基于模型的雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)開發(fā)

宋振斌，李軍偉，孫賓賓，王培金,陳 靜

(1.山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院，山東 淄博 255049;2.淄博市公安局交通警察支隊(duì) 車輛管理所，山東 淄博 255000)

雙電機(jī)雙軸驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)的單電機(jī)單軸驅(qū)動(dòng)汽車相比，具有更好的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性，該構(gòu)型也是當(dāng)今電動(dòng)汽車研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一[1-3]。為充分挖掘該構(gòu)型的潛力，提高車輛性能,本文針對(duì)雙電機(jī)雙軸驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的整車控制系統(tǒng)展開研究。為了提高控制系統(tǒng)的開發(fā)效率，采用基于模型的設(shè)計(jì)方法開發(fā)高壓上電、加速踏板處理、擋位選擇、需求轉(zhuǎn)矩計(jì)算、驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩分配、能量回收和故障診斷等模塊控制策略，建立雙電機(jī)雙軸驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)的模型，借助相關(guān)工具完成對(duì)模型的驗(yàn)證和測(cè)試。模型配置完成后，利用嵌入式代碼自動(dòng)生成工具(Real-Time Workshop Embedded Coder)，將Simulink下的控制模型自動(dòng)轉(zhuǎn)換為嵌入式 ANSI C代碼，進(jìn)行應(yīng)用層C代碼的自動(dòng)生成[4]。該方法不僅可避免手工編寫代碼時(shí)出現(xiàn)的各種錯(cuò)誤，也能提高開發(fā)效率。這種基于圖形化模型的設(shè)計(jì)可以在設(shè)計(jì)初期對(duì)模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷并及時(shí)糾正，以避免后期出現(xiàn)問題而引起更大的損失。

1 整車控制系統(tǒng)模型

1.1 整車動(dòng)力構(gòu)型

本文所研究的雙電機(jī)雙軸驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車采用前后軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)的形式，構(gòu)型如圖1所示。

圖1 雙電機(jī)雙軸驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車構(gòu)型Fig.1 Configuration of dual motor dual-axis driving electric vehicle

該電動(dòng)汽車整車包括：(1) 動(dòng)力電池部分。整車裝備總電壓為144 V的動(dòng)力鋰電池，自帶電池管理系統(tǒng)(BMS，Battery Management System)，以并聯(lián)方式給兩路電機(jī)系統(tǒng)供電。(2) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分。整車前后軸分別匹配了相同大小的交流異步電機(jī)，每個(gè)電機(jī)使用獨(dú)立的電機(jī)控制器(MCU，Motor Control Unit)。(3) 整車控制部分。整車控制器(VCU,Vehicle Control Unit)作為整車控制的重要部件，通過采集整車及各部件的運(yùn)行狀態(tài)，確定相應(yīng)的策略控制整車運(yùn)行。(4) 傳動(dòng)系統(tǒng)部分。車輛前后軸裝備的主減速器傳動(dòng)比大小相同，并且由于電機(jī)特性更符合車輛行駛需求，取消了多擋變速器[5]。

1.2 整車控制模型

根據(jù)雙電機(jī)雙軸驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的構(gòu)型特點(diǎn)，要實(shí)現(xiàn)車輛的有效控制，整車控制器需要具有高壓上電、加速踏板信號(hào)處理、檔位識(shí)別、驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩分配、制動(dòng)能量回收以及故障診斷等主要功能。

1.2.1 高壓上電

本文所研究的上電策略為：當(dāng)鑰匙打開后， VCU和BMS接通低壓電并進(jìn)行上電自檢，MCU接到VCU喚醒信號(hào)后也進(jìn)行自檢，同時(shí)閉合高壓配電盒內(nèi)預(yù)充回路的繼電器，為MCU的充電做準(zhǔn)備。BMS自檢通過后向VCU反饋狀態(tài)，同時(shí)閉合電池包內(nèi)主負(fù)繼電器，動(dòng)力電池輸出高壓電；MCU自檢通過后閉合自身內(nèi)部的預(yù)充回路上的繼電器，開始預(yù)充電，并不斷向VCU反饋直流電壓值，VCU自檢通過后時(shí)刻判斷MCU反饋的預(yù)充電壓值，當(dāng)電壓值超過當(dāng)前電池電壓的90%后，VCU控制主正繼電器閉合，隨后，MCU斷開預(yù)充回路內(nèi)的繼電器，整車高壓上電成功。

