HEV功率級(jí)硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)及試驗(yàn)研究

趙夕長(zhǎng)，薛奇成，鳳志遠(yuǎn)，耿聰，耿麗珍，張欣

（1.奇瑞汽車股份有限公司，安徽，蕪湖 241009；2.北京交通大學(xué)新能源汽車動(dòng)力總成技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044）

隨著能源短缺和環(huán)境污染問題日益加劇，新能源汽車成為當(dāng)前汽車行業(yè)的主要發(fā)展方向。在新能源汽車中，HEV兼具續(xù)駛里程長(zhǎng)和燃油消耗小的優(yōu)點(diǎn)，是近年來國(guó)內(nèi)外研究和發(fā)展的熱點(diǎn)方向?；旌蟿?dòng)力汽車的控制策略是汽車安全運(yùn)行的重要保證，并且對(duì)汽車行駛過程的經(jīng)濟(jì)性和舒適性等特性有重要影響。隨著汽車開發(fā)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于混合動(dòng)力汽車控制策略和控制器的開發(fā)逐漸放棄了傳統(tǒng)的串行開發(fā)方法，目前通常采用“V”循環(huán)開發(fā)流程，其主要包括控制系統(tǒng)分析、控制策略開發(fā)、硬件在環(huán)測(cè)試和樣車標(biāo)定等環(huán)節(jié)。硬件在環(huán)測(cè)試作為混合動(dòng)力汽車控制策略開發(fā)過程中的重要環(huán)節(jié)，可以縮短控制策略開發(fā)時(shí)間，提高控制策略的控制性能和整車技術(shù)水平。

由于硬件在環(huán)測(cè)試技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，硬件在環(huán)測(cè)試在汽車開發(fā)過程中得到高度重視，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在該領(lǐng)域開展了一定的研究。范皓采用CANoe軟件作為上位機(jī)監(jiān)控和管理硬件在環(huán)系統(tǒng)，VT System作為下位機(jī)運(yùn)行被控對(duì)象模型，保證了仿真系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。熊溪在上位機(jī)中安裝了NI VeriStand軟件，采用基于NI PXI的硬件系統(tǒng)作為下位機(jī)，搭建了電池管理系統(tǒng)和整車控制器的硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)，并且進(jìn)行了二者聯(lián)合的硬件在環(huán)測(cè)試。唐云根 據(jù) 動(dòng) 力 總 成 控 制 模 塊（Power Control Module，PCM）的開發(fā)需求，采用NI PXI的硬件設(shè)備和VeriStand軟件搭建了PCM硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)。MAXWELL等針對(duì)通用汽車的雙模式混合動(dòng)力汽車進(jìn)行了硬件在環(huán)測(cè)試，將dSpace MicroAutobox作為控制器，實(shí)現(xiàn)了MicroAutobox和NI PXI通過CAN總線的相互通信。黃光健針對(duì)汽車自動(dòng)變速器搭建了硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試了自動(dòng)變速器控制軟件的功能。LI Yang等利用快速原型的方法，使用dSPACE MicroAutoBox II組成的硬件實(shí)現(xiàn)了對(duì)于多個(gè)控制器的信號(hào)級(jí)別的硬件在環(huán)仿真測(cè)試。KAARTHIK等提出了一種用于并聯(lián)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的實(shí)時(shí)仿真器，使用傳動(dòng)系統(tǒng)的電力電子功率級(jí)仿真器來實(shí)時(shí)測(cè)試和驗(yàn)證控制策略，實(shí)現(xiàn)了功率級(jí)的仿真測(cè)試。趙治國(guó)等結(jié)合自主開發(fā)的TCU和臺(tái)架用雙離合器及其換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)，搭建了干式DCT控制系統(tǒng)硬件在環(huán)試驗(yàn)平臺(tái)。JIANG Shugang等以高性能實(shí)時(shí)控制器為中心，設(shè)計(jì)了包含多個(gè)測(cè)功機(jī)的機(jī)械級(jí)硬件在環(huán)平臺(tái)。

