基于VeriStand的純電動整車控制器HIL測試平臺設計

李之乾 曹紅艷 許成林 肖華東 韓淑芳

【摘? 要】隨著新能源汽車的快速發(fā)展，如何有效實現(xiàn)降本增效成為了各大新能源廠商所面臨的一大難題。在汽車的開發(fā)階段，測試驗證汽車的功能和性能往往占據了很大一部分研發(fā)成本。本文基于VeriStand開發(fā)環(huán)境，搭建一套純電動物流車整車控制器硬件在環(huán)仿真測試平臺，經驗證使用，能夠在實車測試之前，有效測試整車控制器的主要控制邏輯，發(fā)現(xiàn)控制軟件中的Bug。在測試階段中節(jié)省開發(fā)成本，提高研發(fā)效率，并降低后續(xù)實車試驗的危險性，有效保證測試人員的人身安全。

【關鍵詞】純電動物流車;硬件在環(huán);整車控制器;VeriStand

中圖分類號：U469.72? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1003-8639（ 2023 ）05-0013-03

【Abstract】With the rapid development of new energy vehicles，how to effectively achieve cost reduction and efficiency has become major new energy manufacturers are facing a major problem. In the development stage of a car，testing to verify the function and performance of the car often accounts for a large part of the development cost. Based on VeriStand development environment，this paper built a set of pure electric logistics vehicle controller hardware-in-the-loop simulation test platform. The verified use can effectively test the main control logic of the vehicle controller and find the bugs in the control software before the actual vehicle test. In the test stage，the development cost is saved，the efficiency of research and development is improved，and the risk of subsequent real car experiment is reduced，Effectively ensure the personal safety of the test personnel.

【Key words】pure electric logistics vehicle;hardware in loop;vehicle controller;VeriStand

作者簡介

李之乾（1993—），女，助理工程師，碩士，研究方向為新能源電控系統(tǒng)硬件在環(huán)測試;曹紅艷（1988—），女，工程師，碩士，研究方向為動力總成硬件在環(huán)測試;許成林（1998—），男，助理工程師，研究方向為新能源電控系統(tǒng)硬件在環(huán)測試;肖華東（1992—），男，技師，研究方向為負載箱制作;韓淑芳（1996—），女，技師，研究方向為負載箱制作。

21世紀以來，隨著電動汽車三電技術的進一步發(fā)展，新能源汽車的占比越來越高，未來汽車電動化已成為不可逆的趨勢[1]。新能源汽車整車控制器EVCU作為汽車的“大腦”，其“聰明”程度對于整車的各方面性能起到至關重要的作用。如何更加快速高效地開發(fā)VCU已經成為車企提高競爭力的關鍵一步。經過多年沉淀，目前業(yè)界普遍采用V模式的開發(fā)流程[2]，如圖1所示。

控制器在進行裝車之前需要進行十分嚴謹復雜的測試，僅僅依靠傳統(tǒng)的實車測試，對測試環(huán)境、測試人員都有較高的要求，測試成本高，且極端工況下具有一定的危險性，測試結果的記錄與分析難度較大，一些問題難以復現(xiàn)等[3]，在實車測試之前進行硬件在環(huán)仿真測試可以有效解決以上問題。硬件在環(huán)即采用真實的控制器，被控對象部分采用真實元件，部分采用實時數字模型，或全部采用實時數字模型，模擬被控對象的物理行為以及傳感器執(zhí)行器的信號，與VCU通過硬線連接后形成一個閉環(huán)的仿真系統(tǒng)，可以對控制模型進行復雜的、重復的驗證[4]。

本文以某公司的純電動物流車的EVCU為對象，基于NI的VeriStand軟件及PXI總線系統(tǒng)設計一套硬件在環(huán)測試系統(tǒng)，經驗證能夠對該車型EVCU進行功能驗證。