高壓上電的控制模型如圖2所示。圖2中兩個(gè)子系統(tǒng)模塊Precharge_Check和OverTime的主要作用是判斷預(yù)充電是否完成。在Precharge_Check使能子系統(tǒng)中通過輸入信號(hào)Input中的動(dòng)力電池電壓和MCU反饋的預(yù)充電壓判斷預(yù)充是否完成，若完成Precharge_Result結(jié)果為1，否則為0。在OverTime子系統(tǒng)中根據(jù)Precharge_Result的結(jié)果決定是否調(diào)用執(zhí)行Precharge_Check使能子系統(tǒng)。如果Precharge_Result為0，表示預(yù)充電尚未完成，需要繼續(xù)調(diào)用執(zhí)行Precharge_Check使能子系統(tǒng)；如果Precharge_Result為1，表示預(yù)充電已經(jīng)完成，不需要繼續(xù)調(diào)用執(zhí)行Precharge_Check使能子系統(tǒng)，此時(shí)ON_Out輸出為1?！癆ND”模塊通過綜合判斷自檢結(jié)果、系統(tǒng)故障等級(jí)、SOC狀態(tài)、前后電機(jī)預(yù)充允許標(biāo)志和預(yù)充結(jié)果，最終實(shí)現(xiàn)整車高壓上電。

圖2 高壓上電模型Fig.2 High-voltage power-on model

1.2.2 加速踏板雙路信號(hào)處理

在車輛行駛時(shí)，駕駛員的意圖是由加速踏板開度體現(xiàn)的，考慮到整車行駛的安全性和穩(wěn)定性，防止由于踏板損壞導(dǎo)致重大事故的發(fā)生，加速踏板一般有兩路信號(hào)，兩路信號(hào)成一定比例，在行駛時(shí)起到“互相監(jiān)視”的作用。為了更好地隔離兩路信號(hào)、防止互相影響，加速踏板總成一般采用兩路電源獨(dú)立供電。在正常情況下，踏板信號(hào)1的二分之一與信號(hào)2的差值需要在0.07 V之內(nèi)，如果不滿足這個(gè)關(guān)系，則說明加速踏板出現(xiàn)故障需要立即處理，比如降功率輸出或者關(guān)斷總電源等。在計(jì)算踏板開度時(shí)設(shè)置空行程保護(hù)，防止因?yàn)槲锢砜蛱ぐ骞收弦鸬腻e(cuò)誤動(dòng)作。加速踏板信號(hào)處理的Simulink模型如圖3所示。從輸入信號(hào)Input中選取兩路踏板信號(hào)，減去踏板空行程，計(jì)算得出兩路踏板開度APP1和APP2。在Accp_Select模塊中根據(jù)兩路踏板信號(hào)值是否在正常范圍且是否滿足固定比例關(guān)系，判斷踏板是否出現(xiàn)故障，并根據(jù)兩路信號(hào)的狀態(tài)輸出相應(yīng)踏板開度值。當(dāng)兩路踏板信號(hào)值滿足固定比例關(guān)系且均在正常范圍內(nèi)時(shí)，Out1=1，Out2=0，此時(shí)本模塊輸出踏板信號(hào)1的開度APP1，故障等級(jí)Fault=0；當(dāng)兩路踏板信號(hào)滿足固定比例關(guān)系，踏板信號(hào)1不在正常范圍內(nèi)，踏板信號(hào)2在正常范圍時(shí)，Out1=2，Out2=0，本模塊輸出踏板信號(hào)2的開度APP2，故障等級(jí)Fault=0；當(dāng)兩路踏板信號(hào)滿足固定比例關(guān)系，踏板信號(hào)1在正常范圍內(nèi)，踏板信號(hào)2不在正常范圍時(shí)，Out1=1，Out2=0，本模塊輸出踏板信號(hào)1的開度APP1，故障等級(jí)Fault=0；當(dāng)兩路踏板信號(hào)不滿足固定比例關(guān)系，但兩路踏板信號(hào)均在正常范圍時(shí)，本模塊將比較兩路踏板信號(hào)值大小并輸出兩者中較小的踏板信號(hào)值，故障等級(jí)Fault=1；其他失效情況下，Out1=3，Out2=4，本模塊將不輸出踏板開度值，故障等級(jí)Fault=4。

圖3 加速踏板處理模型Fig.3 Processing model of accelerator

1.2.3 驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩控制及分配

整車控制器根據(jù)加速踏板、電機(jī)、電池及其它部件當(dāng)前的工作狀態(tài)確定整車需求轉(zhuǎn)矩，通過合理的算法將轉(zhuǎn)矩分別分配給前后兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)車輛行駛，該過程主要包括兩部分：整車需求轉(zhuǎn)矩計(jì)算和轉(zhuǎn)矩分配。