綜上，硬件在環(huán)測(cè)試技術(shù)是一種廣泛用于汽車控制策略開發(fā)與測(cè)試的技術(shù)，其主要包含信號(hào)級(jí)別、功率級(jí)別和機(jī)械級(jí)別等3種方式。其中，信號(hào)級(jí)硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)通過建立實(shí)時(shí)運(yùn)行的被控對(duì)象模型來模擬真實(shí)的測(cè)試環(huán)境，具有安全、簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但其只能對(duì)控制算法和邏輯進(jìn)行測(cè)試，無法對(duì)電力電子器件進(jìn)行性能測(cè)試。而機(jī)械級(jí)硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)雖然可對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行多方位的測(cè)試和驗(yàn)證，但該測(cè)試系統(tǒng)需要搭建包括測(cè)功機(jī)在內(nèi)的大型機(jī)械設(shè)備，系統(tǒng)搭建和測(cè)試成本極高。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，在測(cè)試系統(tǒng)中加入實(shí)物電子執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功率級(jí)硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)，既可以對(duì)汽車功率級(jí)電子器件進(jìn)行全面的測(cè)試，又可以減少試驗(yàn)費(fèi)用，因此具有十分重要的研究?jī)r(jià)值。

本文以一款新型混合動(dòng)力汽車為研究對(duì)象，重點(diǎn)對(duì)其控制策略開發(fā)和測(cè)試過程中的硬件在環(huán)測(cè)試環(huán)節(jié)進(jìn)行研究。為了提高硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)控制策略驗(yàn)證的準(zhǔn)確性，使測(cè)試系統(tǒng)的真實(shí)度進(jìn)一步提高，結(jié)合本文所研究的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的工作特點(diǎn)（離合器和同步器均為液壓驅(qū)動(dòng)），設(shè)計(jì)并開發(fā)了考慮實(shí)物電磁閥在內(nèi)的功率級(jí)硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)，并基于動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略對(duì)所開發(fā)的功率級(jí)硬件在環(huán)系統(tǒng)的測(cè)試功能進(jìn)行驗(yàn)證。本文研究工作對(duì)提高混合動(dòng)力汽車的控制技術(shù)具有一定的工程及理論意義。

1 混合動(dòng)力汽車結(jié)構(gòu)及工作原理分析

本文所研究的混合動(dòng)力汽車，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可知，該混合動(dòng)力汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)由1臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)、兩臺(tái)電機(jī)和1個(gè)3擋混合動(dòng)力變速器組成。其中，電機(jī)1為輔助驅(qū)動(dòng)電機(jī)；電機(jī)2為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，可以單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛行駛；G1、G2和G3分別為不同傳動(dòng)比的3組齒輪對(duì)。

圖1 混合動(dòng)力汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本構(gòu)型通過3個(gè)離合器和1個(gè)同步器的協(xié)調(diào)配合可以得到不同的動(dòng)力傳遞路線，從而實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式、混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模式等多種工作模式，也可以在特定工作模式下實(shí)現(xiàn)不同擋位的工作狀態(tài)。通過離合器1的接合控制可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)1輸出轉(zhuǎn)矩的耦合。通過同步器、離合器2以及離合器3的接合（或分離）控制可以實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力變速器在3個(gè)擋位間的切換。

對(duì)于本文所研究的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)而言，離合器和同步器是實(shí)現(xiàn)模式切換和擋位切換的關(guān)鍵部件。而此構(gòu)型中，離合器和同步器的控制方式均為液壓驅(qū)動(dòng)，即通過控制比例電磁閥調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)中液壓支路的油壓，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)離合器和同步器的工作狀態(tài)的控制?；旌蟿?dòng)力變速器液壓系統(tǒng)中的電磁閥采用直驅(qū)式比例壓力電磁閥，該電磁閥可以根據(jù)控制器發(fā)出的電流大小，按線性比例調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)的油壓大小。比例電磁閥控制信號(hào)的類型是功率級(jí)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，比例電磁閥的最大控制電流為1.5 A。

2 功率級(jí)硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)

