭矩，電機(jī)的效率可以通過PMG=TMGωMGηMG來表示［5］。其中：PMG為電機(jī)功率；TMG為電機(jī)扭矩；ωMG為電機(jī)轉(zhuǎn)速；ηMG為電機(jī)效率。圖4為電機(jī)效率曲線。

2.2.4 車輛動(dòng)力學(xué)模型

車輛動(dòng)力學(xué)模型是將前端傳遞過來的力矩經(jīng)過等效變換轉(zhuǎn)化成車輪處的速度。車輛在行駛過程中需要克服阻力，主要包括：滾動(dòng)阻力、空氣阻力、坡道阻力、加速阻力。汽車行駛的驅(qū)動(dòng)方程為：Ft=Ff+FW+Fi+Fj，式中：Ft為汽車驅(qū)動(dòng)力，F(xiàn)f為汽車滾動(dòng)阻力，F(xiàn)W為空氣阻力，F(xiàn)i為坡道阻力，F(xiàn)j為加速阻力?？梢缘玫杰囕v行駛過程中的加速度：Ma=Ff-Ff-FW-Fi，利用積分可以得到車輛的速度。按照車輛動(dòng)力學(xué)傳遞原理，結(jié)合各部件特性可以得到整車縱向動(dòng)力傳動(dòng)模型，如圖5所示。

圖4 電機(jī)效率曲線

圖5 車輛動(dòng)力學(xué)模型

2.2.5 整車模型參數(shù)化與閉環(huán)調(diào)試

IO模型和車輛模型在Simulink環(huán)境下進(jìn)行整車模型集成，模型集成后進(jìn)行整車模型參數(shù)化以及閉環(huán)調(diào)試工作。VCU測(cè)試系統(tǒng)整車模型參數(shù)包括車輛阻力模型參數(shù)、電機(jī)模型參數(shù)、電池參數(shù)、逆變器模型參數(shù)。模型參數(shù)化采用dSPACE專用參數(shù)化軟件ModelDesk（圖6），參數(shù)化后設(shè)置不同的測(cè)試工況對(duì)整車模型進(jìn)行閉環(huán)校正，通過閉環(huán)反饋結(jié)果對(duì)整車參數(shù)進(jìn)行修正，最終虛擬整車環(huán)境達(dá)到接近于實(shí)車測(cè)試環(huán)境的效果。

圖6 模型參數(shù)化環(huán)境

2.3 測(cè)試軟件開發(fā)

通過dSPACE ControlDesk軟件創(chuàng)建測(cè)試管理界面，對(duì)整個(gè)測(cè)試過程進(jìn)行控制和管理，能夠進(jìn)行硬件管理、虛擬儀表顯示、數(shù)據(jù)監(jiān)控、變量及參數(shù)設(shè)置，并進(jìn)行模型的下載。

根據(jù)VCU測(cè)試需求，將測(cè)試管理界面進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，分為電源控制模塊、駕駛員操作模塊、電機(jī)控制模塊、電池控制模塊、空調(diào)控制模塊等，在不同的模塊下面，設(shè)置對(duì)應(yīng)的VCU輸入控制控件，同時(shí)設(shè)置VCU對(duì)應(yīng)的信號(hào)顯示控件。 根據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)配置生成CAN通信管理界面，實(shí)現(xiàn)CAN通信的仿真以及監(jiān)控。通過Plotter顯示模型變量實(shí)時(shí)變化曲線，定義硬件觸發(fā)和時(shí)間觸發(fā)條件來開始和結(jié)束曲線顯示。圖7為測(cè)試軟件開發(fā)。

圖7 測(cè)試軟件開發(fā)

3 VCU硬件在環(huán)測(cè)試開發(fā)及驗(yàn)證

3.1 VCU測(cè)試開發(fā)

依據(jù)VCU功能規(guī)范及診斷規(guī)范進(jìn)行測(cè)試開發(fā)工作，設(shè)計(jì)相應(yīng)的測(cè)試用例進(jìn)行VCU功能邏輯測(cè)試及診斷功能測(cè)試。測(cè)試用例設(shè)計(jì)采用等價(jià)類劃分法、邊界值分析法、決策表法、狀態(tài)轉(zhuǎn)移測(cè)試法、經(jīng)驗(yàn)測(cè)試法等多種方法融合互補(bǔ)。

從功能、故障診斷、網(wǎng)絡(luò)通信、整車集成幾個(gè)模塊出發(fā)，測(cè)試內(nèi)容覆蓋如下幾個(gè)方面：①VCU正向及逆向功能控制邏輯驗(yàn)證；②實(shí)車工況模擬，例如NEDC工況；③電氣接口測(cè)試：輸入、輸出的電氣特性測(cè)試；④邊界測(cè)試：針對(duì)各功能及性能邊界條件的測(cè)試；⑤交互式功能測(cè)試：針對(duì)各功能的交互式測(cè)試；⑥電壓適應(yīng)性、電源管理功能測(cè)試；⑦網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層及節(jié)點(diǎn)交互式網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證；⑧網(wǎng)絡(luò)通信與休眠喚醒；⑨掉電復(fù)位工況；⑩極限工況性能測(cè)試；11電氣故障工況模擬（開路、短路到電、短路到電源、線束間互短）；12功能性故障模擬；13網(wǎng)絡(luò)通信故障模擬（Invalid，高負(fù)載、CRC錯(cuò)誤、滾碼計(jì)數(shù)器錯(cuò)誤、丟幀模擬、節(jié)點(diǎn)丟失等）；14VCU診斷故障碼DTC記錄策略驗(yàn)證以及診斷功能測(cè)試。