VCU通過CAN總線接收到電池溫度、電機(jī)溫度、電池SOC、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電池故障等級(jí)、電機(jī)控制器溫度、電機(jī)故障等級(jí)及整車故障等級(jí)等信號(hào)，結(jié)合有關(guān)信號(hào)求出當(dāng)前雙電機(jī)系統(tǒng)所能輸出的最大轉(zhuǎn)矩值。VCU采集加速踏板電壓值，通過加速踏板處理模型得到當(dāng)前踏板開度，并將踏板開度轉(zhuǎn)化為當(dāng)前整車電機(jī)負(fù)荷系數(shù)。將電機(jī)負(fù)荷系數(shù)與最大轉(zhuǎn)矩值相乘得出當(dāng)前狀態(tài)下的整車需求轉(zhuǎn)矩。

驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩控制及分配模型如圖4所示。通過Input信號(hào)中的電機(jī)故障等級(jí)判斷前后電機(jī)工作狀態(tài)，若電機(jī)故障等級(jí)大于1則進(jìn)入跛行故障模式，在Cripple_Drive模塊中判斷前后電機(jī)故障等級(jí)，選擇無故障電機(jī)進(jìn)入單電機(jī)跛行模式，此模式下不考慮轉(zhuǎn)矩分配，將需求轉(zhuǎn)矩分配給無故障電機(jī)；若前后電機(jī)均出現(xiàn)故障，則前后電機(jī)均不使能，MCU_Fault輸出為0；若前后電機(jī)故障等級(jí)均小于1，則前后電機(jī)均無故障，觸發(fā)轉(zhuǎn)矩分配模塊Torque_Distribution進(jìn)行前后兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的分配。

圖4 驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩控制及分配模型Fig.4 Drive torque control and distribution model

在電機(jī)某一轉(zhuǎn)速點(diǎn)，考慮到雙電機(jī)轉(zhuǎn)矩之和等于總需求轉(zhuǎn)矩的前提下，通過粒子群算法在電機(jī)外特性圖中分別搜索兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)矩并結(jié)合電機(jī)的效率，以雙電機(jī)能耗最小為判斷依據(jù)進(jìn)行搜索，在完成搜索后，滿足雙電機(jī)能耗最小的轉(zhuǎn)矩就是最終需分配給雙電機(jī)的轉(zhuǎn)矩值[5]。

算法首先需要確定種群規(guī)模、粒子維數(shù)及每個(gè)粒子的初始位置和速度；設(shè)定學(xué)習(xí)因子、慣性權(quán)重的最大值和最小值及最大迭代次數(shù)。然后計(jì)算每個(gè)粒子的初始適應(yīng)度值，并求出個(gè)體極值和全局極值。利用公式(1)求出每個(gè)粒子的適應(yīng)度值f，確定個(gè)體極值，并經(jīng)過比較確定全局極值。

(1)

式中：Tf、Tr分別為前、后電機(jī)需求轉(zhuǎn)矩；ηf,ηr分別為前、后電機(jī)工作效率。

進(jìn)入主循環(huán)進(jìn)行迭代，每次迭代慣性權(quán)重計(jì)算公式為

(2)

式中：ω為當(dāng)前慣性權(quán)重；ωmax為最大慣性權(quán)重；ωmin為最小慣性權(quán)重；k為當(dāng)前迭代次數(shù)；kmax為最大迭代次數(shù)。

每個(gè)粒子的位置和速度更新公式為

(3)

式中：k為迭代次數(shù)；c1和c2稱為學(xué)習(xí)因子，分別代表粒子向自身極值和全局極值推進(jìn)的加速權(quán)值；r1,r2為分布在(0,1)之間的隨機(jī)數(shù)；ω為慣性權(quán)重，控制著前一速度對(duì)當(dāng)前速度的影響，用于平衡算法的探索和開發(fā)。粒子位置代表雙電機(jī)轉(zhuǎn)矩值，計(jì)算每個(gè)粒子的適應(yīng)度值，并更新個(gè)體極值和全局極值。

迭代到最大次數(shù)后停止迭代，輸出最優(yōu)轉(zhuǎn)矩值。迭代停止時(shí)，與最小適應(yīng)度函數(shù)值相對(duì)應(yīng)的粒子位置就是所搜尋的全局最優(yōu)雙電機(jī)轉(zhuǎn)矩值。