2.1 功率級(jí)硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

為了更加全面真實(shí)地驗(yàn)證控制策略的正確性和控制信號(hào)的交互情況，本文在傳統(tǒng)的硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加入混合動(dòng)力變速器液壓系統(tǒng)內(nèi)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)——比例電磁閥，由控制器發(fā)出真實(shí)的功率驅(qū)動(dòng)信號(hào)對(duì)比例電磁閥進(jìn)行控制，從而搭建功率級(jí)的硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)。本文所設(shè)計(jì)的功率級(jí)硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)總體方案如圖2所示。

圖2 功率級(jí)硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)總體方案

硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)中使用快速原型控制器發(fā)出功率級(jí)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)對(duì)比例電磁閥進(jìn)行控制；并開發(fā)比例電磁閥的電流檢測(cè)模塊，將比例電磁閥的實(shí)際電流采集至仿真平臺(tái)，與混合動(dòng)力汽車模型進(jìn)行信號(hào)交互，從而實(shí)現(xiàn)功率級(jí)的硬件在環(huán)測(cè)試。

由圖2可知，本文設(shè)計(jì)的功率級(jí)硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)主要包含5部分：控制器、混合動(dòng)力汽車模型仿真平臺(tái)、比例電磁閥、信號(hào)處理模塊和實(shí)時(shí)監(jiān)控管理系統(tǒng)。其中，控制器采用快速原型控制器，以便于控制策略程序和底層信號(hào)接口軟件的開發(fā)。通過硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)的仿真平臺(tái)對(duì)混合動(dòng)力汽車整車模型進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和計(jì)算，模擬車輛的實(shí)際運(yùn)行情況。比例電磁閥和混合動(dòng)力汽車整車模型共同組成硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)中的被控對(duì)象，由硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)中的控制器進(jìn)行控制。電流檢測(cè)模塊負(fù)責(zé)對(duì)比例電磁閥的信號(hào)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)實(shí)物執(zhí)行機(jī)構(gòu)與虛擬仿真模型之間的信號(hào)交互。通過電流檢測(cè)模塊和仿真平臺(tái)，控制器和被控對(duì)象之間可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和信息傳遞，模擬控制器實(shí)際的工作環(huán)境，從而對(duì)控制器進(jìn)行硬件在環(huán)測(cè)試。實(shí)時(shí)監(jiān)控管理系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的指揮中心，可實(shí)現(xiàn)測(cè)試參數(shù)的調(diào)整和數(shù)據(jù)記錄通道的添加等功能。

2.2 硬件系統(tǒng)開發(fā)

根據(jù)本文提出的功率級(jí)硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)總體方案，其硬件系統(tǒng)主要包括NI PXI平臺(tái)、控制器、比例電磁閥、電流檢測(cè)模塊、電源模塊和計(jì)算機(jī)等設(shè)備，如圖3所示。本文重點(diǎn)對(duì)比例電磁閥電流檢測(cè)模塊和I/O信號(hào)硬件接口模塊的開發(fā)進(jìn)行研究。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)

2.2.1 比例電磁閥電流檢測(cè)模塊開發(fā)

比例電磁閥是混合動(dòng)力變速器液壓系統(tǒng)中的重要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其驅(qū)動(dòng)控制效果直接影響整車行駛的舒適性和經(jīng)濟(jì)性。比例電磁閥的工作電壓為12 V，工作電流0～1.5 A。NI PXIe 6341多功能I/O模塊模擬電壓采集通道支持輸入的最大電壓值為11V，最大電流值為20 mA。NI PXIe 6341模塊無法直接采集并讀取比例電磁閥的電流值。為防止NI PXIe 6341多功能I/O模塊出現(xiàn)燒損等故障，并且實(shí)現(xiàn)對(duì)比例電磁閥電流的采集，本文在比例電磁閥和NI PXIe 6341模塊之間加入電流檢測(cè)模塊，將比例電磁閥線圈的實(shí)際電流按線性比例轉(zhuǎn)換成NI PXIe 6341多功能I/O模塊可以直接采集的模擬電壓量。本文搭建的包含負(fù)載電路的調(diào)試環(huán)境平臺(tái)如圖4所示。

圖4 電流檢測(cè)模塊調(diào)試平臺(tái)

