純電動汽車整車控制系統(tǒng)設(shè)計及其硬件在環(huán)仿真

鄭志敏， 謝勇波， 王文明， 文健峰， 楊杰君

(湖南中車時代電動汽車股份有限公司， 湖南 株洲 412007)

純電動整車控制技術(shù)直接決定著車輛運行的穩(wěn)定和安全[1-2]。由于接入整車控制器的信號繁多，且整車控制器針對各個對象的控制邏輯和算法較復(fù)雜，因此，在開發(fā)過程中，如果直接依托臺架試驗或?qū)嵻囼炞C，不僅存在較大風(fēng)險，還將大大增加開發(fā)成本和周期。

硬件在環(huán)(hardware-in-the-loop,HIL)仿真測試是一種針對控制算法和控制邏輯進行驗證和優(yōu)化的有效手段，不僅可以降低開發(fā)風(fēng)險，而且能夠有效縮短開發(fā)周期，因而在控制軟件開發(fā)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[3-4]。在電動汽車領(lǐng)域，硬件在環(huán)測試主要用于對電池管理系統(tǒng)[5-6]、電機控制器[7-8]和電動助力轉(zhuǎn)向[9]等的仿真測試，而對于復(fù)雜控制系統(tǒng)的建模方法驗證卻未涉及。

因此，針對純電動汽車整車控制策略，本文采用基于模型的方法進行分模塊建模，搭建基于dSPACE的硬件在環(huán)仿真測試平臺，對建立的整車控制策略進行硬件在環(huán)仿真，證明模型的正確性和合理性，以縮短開發(fā)周期。

1 純電動整車控制系統(tǒng)設(shè)計

1.1 控制系統(tǒng)功能設(shè)計

整車控制器是純電動汽車的控制核心，它通過CAN總線實現(xiàn)與整車其他零部件之間的通訊[10]。純電動整車控制模型采用模塊化設(shè)計，通過對整車控制功能的分解進行模塊化建模，保證各模塊之間的獨立性，同時可以保證整車控制軟件運行的穩(wěn)定性、擴展性、通用性以及可維護性。純電動整車控制模型采用自上而下的設(shè)計策略，即由頂層開始設(shè)計，然后逐層向下進行分解，功能分解圖如圖1所示。

圖1 整車控制模型功能分解圖

同時，整車控制模型以中斷的方式實現(xiàn)各模塊任務(wù)的調(diào)度，其程序主流程圖如圖2所示。

圖2 整車控制程序主流程圖

1.2 子模塊建模

整車控制子模塊為整車控制策略的核心，其承載著整個策略的運算部分，核心模塊主要包含信號處理模塊、整車模式與上下電管理模塊、駕駛員意圖解析與扭矩分配模塊及輔件控制模塊。

1) 信號處理模塊。信號處理模塊主要包括對硬線信號和CAN總線傳輸信號的處理，如對電池電壓和電機控制器電壓信號、電池電流和電機控制器電流信號、擋位信號、電池SOC信號、氣壓信號、車速信號、踏板信號等進行處理，保證信號不會因CAN通信故障或其他干擾而出現(xiàn)錯誤，影響車輛的正常運行。

2) 整車模式與上下電管理模塊。整車模式與上下電管理模塊主要由3部分組成，包括整車模式解析、上下電管理和充電管理，其主要功能為：根據(jù)電池狀態(tài)、電機狀態(tài)以及鑰匙操作情況，確認整車模式，結(jié)合整車模式和故障情況，對高壓接觸器進行控制，實現(xiàn)上下電管理，同時在充電情況下進行相應(yīng)控制。

3) 駕駛員意圖解析與扭矩分配模塊。駕駛員意圖解析與扭矩分配模塊主要由4部分組成，包括根據(jù)駕駛員踏板情況解析駕駛員期望扭矩、電機功率限制、電機最大扭矩限制、電機模式解析，其主要功能為：根據(jù)駕駛員操作驅(qū)動踏板、制動踏板的情況，計算出駕駛員的期望扭矩，在電機功率和電機最大扭矩的限制條件下，結(jié)合最優(yōu)的扭矩變化率，最后得出驅(qū)動電機的扭矩分配情況，并根據(jù)擋位狀態(tài)、電機狀態(tài)和整車模式，得到電機的模式狀態(tài)。

4) 輔件控制模塊。輔件控制模塊主要由5部分組成，包括熱管理控制、空調(diào)控制、DC/DC控制、助力轉(zhuǎn)向DC/AC控制和打氣泵DC/AC控制，其主要功能為：進行熱管理控制，保證電池、電機控制器和電機工作在合適的溫度范圍之內(nèi)，進行空調(diào)控制，保證空調(diào)功率的合理分配，進行DC/DC控制、助力轉(zhuǎn)向DC/AC控制和打氣泵DC/AC控制,保證DC/DC、助力轉(zhuǎn)向DC/AC和打氣泵DC/AC的正常工作。

