基于Simulink的純電動汽車整車控制系統(tǒng)設計

王勝達， 贠海濤， 董利瑩， 李家月

(青島理工大學機械與汽車工程學院，青島 266520)

為了迎接可持續(xù)交通的挑戰(zhàn)及解決能源和環(huán)保問題，目前，各大研究機構和汽車制造商針對電動汽車的研發(fā)和推廣，主要集中發(fā)展電動汽車。純電動汽車符合現(xiàn)代環(huán)保理念，噪聲小、零排放等優(yōu)點使其在日益發(fā)展的城市交通中占據(jù)一席之地。傳統(tǒng)汽車將逐步淘汰，電動汽車將會成為主流。而對于簡單的純電動汽車，車輛的動力性、經(jīng)濟性等受整車控制器(vehicle control unit，VCU)的設計水平影響。整車控制器是汽車完成動力傳輸、能量分配及狀態(tài)監(jiān)控的核心部件[1]。純電動車整車控制系統(tǒng)是驅動汽車的大腦，負責數(shù)據(jù)的采集處理、邏輯運算及控制實現(xiàn)[2]。但是目前的電動汽車整車控制系統(tǒng)傳統(tǒng)的存在可靠性和穩(wěn)定性差問題，并且由于開發(fā)周期較長、調試難度較大，逐漸不適用于現(xiàn)代電控系統(tǒng)的開發(fā)[3]。

基于上述分析，針對整車控制器開發(fā)周期長、可靠性和穩(wěn)定性差等問題，設計了純電動汽車整車控制系統(tǒng)?；陲w思卡爾S12處理器開發(fā)的可配置控制器ECMV2硬件模塊和以C語言開發(fā)的封裝成Simulink的圖形化模塊的軟件模塊，使得基礎軟件和控制算法在同一個平臺上搭建并驗證，建立純電動汽車Simulink整車模型，通過CAN網(wǎng)絡獲取一系列的標志位來得知當前車輛的狀況進而根據(jù)控制策略完成對整車的控制，進行實車試驗測試。實現(xiàn)了系統(tǒng)開發(fā)周期短，復雜工況下控制器靈敏度高、電機響應迅速、車輛運行平穩(wěn)等目標。

1 純電動汽車整車控制器

圖1顯示了純電動汽車整車控制系統(tǒng)結構，主要由帶CAN分析功能的整車控制器、上位機(故障模擬系統(tǒng)和整車控制、標定、CAN數(shù)據(jù)讀取、分析)、故障設置板卡等組成。整車實驗平臺搭載整車控制器可進行實車試驗，通過整車控制器的標定軟件可檢測車輛信號和修改車輛參數(shù)，控制器增加DBC文件導入功能可對整車CAN總線數(shù)據(jù)解析。提供整車模型，通過此系統(tǒng)可進行整車控制，標定，以及實車測試實驗，CAN總線數(shù)據(jù)收發(fā)、解析。

圖1 整車邏輯框圖Fig.1 Complete vehicle’s logic block diagram

2 整車控制器硬件平臺

整車控制器硬件設計采用ECMV2控制器。ECMV2是基于飛思卡爾S12處理器開發(fā)的可配置控制器。該控制器具有資源豐富、接口齊全、可靠性高等特點，提供全部板載外設驅動程序庫，ECMV2可在-40～+105 ℃寬溫條件下穩(wěn)定工作；防護等級達到IP67，防水防塵抗振動；參數(shù)配置和功率輸出帶有故障診斷功能，精確定位短路、斷路、過載等故障；所有IO具備高防護，功率輸出快速關斷；能夠完全適應戶外移動設備惡劣施工環(huán)境的應用[4-5]。

ECU采用Free Scale公司的16位芯片S12XEP100；是以Simulink/Stateflow為開發(fā)平臺，RTW編譯環(huán)境開發(fā)的；有2個CAN接口，1個RS485接口，1個LIN接口，2個RS232接口；還有16路可配置模擬量輸入：8路5 V模擬量輸入，8路32 V模擬量輸入；14路可配置數(shù)字量輸入:可配上下拉數(shù)字量輸入通道；8路PWM控制輸出；4路2 A高邊脈寬調制功率輸出，4路2 A底邊脈寬調制功率輸出；4路可配置時間檢測通道；4路電流測量通道。支持Simulink模型開發(fā)。支持 CCP協(xié)議、BootLoader。圖2為ECMV2的封裝。

圖2 ECMV2外觀圖Fig.2 The appearance of the ECMV2

3 整車控制系統(tǒng)軟件平臺

ECMV2底層驅動采用標準C語言形式，提供ECMV2.lib文件以及必要的函數(shù)頭文件。以Code Warrior IDE for HCS12為開發(fā)環(huán)境，用戶可在NXP官方網(wǎng)站下載評估板或使用其他版本。使用本系統(tǒng)前，需要做以下準備工作：需要在工作站上安裝 Code Warrior和BDM 調試器驅動程序;通過 USB 連接 BDM 和工作站，并將 BDM 調試接口連接到 ECM；為控制器提供合適的電源。首先要啟動設備，首先連接 B+(P60 或 P90)到電源正極，連接 B-(P59 或 P89)到電源負極， 然后打開設備電源，此時設備主電路尚未通電，需要通過合適的裝置連接 ACC(P30)到 B+(P60或 P90)，來控制控制器上電啟動。接著要關閉設備，斷開 ACC 與B+的連接即可，此時控制器的主電路掉電，設備關機。然后用戶可自行創(chuàng)建軟件工程，也可以直接打開產(chǎn)品光盤中的工程模板，直接編寫代碼。