電流檢測(cè)模塊供電電壓為7～12 V，電流檢測(cè)范圍為0～2 A，適用于感性負(fù)載、容性負(fù)載和阻性負(fù)載等不同類型的負(fù)載電流檢測(cè)。電流檢測(cè)模塊的輸入為待測(cè)電路的電流，輸出為0～5 V的模擬電壓，同時(shí)支持串口輸出信息，可以通過USB轉(zhuǎn)TTL模塊與計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接。

通過改變負(fù)載電路中的電流大小，可對(duì)電流檢測(cè)模塊的信號(hào)轉(zhuǎn)換功能進(jìn)行檢驗(yàn)。在調(diào)試過程中，通過負(fù)載電源讀取負(fù)載電路中實(shí)際電流值，通過示波器讀取電流檢測(cè)模塊工作時(shí)輸出的模擬電壓值。模擬電壓值與實(shí)際電流值的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線和線性擬合曲線如圖5所示。

由圖5可知，模擬電壓值與實(shí)際電流值的線性擬合曲線線性度較高，擬合優(yōu)度判定系數(shù)為0.995 8。電流檢測(cè)模塊的調(diào)試結(jié)果表明電流檢測(cè)模塊測(cè)量電流值精確度較高，可以按固定的線性比例將實(shí)際電流值轉(zhuǎn)換為NI PXIe設(shè)備能夠采集的模擬電壓值。

圖5 電流檢測(cè)模塊調(diào)試結(jié)果

2.2.2 比例電磁閥電流檢測(cè)模塊開發(fā)

混合動(dòng)力汽車模型在NI PXI實(shí)時(shí)處理器中運(yùn)行，NI PXI平臺(tái)將轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)和踏板開度傳感器信號(hào)發(fā)送給控制器，控制器根據(jù)輸入的傳感器信號(hào)，發(fā)出轉(zhuǎn)矩控制信號(hào)和混合動(dòng)力變速器的控制信號(hào)。具體而言，NI PXI平臺(tái)將4路轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)（頻率量信號(hào)）和兩路踏板開度傳感器信號(hào)（模擬電壓量信號(hào)）傳遞給控制器，其中包括：電機(jī)1轉(zhuǎn)速傳感器、電機(jī)2轉(zhuǎn)速傳感器和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器，頻率范圍為0～10 000 Hz；車輛速度傳感器，頻率范圍為0～200 Hz；加速踏板傳感器信號(hào)和制動(dòng)踏板傳感器信號(hào)，電壓范圍0～5 V。

本文利用NI PXI平臺(tái)中的PXIe-6341多功能I/O模塊、PXIe-6738模擬輸出模塊進(jìn)行功率級(jí)硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)的信號(hào)I/O硬件接口開發(fā)。由于PXIe-6738模擬輸出模塊的四路通用計(jì)時(shí)器通道不能同時(shí)輸出，所以采用PXIe-6341多功能I/O模塊的四路通用計(jì)時(shí)器產(chǎn)生轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)。踏板開度傳感器信號(hào)類型為模擬電壓信號(hào)，由PXIe-6738模擬輸出模塊產(chǎn)生。信號(hào)接口分配見表1。

表1 傳感器信號(hào)接口

NI PXI平臺(tái)需要采集的電壓模擬量信號(hào)包括控制3個(gè)離合器和兩擋同步器的5個(gè)比例電磁閥電流檢測(cè)模塊輸出的模擬電壓量信號(hào)，其電壓范圍為0～5 V。電流檢測(cè)模塊的模擬電壓信號(hào)采集只能通過PXIe-6341多功能I/O模塊的電壓采集通道實(shí)現(xiàn)，電壓采集方式分為差分采集和單端采集，為保證采集電壓的精度，本文采用差分通道采集。NI PXIe-6341模塊的模擬電壓差分采集信號(hào)接口見表2。