1? HIL測試系統(tǒng)總體方案設計

本文基于VeriStand的純電動汽車EVCU硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的架構如圖2所示，基于MATLAB/Simulink搭建純電動物流車的整車模型并配置行駛工況，對VCU的控制策略進行解讀并根據硬件原理圖配置模型I/O接口和CAN報文接口。模型編譯完成后，部署到下位機NI Phar LapRT系統(tǒng)中，下位機通過硬線與EVCU連接，從而實現(xiàn)仿真模型與控制器的實時交互。做HIL測試時，通過VeriStand軟件實時改變模型的參數來模擬不同的行駛工況，或通過設置動力電池和驅動電機的參數來模擬極端工況下或發(fā)生故障時的車輛行駛狀態(tài)。通過刷寫標定軟件INCA可以對控制模型的參數進行實時監(jiān)測和標定，針對不同的邏輯進行功能驗證。

2? 控制策略簡析及仿真模型搭建

2.1? 策略簡析

HIL測試需要了解EVCU的控制策略，才能夠在測試過程中對相應的參數進行標定以及發(fā)現(xiàn)控制模型中存在的Bug。整車的控制策略動力傳遞路徑主要是根據鑰匙信號、擋位信號、油門制動踏板輸入信號、電機工況以及各類傳感器信號綜合判斷駕駛員的意圖，然后根據車輛的運行工況以及是否存在故障等，對電機的輸出轉矩或者轉速進行決策和限制，然后通過CAN報文形式發(fā)送給電機控制器，控制電機的輸出轉矩和轉速，再根據電機反饋的實際轉速和轉矩，反饋調節(jié)需求轉矩，從而對車輛的行駛速度進行控制。整車控制策略示意圖如圖3所示。

2.2? 模型搭建

整車物理模型旨在模擬車輛行為，與整車控制器進行交互，因此本文的整車模型主要可分為兩個部分：物理模型和交互接口，交互接口主要有I/O接口和CAN報文接口。模型架構如圖4所示，中間部分為物理模型，左右兩邊的部分是模型控制器交互的接口。

物理模型的優(yōu)劣決定了HIL測試的品質，本文物理模型是基于MATLAB/Simulink搭建，主要思路是基于整車在行駛時的動力傳遞路徑進行建模。如圖5所示。

其中轉矩傳遞路徑為：驅動電機→傳動系統(tǒng)→車輪→整車動力學模型。轉速傳遞路徑為：整車動力學模型→車輪→傳動系統(tǒng)→驅動電機。根據建模思路，將整車物理模型主要分為電機模型、電池模型、傳動系統(tǒng)模型、車輛動力學模型、輔機模型和駕駛員模型。

電機模型的輸入主要有電池電壓、EVCU的決策轉矩、電機控制模式、鑰匙開關信號、冷卻系統(tǒng)使能信號等，對應的輸出主要是電機實際轉矩和轉速、電機的工作溫度，電機母線的電壓和電流等參數。

本文采用卡爾曼濾波的SOC估算法建立蓄電池等效數學模型，電池模型根據二階RC模型等效電路模擬法建立，該電池模型結構清晰，可讀性強，能夠較為真實地模擬車用高壓鋰電池的工作特性。根據蓄電池等效電路模型，由基爾霍夫電壓定律可得：

（1）

式中：U0——歐姆電阻兩端電壓。

根據蓄電池等效電路模擬，能夠得到蓄電池等效數學模型為：

式中：SOC0——t0時刻SOC值;SOC——t1時刻SOC值;Cn——蓄電池的額定容量;I——蓄電池當前放電電流。

以上子模塊輸入為電池初始SOC值、電機電流、需求電壓、使能信號等。輸出有電池電壓、SOC值、充放電功率、電池溫度及電流限制等。

傳動系統(tǒng)、車輪模型，即根據實車傳動比及車輪半徑等實車參數進行一系列數學運算，最后經過車輛動力學的公式運算，得到實際的驅動力、阻力及車速等參數。

車輛動力學模型計算了車輛行進過程中的空氣阻力、滾動阻力以及坡度阻力等，輸入為車輪驅動力矩，輸出受各項阻力影響車輪的實際轉速。

輔機模型，即模擬冷卻風扇、冷卻水泵、DCDC、空壓機等設備的工作情況，接收EVCU發(fā)送的使能信號，將模擬的輔機工作信號及故障狀態(tài)等發(fā)送給EVCU。