3.2 測(cè)試驗(yàn)證結(jié)果

硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)主要包括功能測(cè)試、網(wǎng)絡(luò)通信測(cè)試、故障診斷測(cè)試［6］以及整車集成測(cè)試，本文主要對(duì)通信和功能測(cè)試進(jìn)行了闡述。

3.2.1 CAN網(wǎng)絡(luò)通信測(cè)試

待測(cè)VCU中包含兩路CAN通信：B-CAN與P-CAN。B-CAN主要是與車身系統(tǒng)相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)通信，例如AC、IC等與VCU的信息交互；P-CAN主要是與動(dòng)力相關(guān)的控制器與VCU之間的通信。利用ControlDesk當(dāng)中的CAN Monitor監(jiān)控各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信信息。參考通信協(xié)議可以測(cè)試接收和發(fā)送的報(bào)文是否正確。圖8為P-CAN上MCU發(fā)送給VCU的一幀報(bào)文。通過圖8對(duì)比通信協(xié)議可以看出，該幀報(bào)文與協(xié)議設(shè)計(jì)報(bào)文的ID、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、信號(hào)位分布等信息均保持一致，符合測(cè)試要求。

圖8 CAN網(wǎng)絡(luò)通信測(cè)試

3.2.2 高壓上電測(cè)試

車輛電源管理系統(tǒng)共有4個(gè)狀態(tài)，分別是：OFF（-1）、ACC（0）、ON（1）和Start（2），圖9記錄了鑰匙從OFF 旋轉(zhuǎn)到Start的過程中車輛主、負(fù)繼電器，預(yù)充繼電器，12V低壓繼電器、DCDC繼電器的狀態(tài)。由圖9可知在鑰匙由ACC旋轉(zhuǎn)至ON的過程中，主負(fù)繼電器先閉合，然后12V低壓繼電器閉合，最后主正繼電器結(jié)合，檢測(cè)無故障時(shí)預(yù)充繼電器結(jié)合對(duì)電機(jī)進(jìn)行預(yù)充電，預(yù)充完成后當(dāng)鑰匙到達(dá)Start擋時(shí)，整車Ready，完成高壓上電。從測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)VCU能夠正常識(shí)別輸入命令完成整車高壓上電過程。

圖9 VCU高壓上電測(cè)試

3.2.3 整車性能測(cè)試

整車性能測(cè)試主要是當(dāng)車輛在加速、制動(dòng)等過程中觀察VCU能否將駕駛員命令準(zhǔn)確解析傳遞給MCU、BMS等，使車輛按照設(shè)計(jì)目標(biāo)運(yùn)行。

當(dāng)車輛處于Ready狀態(tài)后，踩下制動(dòng)踏板，掛到D擋位，松開制動(dòng)踏板，踩下加速踏板。圖10a為從起步到加速的過程，在第12 s時(shí)VCU收到加速踏板增大至65%的信號(hào)，向MCU進(jìn)行扭矩請(qǐng)求，MCU給電機(jī)輸出扭矩命令，紅色為加速踏板，藍(lán)色為電機(jī)扭矩輸出?？梢园l(fā)現(xiàn)當(dāng)踩下加速踏板后，電機(jī)迅速響應(yīng)輸出大扭矩，隨著車速的增大，電機(jī)輸出扭矩降低，當(dāng)車速穩(wěn)定的時(shí)候電機(jī)輸出扭矩同樣比較平緩，符合電機(jī)輸出特性。在第70 s時(shí)，松開加速踏板，此時(shí)車輛處于滑行階段，車速開始降低，電機(jī)扭矩變?yōu)樨?fù)，車輛進(jìn)入制動(dòng)能量回收狀態(tài)。由圖10b可以觀測(cè)到電池電流變?yōu)樨?fù)，電池開始充電。最后踩制動(dòng)踏板，車速迅速下降，電機(jī)輸出扭矩變?yōu)?，電流變?yōu)?。車輛整個(gè)運(yùn)行過程中電池輸出電壓幾乎不變，維持在402V左右，符合設(shè)計(jì)的功能要求。

圖10 車輛加速及制動(dòng)測(cè)試

4 結(jié)論

本文基于dSPACE硬件在環(huán)測(cè)試平臺(tái)，從硬件系統(tǒng)開發(fā)、整車模型開發(fā)、測(cè)試軟件開發(fā)到VCU的測(cè)試實(shí)施，闡述了整車控制器硬件在環(huán)測(cè)試驗(yàn)證的技術(shù)和方法。通過實(shí)際測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，利用該HIL測(cè)試仿真平臺(tái)可以迅速有效驗(yàn)證VCU基本功能是否滿足設(shè)計(jì)要求，為VCU開發(fā)工作縮短了設(shè)計(jì)周期，降低了VCU開發(fā)成本，同時(shí)為后續(xù)實(shí)車驗(yàn)證提供了反饋驗(yàn)證的條件。