將控制器信號(hào)引腳線、電流檢測(cè)模塊信號(hào)輸出線和NI PXIe-6341、NI PXIe-6738模塊的信號(hào)引腳按照表1和表2信號(hào)接口列表進(jìn)行連接，并通過VeriStand軟件確定實(shí)際硬件接口與I/O信號(hào)的映射關(guān)系，從而完成功率級(jí)硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)I/O信號(hào)硬件接口的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)中NI PXI平臺(tái)信號(hào)的接收與發(fā)送功能。

表2 電磁閥電流采集信號(hào)接口

2.3 軟件系統(tǒng)開發(fā)

根據(jù)本文提出硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)總體方案，確定了該硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)組成，主要包括混合動(dòng)力汽車整車模型、控制策略和信號(hào)接口軟件等模塊，如圖6所示。

圖6 測(cè)試系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)

2.3.1 整車及動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)建模

本文所研究的混合動(dòng)力汽車模型中涉及到了機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電磁系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等多個(gè)子系統(tǒng)，因此，選擇AMESim軟件來搭建混合動(dòng)力汽車整車模型。整車主要參數(shù)見表3?；贏MESim軟件搭建的混合動(dòng)力汽車整車模型如圖7所示。

表3 整車主要參數(shù)

由圖7可知，混合動(dòng)力汽車整車模型主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)模型、電機(jī)模型、混合動(dòng)力變速器模型、整車縱向動(dòng)力學(xué)模型、駕駛員模型、電池模型和AMESim_VeriStan接口模型等。AMESim_VeriStand接口模型一方面可以將硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)中NI PXI平臺(tái)采集到的控制信號(hào)傳遞給模型，另一方面可以將模型內(nèi)的參數(shù)變化情況輸出到NI PXI平臺(tái)。

圖7 混合動(dòng)力汽車整車模型

2.3.2 快速原型控制器驅(qū)動(dòng)信號(hào)接口軟件開發(fā)

混合動(dòng)力變速器中有5個(gè)比例電磁閥用于調(diào)節(jié)液壓支路油壓，因此，本文需開發(fā)5路比例電磁閥驅(qū)動(dòng)信號(hào)的接口軟件，以其中一路為例，對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)接口軟件進(jìn)行說明。

比例電磁閥需要0～1.5 A的恒流功率驅(qū)動(dòng)信號(hào)才能正常工作，本文基于Matlab/Simulink和ECUCoder開發(fā)了快速原型控制器中的恒流功率驅(qū)動(dòng)信號(hào)接口軟件，如圖8所示。

圖8 比例電磁閥驅(qū)動(dòng)信號(hào)接口軟件模型

由圖8可知，恒流功率驅(qū)動(dòng)信號(hào)接口軟件包括Constant Current Driver和Current Read兩部分。61：O_CURRENT14_LS3A是由控制算法模型所得到的比例電磁閥目標(biāo)電流的輸入端口，單位為mA。Dither Enable是顫振模式的設(shè)置端口，可以設(shè)置是否開啟顫振模式。Dither Frequency和Dither Amplitude是顫振頻率和顫振幅值的設(shè)置端口。KP和KI是比例電磁閥目標(biāo)電流的控制參數(shù)，該參數(shù)直接影響電流變化的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)誤差。合理的KP、KI參數(shù)可以提高電磁閥的控制效果，本文采用經(jīng)驗(yàn)公式確定KP和KI的數(shù)值，具體公式如下。

式中：為比例電磁閥自然頻率，Hz；為驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWM頻率，Hz；為精度系數(shù)，一般取5；為阻尼比，一般取0.4～0.707；為比例電磁閥電阻，Ω；為比例電磁閥電感值，H；為比例電磁閥供電電壓，V。

Current Read模塊可以實(shí)時(shí)讀取快速原型控制器所發(fā)出的控制電流的大小并將其輸出。在KP和KI取值合理的情況下，該模塊的輸出值與Constant Current Driver的目標(biāo)電流輸入量基本相同。

Matlab/Simulink中所示的數(shù)據(jù)類型默認(rèn)都是double類型，因此，在Constant Current Driver和Current Read所有的輸入、輸出端口都添加了數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換模塊，以匹配驅(qū)動(dòng)信號(hào)接口軟件所需的數(shù)據(jù)類型。