根據(jù)算法搜尋結(jié)果，在Torque_Distribution中通過對(duì)MCU_Enable_F，MCU_Enable_B分別賦值實(shí)現(xiàn)對(duì)前后電機(jī)分別使能，并通過對(duì)Demand_Torque_F和Demand_Torque_B分別賦值實(shí)現(xiàn)相應(yīng)轉(zhuǎn)矩分配，最終實(shí)現(xiàn)以雙電機(jī)能耗最小為目標(biāo)的單雙電機(jī)實(shí)時(shí)切換。

1.2.4 故障診斷與處理

故障診斷是所有整車控制器都必須配備的功能，是保證車輛安全行駛的前提。整車控制器需要處理的故障主要包括四部分：整車故障、前電機(jī)故障、后電機(jī)故障和電池故障。根據(jù)不同部件的故障嚴(yán)重程度和整車安全性需求，將故障信息分為一級(jí)故障、二級(jí)故障、三級(jí)故障和四級(jí)故障，分別對(duì)應(yīng)關(guān)閉高壓電輸出、零轉(zhuǎn)矩輸出停車、跛行、報(bào)警不處理的控制策略。

故障判定如下：同一個(gè)故障如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)連續(xù)出現(xiàn)至少1次，則對(duì)故障計(jì)數(shù)器進(jìn)行累加，當(dāng)故障計(jì)數(shù)器累加到一定數(shù)值，則判定該故障確實(shí)存在，會(huì)把對(duì)應(yīng)的故障碼置位。若在計(jì)數(shù)期間，同一故障相鄰兩次出現(xiàn)的時(shí)間超過規(guī)定時(shí)間，則對(duì)故障計(jì)數(shù)器進(jìn)行清零，當(dāng)再次出現(xiàn)故障時(shí)重新計(jì)數(shù)。按照高級(jí)別故障優(yōu)先原則進(jìn)行故障判斷，如同時(shí)發(fā)生三級(jí)故障和四級(jí)故障，則按三級(jí)故障處理。

在需要行車下電時(shí)，整車控制器會(huì)檢測(cè)鑰匙信號(hào)，如果有故障發(fā)生時(shí)，會(huì)自動(dòng)把置位后的故障碼存入EEPROM中。

各模塊控制策略模型開發(fā)完成后，進(jìn)行整車控制策略模型的集成，將不同模塊的同一信號(hào)連接，保證模型執(zhí)行時(shí)序和數(shù)據(jù)流的準(zhǔn)確性。將高壓上電模型Power_ON、加速踏板信號(hào)處理模型ACCP、擋位識(shí)別模型Gear、驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩分配模型Torque、能量回收模型、故障診斷模型System _Fault以及車速計(jì)算模型進(jìn)行集成，集成后的整車控制模型如圖5所示。

圖5 整車控制模型Fig.5 Control model of the whole vehicle

2 整車控制系統(tǒng)軟件開發(fā)

整車控制器軟件包括整車應(yīng)用層軟件和硬件控制器底層驅(qū)動(dòng)軟件。

完成整車控制模型的搭建、集成和相關(guān)驗(yàn)證后，通過編譯模型就可以實(shí)現(xiàn)整車應(yīng)用層軟件代碼的自動(dòng)生成，這種應(yīng)用層軟件的開發(fā)方法使得開發(fā)可以專注于控制邏輯和算法的實(shí)現(xiàn)，避免了手工編寫控制代碼過程中分心于編程語法帶來的不便，提高了控制軟件開發(fā)效率[6-7]。

根據(jù)整車控制器硬件的功能，對(duì)其相應(yīng)模塊配置及有關(guān)信號(hào)處理采用手工編程的方法實(shí)現(xiàn)整車控制器底層驅(qū)動(dòng)軟件的開發(fā)。底層代碼包含如下內(nèi)容：輸入輸出模塊用于采集車上的高、低有效開關(guān)量，例如擋位信號(hào)、制動(dòng)開關(guān)信號(hào)；AD轉(zhuǎn)換模塊用于采集車上模擬量傳感器，例如加速踏板傳感器；定時(shí)器模塊主要用于提供固定時(shí)間的中斷，為各任務(wù)的調(diào)度提供基準(zhǔn)；主控芯片通過SPI通信實(shí)現(xiàn)對(duì)低端驅(qū)動(dòng)開關(guān)芯片的控制；整車控制器與電機(jī)控制器、電池管理系統(tǒng)和儀表之間通過CAN通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

整車控制模型生成的應(yīng)用層代碼和手工編寫的底層代碼集成在一起就實(shí)現(xiàn)了整車控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。

根據(jù)雙電機(jī)雙軸驅(qū)動(dòng)動(dòng)力構(gòu)型對(duì)整車控制器的要求，開發(fā)的整車控制器實(shí)物圖如圖6所示。