1.3 系統(tǒng)集成

各個子模塊建模完成后，將各子模塊集成，并通過主模塊對各子模塊進行調(diào)用，同時以提高建模效率和增強模型可讀性為原則，對集成模型進行編譯后，將生成的S19文件下載到整車控制器。S19為飛思卡爾編譯器，將代碼轉(zhuǎn)換成的機器語言文件。

2 硬件在環(huán)仿真測試

硬件在環(huán)仿真測試平臺配置40V-38A的程控電源，用于模擬車輛低壓電池給整車控制器(VCU)供電，VCU是整車控制系統(tǒng)的硬件載體。PC機是硬件VCU在環(huán)仿真測試的人機交互界面，用來下發(fā)VCU在環(huán)仿真的測試參數(shù)，如擋位信號、鑰匙信號、踏板信號等，同時顯示VCU硬件在環(huán)仿真測試的結(jié)果。設(shè)備仿真模型用來仿真實現(xiàn)除VCU外其他部件的功能，如電機控制器(MCU)、電池管理單元(BMS)等。測試原理如圖3所示。

基于此硬件在環(huán)仿真測試平臺，在不同工況下對整車控制系統(tǒng)進行測試，驗證控制系統(tǒng)邏輯的正確性和合理性。

2.1 開環(huán)測試

開環(huán)測試的內(nèi)容包括傳感器信號定標、執(zhí)行器信號定標及CAN總線信號測試。其中，傳感器信號定標是通過在Simulator中設(shè)定各傳感器信號，并在整車控制器中檢驗各信號的正確性來實現(xiàn)；執(zhí)行器信號定標是通過在整車控制器中設(shè)定各執(zhí)行器的驅(qū)動信號，并在Simulator中檢驗各信號的正確性來實現(xiàn)；CAN總線信號測試是通過Simulator和整車控制器之間收發(fā)報文的正確性來實現(xiàn)。

經(jīng)過開環(huán)測試，測試內(nèi)容全部通過。

2.2 閉環(huán)測試

閉環(huán)測試是硬件在環(huán)仿真測試的核心，它是把整車控制器與模擬被控對象的仿真器連接起來，在實時環(huán)境下，對整車控制器的控制功能、通信功能和診斷功能進行測試。閉環(huán)測試包括被控對象的物理模型測試以及中國典型城市工況測試。

2.2.1 上下電時序測試

上電時序測試結(jié)果如圖4所示。從圖4可知，在外部條件滿足的情況下，鑰匙信號從關(guān)閉狀態(tài)打到ACC擋后，電池接觸器閉合，鑰匙信號從ACC擋打到ON擋后，高壓箱預(yù)充電接觸器首先閉合，經(jīng)過延時，達到設(shè)定的電壓條件后，主接觸器閉合，隨后預(yù)充電接觸器斷開，上電過程完成。

圖4 上電時序測試結(jié)果

在外部條件滿足的情況下，鑰匙信號從ON擋打到ACC擋后，經(jīng)過延時，高壓箱主接觸器首先斷開，鑰匙信號從ACC擋打到關(guān)閉狀態(tài)后，經(jīng)過延時，電池接觸器斷開，預(yù)充電接觸器在整個過程中無動作，下電過程完成。

2.2.2 駕駛員意圖解析和扭矩分配測試

駕駛員的加速踏板變化如圖5所示，對應(yīng)的目標扭矩和實際扭矩輸出如圖6所示。

圖5 駕駛員加速踏板變化情況

圖6 目標扭矩和實際扭矩變化情況

從圖6可知，在外部條件滿足的情況下，控制系統(tǒng)可以根據(jù)駕駛員加速踏板的變化，輸出合理的目標扭矩值,同時實際扭矩值也可以跟隨上目標扭矩值的變化，最終反映出駕駛員的駕駛意圖。

2.2.3 典型城市工況測試

本文選擇多種典型城市工況(CYC_INDIA_HWY+CYC_INDIA_URBAN+CYC_NewYorkBUS+CYC_UKBUS)相結(jié)合來作為測試工況，其中測試時間為7 461 s，距離為42.26 km，最大車速為76 km/h，平均車速為20.39 km/h，站點為143個，起始SOC為100%。具體仿真結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 測試車速情況

圖8 需求扭矩與實際輸出扭矩情況

從圖7可以看到，實際車速能夠很好地跟隨工況車速；從圖8可以看到，實際輸出扭矩能夠很好地跟隨工況需求扭矩，達到實際工況的要求。

同時，在典型城市工況的循環(huán)測試中，車輛的電耗為45.8 kW·h/100 km， SOC較為線性地從100%降到57%，具有較好的經(jīng)濟性。

3 結(jié)束語

本文采用基于模型的方法對該整車控制系統(tǒng)進行開發(fā)，并在硬件在環(huán)系統(tǒng)中進行功能驗證，結(jié)果表明，整車控制策略能夠滿足實際運行所需的控制功能和效果，在保證車輛穩(wěn)定運行的同時，也能保證車輛的經(jīng)濟性。