2.3.3 快速原型控制器模擬信號(hào)接口軟件開發(fā)

本文開發(fā)的模擬信號(hào)接口軟件如圖9所示。硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)中共有兩路電壓信號(hào)和4路頻率信號(hào)作為快速原型控制器的輸入信號(hào)。因此，模擬信號(hào)接口軟件主要包括模擬電壓信號(hào)接口軟件和模擬頻率信號(hào)接口軟件兩部分。

圖9 模擬信號(hào)接口軟件模型

模擬電壓信號(hào)接口軟件中，28：I_AN09_5V/SW10_H是加速踏板開度傳感器信號(hào)對(duì)應(yīng)的輸入接口，29：I_AN10_5V/SW10_H是制動(dòng)踏板開度傳感器信號(hào)對(duì)應(yīng)的輸入接口。其中，28代表了控制器信號(hào)引腳編號(hào)，I代表輸入，AN代表模擬電壓量，5 V代表可輸入的模擬量電壓最大值為5 V，SW10_H代表該引腳可以兼容開關(guān)量輸入。模擬頻率信號(hào)接口軟件中，18：I_HALL1是車速傳感器信號(hào)對(duì)應(yīng)的輸入接口，19：I_HALL2是電機(jī)1轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)對(duì)應(yīng)的輸入接口，35：I_HALL3是電機(jī)2轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)對(duì)應(yīng)的輸入接口，36：I_HALL4是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)對(duì)應(yīng)的輸入接口。其中，18代表了控制器信號(hào)引腳編號(hào)，I代表輸入，HALL代表頻率量。

Matlab/Simulink中所搭建控制算法中的數(shù)據(jù)類型均為double類型，因此，在上述模擬信號(hào)輸出端口都添加了數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換模塊，以匹配應(yīng)用層控制算法所需的數(shù)據(jù)類型。

3 功率級(jí)硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)試驗(yàn)研究

本文所搭建的功率級(jí)硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)如圖10所示，其主要包括NI PXI平臺(tái)、快速原型控制器、計(jì)算機(jī)（人機(jī)交互界面）、比例電磁閥、電流檢測(cè)模塊和電源等部分?；诒疚奶岢龅膭?dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略（包含換擋控制策略和模式切換控制策略），進(jìn)一步對(duì)功率級(jí)硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)開展測(cè)試試驗(yàn)。

圖10 功率級(jí)硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)

3.1 換擋控制策略測(cè)試試驗(yàn)

3.1.1 換擋控制策略研究

當(dāng)車輛工作于電機(jī)2單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的純電動(dòng)工作模式下，以1擋切換至3擋為例，所設(shè)計(jì)的控制策略流程圖如圖11所示。按照換擋過程中同步器和電機(jī)動(dòng)作順序及工作狀態(tài)的改變，換擋過程分為：保持原擋位行駛階段、電機(jī)2轉(zhuǎn)矩卸載階段、摘空擋階段、掛擋階段和電機(jī)2轉(zhuǎn)矩恢復(fù)階段5個(gè)階段。

圖11 基于同步器動(dòng)作的換擋控制策略流程

3.1.2 換擋控制策略試驗(yàn)結(jié)果分析

基于3.1.1中設(shè)計(jì)的換擋控制策略對(duì)硬件在環(huán)系統(tǒng)的控制策略測(cè)試功能進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。在快速原型控制器載入換擋控制策略模塊進(jìn)行硬件在環(huán)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖12所示。由圖12可知，硬件在環(huán)測(cè)試過程中，主要有兩種信號(hào)類型，一類是通過CAN總線傳遞的CAN信號(hào)（電機(jī)轉(zhuǎn)矩信號(hào)）；另一類是通過硬線線束傳遞的模擬量信號(hào)（車速、踏板開度信號(hào)）。車速和加速踏板開度是測(cè)試過程中NI PXI平臺(tái)所產(chǎn)生并發(fā)送給快速原型控制器的模擬信號(hào)值，電機(jī)轉(zhuǎn)矩是NI PXI平臺(tái)所收到的CAN信號(hào)值。在圖12中，加速踏板開度信號(hào)作為換擋控制策略的測(cè)試輸入信號(hào)，保持不變。在車輛換擋過程中，電機(jī)轉(zhuǎn)矩先減小后增大。A點(diǎn)是換擋開始點(diǎn)，此時(shí)NI PXI平臺(tái)運(yùn)行的混合動(dòng)力汽車整車模型產(chǎn)生的車速和加速踏板開度信號(hào)滿足了控制器中控制策略的換擋條件，控制器發(fā)出了電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制信號(hào)進(jìn)行換擋，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩逐漸卸載至0。B點(diǎn)為換擋結(jié)束點(diǎn)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩恢復(fù)至需求轉(zhuǎn)矩值。由硬件在環(huán)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可知，本文所搭建的功率級(jí)硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)通過CAN信號(hào)與模擬信號(hào)的信號(hào)交互，實(shí)現(xiàn)了換擋控制策略的硬件在環(huán)測(cè)試。