圖6 整車控制器實(shí)物圖Fig.6 Physical figure of VCU

在進(jìn)行應(yīng)用層和底層集成時(shí)，一般是通過接口函數(shù)的形式實(shí)現(xiàn)的。應(yīng)用層與底層的接口函數(shù)如圖7所示。

圖7 應(yīng)用層與底層的接口函數(shù)Fig.7 Interface function between application layer and bottom layer

3 整車控制器硬件在環(huán)測(cè)試

HIL測(cè)試是控制器開發(fā)過程中必不可少的環(huán)節(jié)，一般使用數(shù)學(xué)模型、部分傳感器和執(zhí)行器等模擬控制器的運(yùn)行環(huán)境，通過運(yùn)行測(cè)試用例完成控制器測(cè)試。在完成雙電機(jī)雙軸驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)后，進(jìn)行整車控制器硬件在環(huán)測(cè)試(Hardware-in-the-Loop)[8-9]。HIL測(cè)試的一般步驟為：首先利用MATLAB/Simulink/stateflow搭建好雙電機(jī)電動(dòng)汽車整車縱向動(dòng)力學(xué)模型，將該模型編譯成.dll文件通過Veristand下載到PXI處理器中；然后，按照制定的轉(zhuǎn)矩分配策略搭建VCU應(yīng)用層模型，將控制代碼下載到被測(cè)VCU中；最后，將待測(cè)VCU與機(jī)柜通過標(biāo)準(zhǔn)接口連接，完成硬件平臺(tái)的搭建(如圖8所示)，即可進(jìn)行HIL測(cè)試。

圖8 HIL測(cè)試硬件平臺(tái)Fig.8 HIL test hardware platform

在本文中，HIL測(cè)試的主要目的是用來對(duì)雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)的可行性和實(shí)時(shí)性進(jìn)行驗(yàn)證。采用NEDC工況作為本次測(cè)試的測(cè)試輸入[10]，HIL測(cè)試結(jié)果如圖9和圖10所示。

圖9 NEDC工況需求轉(zhuǎn)矩曲線Fig.9 Demand torque curve under NEDC

圖10 NEDC工況轉(zhuǎn)矩分配曲線Fig.10 Torque distribution curve under NEDC

從圖9和圖10可以看出：在城市循環(huán)工況內(nèi)，整體需求轉(zhuǎn)矩較小，整車大多時(shí)間運(yùn)行在單電機(jī)模式下，只有在短暫的急加速時(shí)間內(nèi)運(yùn)行于雙電機(jī)模式下。在市郊循環(huán)工況下，對(duì)車輛動(dòng)力性的要求更高，整車運(yùn)行在雙電機(jī)模式下的比例較城市循環(huán)更高，說明控制系統(tǒng)能夠根據(jù)整車需求實(shí)現(xiàn)單雙電機(jī)實(shí)時(shí)切換。

4 結(jié)束語

采用基于模型的方法設(shè)計(jì)完成了雙電機(jī)雙軸驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)高壓上電、加速踏板處理、擋位選擇、需求轉(zhuǎn)矩計(jì)算、驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩分配、能量回收和故障診斷等模塊控制策略模型的開發(fā)，將各模塊控制策略模型集成為整車控制模型，利用Simulink代碼自動(dòng)生成工具將整車控制系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)換為嵌入式 C代碼，實(shí)現(xiàn)了整車控制系統(tǒng)應(yīng)用層軟件的快速開發(fā)。

根據(jù)雙電機(jī)雙軸驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車整車控制器的功能需求，并結(jié)合整車的構(gòu)型特點(diǎn)，設(shè)計(jì)完成了雙電機(jī)雙軸驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車硬件控制器。依據(jù)整車控制器硬件功能需求， 進(jìn)行了相應(yīng)模塊的配置和有關(guān)信號(hào)的處理，完成了整車控制器底層驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)應(yīng)用層軟件與底層驅(qū)動(dòng)軟件的集成。這種開發(fā)方法不依賴于具體的系統(tǒng)平臺(tái)，移植性好。

將集成后的軟件下載到雙電機(jī)雙軸驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)硬件中，進(jìn)行了NEDC工況下的硬件在環(huán)測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明，基于模型開發(fā)的應(yīng)用層軟件能夠穩(wěn)定運(yùn)行于嵌入式系統(tǒng)中，在實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩分配的基礎(chǔ)上具有較好的實(shí)時(shí)性，可以滿足車輛行駛需要，符合設(shè)計(jì)預(yù)期。