如圖3所示，基礎軟件平臺將主控芯片的IO資源封裝成Simulink中的圖形化模塊，提供全部板載外設驅動程序庫，并提供友好的GUI界面以便于配置，使得基礎軟件和控制算法在同一個平臺上搭建并驗證，整個系統(tǒng)開發(fā)能夠開展電動汽車整車控制策略的標定和仿真實驗。

圖3 Simulink圖形化模塊Fig.3 Simulink graphical module

整車控制器中的CAN總線分析軟件在上位機中顯示，此軟件可以用于網(wǎng)絡系統(tǒng)開發(fā)的通用分析工具，可以觀察、分析和支持擴展多個CAN通道的數(shù)據(jù)傳輸，它還具有可編程功能，既可以完成簡單的網(wǎng)絡分析，也能從復雜問題中發(fā)現(xiàn)并解決故障[6]。

CAN總線分析軟件由圖形化表示的方塊圖控制。它能表示數(shù)據(jù)流從總線經(jīng)過PC卡到各不同評估窗口和日志文件的過程。在這過程中，系統(tǒng)模塊的參數(shù)都可以在圖中進行顯示和設置。

4 車輛各模型的建立

4.1 加速踏板數(shù)據(jù)采集及換算模型

加速踏板位置傳感器的原理是分壓電路，如圖4所示，傳感器電路接受來自發(fā)動機電子控制的5 V電壓[7]。油門踏板與電刷相連，轉軸與傳感器內部的滑動變阻器相連接組成，踩下加速踏板，加速踏板位置傳感器發(fā)生改變，電刷與接地端的電壓也會隨之改變，電子控制單元(ECU)將該變化的電壓轉變成加速踏板的位置信號。為了診斷和防止出現(xiàn)故障，加速踏板位置傳感器做成雙傳感器,采用冗余設計。為識別故障，油門位置傳感器輸出電壓是油門位置傳感器輸出電壓的2倍。

圖4 加速踏板位置傳感器輸出電壓Fig.4 Output voltage of acceleration pedal’s position sensor

傳感器從0～100%開度。踏板1信號在0～100%開度時電壓應該在0.7～4.4 V之間。踏板2信號在0～100%開度時電壓應該在0.37～2.2 V之間。

如圖5所示，本系統(tǒng)采用ECMV2快速原型機，通過A15V的通道0進行模擬量采集加速踏板傳感器1的信號，然后計算得出當前加速踏板的百分比。

圖5 加速踏板數(shù)據(jù)采集及換算模型Fig.5 Model of accelerator pedal data’s acquisition and conversion

4.2 檔位采集及剎車采集模型

根據(jù)圖6的檔位電路圖和實際測量，得出真值如表1所示。

圖6 檔位電路圖Fig.6 Gear circuit diagram

表1 檔位真值表Table 1 Gear truth table

根據(jù)表1，搭建模型，如圖7。

剎車是一個數(shù)字量，只有狀態(tài)0 V和12 V，所以采用數(shù)字量輸入或者模擬量輸入都可以。本系統(tǒng)采用的是模擬量32 V輸入，根據(jù)輸入的模擬量和預設值對比，大于即輸出布爾量1，然后賦值給GOTO標簽，方便調用。

4.3 CAN數(shù)據(jù)收發(fā)模型

CAN是 ISO國際標準化的串行通信協(xié)議[8]。CAN總線空閑時，所有單元發(fā)送消息。當兩個單元同時發(fā)送消息時，CAN總線會依據(jù)標識符ID決定優(yōu)先級。當兩個及兩個以上的單元同時發(fā)送信息時，會對各消息ID 的每個位進行逐個仲裁比較。優(yōu)先級最高的單元就可以繼續(xù)發(fā)送消息，優(yōu)先級低的單元則立刻停止發(fā)送而進行接收工作。如圖8所示，通過CAN信號獲取Readly信號，進行電機使能控制，之后進行電機控制。

圖7 檔位采集及剎車采集模型Fig.7 Model of gear position acquisition and brake acquisition

圖8 電機控制模型Fig.8 Motor control model

圖9 CAN數(shù)據(jù)收發(fā)模型Fig.9 CAN data transceiver model

如圖9所示，通過CAN_ID為430的信號獲取電機當前轉速當前轉矩，進行整車狀態(tài)監(jiān)測。并通過ID為650的信號發(fā)出，由ECC軟件進行解碼。表2是控制器中數(shù)據(jù)幀ID650中8個字節(jié)(Byte)的解析結果，其中1個字節(jié)等于8位(Bit)。