圖12 換擋控制策略的硬件在環(huán)測(cè)試結(jié)果

3.2 模式切換控制策略測(cè)試試驗(yàn)

3.2.1 模式切換控制策略研究

當(dāng)控制器發(fā)出由純電動(dòng)切換至并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的模式切換指令后，混合動(dòng)力汽車將由雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)階段進(jìn)入啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的階段。本文設(shè)計(jì)了一種雙電機(jī)純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式切換至并聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式切換過程的控制策略，其控制策略流程圖如圖13所示。該模式切換過程分為雙電機(jī)純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)、啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速和轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)4個(gè)階段。

圖13 純電動(dòng)至并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的模式切換控制策略流程

3.2.2 模式切換控制策略試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)3.2.1中提出的模式切換控制策略進(jìn)行功率級(jí)硬件在環(huán)測(cè)試試驗(yàn)研究，試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖14和圖15所示。由圖14可知，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩從0變?yōu)樨?fù)值再變?yōu)檎怠０l(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩為0時(shí)，表明發(fā)動(dòng)機(jī)還未啟動(dòng)；發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩變?yōu)樨?fù)值是由于電機(jī)帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生倒拖轉(zhuǎn)矩；發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩變?yōu)檎嫡f明發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)成功并對(duì)外輸出轉(zhuǎn)矩。發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，進(jìn)入調(diào)速階段，在17.1 s時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)達(dá)到了相同的速度，調(diào)速完成。由圖15可知，隨著控制離合器動(dòng)作的比例電磁閥電流的上升，離合器油壓隨之上升并達(dá)到最大值2 000 kPa，離合器所傳遞的摩擦轉(zhuǎn)矩也逐漸上升直至穩(wěn)定值。試驗(yàn)結(jié)果說明，本文所提出的模式切換控制策略在功率級(jí)硬件在環(huán)試驗(yàn)平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的動(dòng)態(tài)切換功能。

圖14 發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)調(diào)速功能測(cè)試結(jié)果

圖15 離合器接合功能測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

本文以一款新型混合動(dòng)力汽車為研究對(duì)象，結(jié)合其動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的工作原理，開展了功率級(jí)硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)的開發(fā)與試驗(yàn)研究。

（1）設(shè)計(jì)并搭建了一種混合動(dòng)力汽車的功率級(jí)硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)。在硬件系統(tǒng)方面，開發(fā)了比例電磁閥的電流檢測(cè)模塊，該模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)比例電磁閥電流的檢測(cè)和轉(zhuǎn)換；基于NI平臺(tái)開發(fā)了功率級(jí)硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)的I/O信號(hào)硬件接口。在軟件系統(tǒng)方面，重點(diǎn)開展了混合動(dòng)力汽車整車模型、換擋控制策略模塊、快速原型控制器信號(hào)接口軟件和人機(jī)交互界面軟件的開發(fā)研究。

（2）基于本文提出的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略（換擋控制策略和模式切換控制策略）進(jìn)行了功率級(jí)硬件在環(huán)測(cè)試試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，本文搭建的功率級(jí)硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)可以完成對(duì)動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略的測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了功率級(jí)硬件在環(huán)系統(tǒng)的測(cè)試功能。