I/O、CAN報文接口，即控制器與模型進行信號交互的部分，I/O主要是車上人機交互的部分，如鑰匙信號、油門制動、手剎、空調、燈光等，CAN報文接口是EVCU與車輛其他控制器、執(zhí)行器進行交互的接口。

3? HIL測試系統(tǒng)搭建及驗證

有了上面所述的控制模型和物理模型，即可根據HIL設備搭建測試系統(tǒng)，本文基于NI PXI總線系統(tǒng)搭建HIL測試系統(tǒng)，使用VeriStand軟件進行工程匹配以及操作界面搭建。

3.1? 硬件準備

HIL硬件設備如圖6所示，主要組成部分包括上位機、PXI總線系統(tǒng)、調理模塊、負載線束、程控電源以及整車控制器EVCU及接線板。其中上位機運行VeriStand軟件，可控制下位機中運行的物理模型實時與控制器進行信號的交互。本文的PXI總線系統(tǒng)包含NI PXI-8115控制器、PXI-6220、PXI-6723數據生成采集板卡以及CAN通信板卡PXI-8512。

3.2? VeriStand工程搭建

上位機VeriStand軟件中建立項目工程，輸入正確的下位機IP地址，導入模型編譯后生成的.dll文件和CAN報文的DBC文件，配置下位機的硬件輸出輸入端口并與模型中預留的I/O接口以及CAN報文接口做Mapping。打開交互界面WorkSpace，利用自定義功能建立兼顧美觀與實用性的測試界面，如圖7所示。

3.3? 測試驗證

利用前面所述的硬件設備以及搭建好的VeriStand工程，進行新能源整車控制器EVCU的一系列功能驗證。

1）整車上下電功能驗證。接通HIL設備電源，將VeriStand工程部署到下位機中，在打開的WorkSpace界面中，轉動啟動按鈕，在INCA中調出控制策略中的鑰匙開關信號以及上下低壓、上下高壓的變量，同時觀察WorkSpace界面中電源指示燈以及動力電壓等控件的變化。結果顯示，能夠通過上位機界面中的啟動旋鈕控制整車的正常上下電功能。

2）車輛換擋及正常行駛功能驗證。在EVCU控制策略中，車輛換擋時，需先踩住制動踏板，將圖8中的起動旋鈕轉到START，車輛起動，拖動制動控件，使其大于一定值，然后轉動換擋旋鈕至D擋，將制動控件拖到0，然后拖動油門控件緩慢增加，整個測試過程中觀察WorkSpace車速儀表、電機轉速儀表等控件的變化以及在INCA中調出EVCU控制策略的相關參數進行對比觀測。車速、電機轉矩、轉速等參數在加速及制動工況下的變化情況如圖8所示。

3）SOC、續(xù)駛里程、行駛里程等驗證。保持車輛行駛一段時間后，SOC值和續(xù)駛里程都有所降低，行駛里程按照正確的速率增加。結果表明，本文HIL測試系統(tǒng)能夠對以上功能進行驗證。

4? 總結

本文基于VeriStand開發(fā)環(huán)境搭建的純電動物流車整車控制器硬件在環(huán)仿真測試平臺，利用Matlab /Simulink 建立純電動整車物理模型，連接真實整車控制器，進行實驗驗證并對結果數據進行分析。結果表明，該仿真測試平臺在實車測試之前，能夠有效測試整車控制器的主要控制邏輯，發(fā)現(xiàn)控制軟件中的Bug，實現(xiàn)在測試階段節(jié)省開發(fā)成本、提高研發(fā)效率的目的。

參考文獻：

[1] 薛冰. 純電動汽車整車控制器測試平臺的設計與研究[D]. 武漢：武漢理工大學，2018.

[2] 劉永山. 純電動汽車整車控制器開發(fā)及控制策略研究[D]. 武漢：武漢理工大學，2014.

[3] 茍毅彤. 基于純電動汽車整車控制器的功能安全分析與設計[J]. 內燃機與配件，2020（19）：47-48.

[4] 楊凡. 純電動汽車整車控制器軟件設計[J]. 時代汽車，2020（15）：102-103.

（編輯? 楊? 景）