表2 ID650的解析結果Table 2 Analytic result of ID650

5 整車控制策略及整車模型

5.1 整車控制策略

整車的控制是線控和CAN通信控制，VCU通過模擬量、數(shù)字量的采集，來判斷整車當前的檔位、油門、剎車等情況，然后通過控制策略來進行扭矩的輸出。 控制策略是通過一系列的標志位來得知當前的狀況，從而發(fā)出指令控制整車。

如圖10通過硬件ECMV2中AI32 V輸入的模擬量來判斷剎車是否踩下，通過AI5V-1、2、3、4來采集檔位信號傳感器1、2、3、4，來進行判斷是前進檔、空檔、倒檔。

圖10 檔位變換模型Fig.10 Gear shift model

當ECMV2控制整車，開機進入N檔模式，然后通過剎車換檔進入換檔模式，進行換檔操作，此時的扭矩輸出為0，當剎車松開時，切換到D檔或者R檔，根據(jù)油門踏板的百分比輸出扭矩，R檔扭矩為D檔輸出的一半。限制了倒車的最大速度。

圖11 狀態(tài)機模型Fig.11 State machine’s model

如圖11，狀態(tài)機一共有五種狀態(tài)，剛進入的初始狀態(tài)，踩下剎車之后進入剎車換擋狀態(tài)。換擋之后松開剎車進去倒車或者前進狀態(tài)，此時的輸出扭矩是狀態(tài)機之外的計算得到的。當踩下剎車之后進入換擋剎車狀態(tài)，當沒有踩下剎車直接換擋就會進入錯誤狀態(tài)，只有踩住剎車然后掛空擋才能回到初始狀態(tài)。錯誤狀態(tài)，剎車換擋，初始狀態(tài)的扭矩輸出都是0，即踩下剎車，扭矩輸出變?yōu)?。將CAN中的扭矩信息給電機，控制電機的轉動。

5.2 整車模型

整車模型基于M/S搭建，具有模塊化、可拓展的模型構架可提供原模型與第三方模塊接口[9]。建模本身可適用于電動汽車也可用于HCU、MCU、扭矩控制等。實時性，針對主要的實時硬件平臺通過RTW進行代碼生成。仿真步長1 ms。也可支持基于M/S的所有主流仿真機。整車動力學模型主要包含模型具有實時求解的能力[10]。

如圖12所示，通過整車控制器IO口獲取剎車信號，檔位信號，油門踏板百分比等信號，經(jīng)過輸出扭矩計算模塊，進行狀態(tài)機切換，完成車速的獲取，通過CAN總線進行數(shù)據(jù)收發(fā)來完成上位機和控制器之間的信息交互。

圖12 整車模型Fig.12 Vehicle model

6 程序測試和實驗驗證

車控制器軟件的功能測試在模擬平臺上進行，模擬平臺配合 CAN 總線上位機，根據(jù)不同的運行狀態(tài)解析相應的 CAN 報文內容[11-12]。 經(jīng)多次測試，當前系統(tǒng)能根據(jù)用戶指令完成車輛的各種行駛模式，并且能按照計算機通過 CAN 報文模擬的運行狀態(tài)做出正確的故障提示及處理動作[13-14]。

實車測試在樣車上進行，圖13為整車控制器和整車數(shù)據(jù)采集，CAN收發(fā)分析環(huán)境，能夠實時監(jiān)控CAN總線信息，接收整車控制器通過串口發(fā)送的信息。實車測試分三個部分。加速測試、低速測試和高速測試。由試數(shù)據(jù)繪制的曲線如圖14～圖16。加速測試對駕駛員單次踩下加速踏板之后整車控制器的靈敏度進行評估，電機驅動扭矩相應很迅速，峰值的時間差大約是1 s。車輛的加速過程相對穩(wěn)定。低速測試與高速測試分別實在擁擠的路段和通暢的路段測試的，代表著典型城市車輛工況循環(huán)。在測試過程中車輛運行平穩(wěn)，電池電壓也不會迅速下降，駕駛員的操作也很快得到整車控制器的響應。由測試表明，可以認為此設計能夠滿足該產(chǎn)品目標市場的性能需求。

圖13 實車控制器系統(tǒng)Fig.13 Real car controller system

圖14 加速測試曲線Fig.14 Acceleration test curve

圖15 低速測試曲線Fig.15 Low speed test curve

圖16 高速行駛曲線Fig.16 High speed curve

7 結論

針對電動汽車整車控制系統(tǒng)開發(fā)周期長，穩(wěn)定性差問題，開發(fā)了一種新的電動汽車整車控制系統(tǒng)。在軟硬件開發(fā)環(huán)境下設計上位機與整車控制器的通訊，完成CAN信息的交互和顯示。并通過加速行駛測試、低速行駛測試和高速行駛測試進行實車驗證，得出以下結論。該系統(tǒng)控制器靈敏度高，電機響應迅速，在復雜路況下車輛運行平穩(wěn)，還有良好的可靠性和經(jīng)濟性。