一種基于LABVIEW的混合動力汽車新型上位機平臺的設(shè)計

李曉錦，王紅磊，倪計民，石秀勇

(1.同濟大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804;2.吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院，長春 130025)

前言

目前，國內(nèi)外對混合動力汽車的數(shù)據(jù)采集平臺已進行過設(shè)計[1－3]，但存在著平臺界面不友好、數(shù)據(jù)不直觀等缺點。本文中利用圖形化的編程語言—LABVIEW，針對上述混合動力汽車試驗臺架中整車控制器(HCU)的數(shù)據(jù)采集問題，設(shè)計開發(fā)了一套新型的混合動力汽車上位機平臺，并對其功能進行了離線演示和試驗測試。

1 混合動力客車試驗臺架

為了推進混合動力汽車技術(shù)的發(fā)展，本文中搭建了一套混合動力客車動力總成的試驗臺架[4]。該臺架為單軸并聯(lián)式，由發(fā)動機、自動離合器、電動機/發(fā)電機、離合器和電池組組成，如圖1所示。

從圖1可知，根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式，可分為6種基本工作模式:純電動模式、純發(fā)動機模式、混合驅(qū)動模式、行車發(fā)電模式、制動能量回收模式和怠速/停車模式。HCU、發(fā)動機控制器(ECU)、電機控制器(PCU)、電池組管理系統(tǒng)(BMS)和離合器控制器(TCU)在CAN總線的連接下共同組成了一個車載CAN網(wǎng)絡(luò)。輔助控制器采集的狀態(tài)參數(shù)，通過CAN總線傳送給HCU，HCU根據(jù)車輛和發(fā)動機的工況以及駕駛員的駕駛意圖進行動力總成能量分配。

2 上位機平臺的功能設(shè)計

針對并聯(lián)式混合動力汽車系統(tǒng)開發(fā)過程中的轉(zhuǎn)矩分配和電池SOC控制這兩大核心問題，分別為其上位機設(shè)計了效率點追蹤、能量流動畫顯示和路況統(tǒng)計3種功能，以提高控制策略的開發(fā)效率。另外，由于試驗中電機預(yù)充電控制策略不完善，還設(shè)計了電機預(yù)充電測試功能。

2.1 效率點追蹤

混合動力汽車控制策略的優(yōu)化實質(zhì)上就是基于工況的需求，合理分配發(fā)動機和電機的功率/轉(zhuǎn)矩，在滿足排放和動力性指標(biāo)的前提下追求最小的燃油消耗。轉(zhuǎn)矩分配策略的優(yōu)劣直接影響混合動力汽車的節(jié)油效果，直觀實時地跟蹤發(fā)動機和電機的運行效率對轉(zhuǎn)矩分配策略的驗證和改進具有重要意義，為此，該系統(tǒng)開發(fā)了效率點追蹤功能。圖2為發(fā)動機和電機效率點追蹤圖。

圖2(a)中的黑色部分代表高效區(qū)，具有較低的燃油消耗率。圖2(b)中轉(zhuǎn)矩正為電動機狀態(tài)，轉(zhuǎn)矩負(fù)為發(fā)電機狀態(tài)。圖2中白色星點為發(fā)動機和電機的對應(yīng)工作點，該功能可實時顯示最近20個工作點的軌跡，時序按顏色由淺到深表示。利用該功能可以清楚地顯示控制策略對發(fā)動機和電機工作點的調(diào)節(jié)軌跡，從而直觀地了解混合動力控制策略的運行效果。

2.2 能量流動畫顯示

能量流動畫顯示功能可實時顯示整車工況和對應(yīng)的系統(tǒng)能量流動情況，可用于直觀測試轉(zhuǎn)矩分配策略在混合動力不同工作模式下的切換情況。

圖3為能量流動情況及轉(zhuǎn)矩分配和路況等。程序中將采集的發(fā)動機和電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和離合器狀態(tài)作為控制參數(shù)，用箭頭控件指示能量流動的方向。通過發(fā)動機和電機轉(zhuǎn)矩梯度的顯示，可直觀地觀察到兩者轉(zhuǎn)矩分配的情況。結(jié)合能量流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和路況的實時顯示，可有效提高混合動力車輛不同模式的切換策略和轉(zhuǎn)矩分配策略的標(biāo)定效率。

2.3 路況統(tǒng)計

車輛的行駛工況即為車速-時間歷程，綜合反映了當(dāng)前車速、加速度、怠速情況、行駛里程和運行時間等運動學(xué)參數(shù)，可用當(dāng)前車速和時間兩個變量來表示[5]。路況統(tǒng)計功能可實現(xiàn)不同時間樣本容量下整車運行工況的數(shù)據(jù)采集分析和整理。臺架測試時，可反映近期所做試驗數(shù)據(jù)的密度分布，為后期的試驗內(nèi)容做參考;實車測試時，可為后期的路譜分析提供統(tǒng)計數(shù)據(jù)，從而為路線相對固定的混合動力汽車(如混合動力公交車)提供SOC控制的依據(jù)。

為便于觀察比較，設(shè)計了兩個時間樣本容量(分別為全程25min和局部5min)下的路況記錄，并進行了概率統(tǒng)計，分別表示全程速度和局部速度，見圖4。圖中，路況記錄用車速-時間曲線表示，概率統(tǒng)計結(jié)果用直方圖表示。同時，所有的路況采集和統(tǒng)計數(shù)據(jù)都可保存在數(shù)據(jù)文件中，以備需要時調(diào)用。

2.4 虛擬電機預(yù)充電測試

在混合動力汽車中，電機控制器電容初始狀態(tài)電壓為零，為了減少電容加電瞬間引起的短路電流，須在電容加電回路中串入一電阻進行限流，該過程稱為預(yù)充電。電機預(yù)充電過程靠HCU內(nèi)部的加電邏輯控制繼電器完成。由于預(yù)充電歷時較短，一般為1～2s，該過程又涉及高壓大電流，若控制邏輯考慮不周，很有可能引起電容的燒毀或預(yù)充電電阻的爆炸，所以在HCU的開發(fā)過程中，有必要對HCU加電邏輯的可靠性進行測試。

本文中利用LABVIEW程序模擬預(yù)充電強電系統(tǒng)，用虛擬電機代替實際電機，實現(xiàn)了電機預(yù)充電控制策略的離線測試，若充電過程中電壓電流發(fā)生異常，該系統(tǒng)會自動報警，從而大大地提高了預(yù)充電策略的開發(fā)效率和安全性。

(1)電機預(yù)充電原理

預(yù)充電電路圖如圖5所示。

電機預(yù)充電過程中，HCU的加電邏輯為:首先閉合負(fù)極繼電器(Sn)，閉合預(yù)充繼電器(Spre)后充電開始，這時電機電壓按照RC電路規(guī)律上升，當(dāng)電壓達(dá)到預(yù)定值后斷開預(yù)充繼電器(Spre)，閉合正極繼電器(Sp)，電機電壓迅速達(dá)到400V后穩(wěn)定，預(yù)充電完成。

(2)預(yù)充電模擬算法

在LABVIEW程序算法中，利用1階RC電路來模擬電機的預(yù)充電過程。

根據(jù)庫侖定律:

根據(jù)基爾霍夫定律:

式(1)和式(2)聯(lián)立得

在式(3)中，可利用LABVIEW中移位寄存器實現(xiàn)兩個時間步長的電壓計算，從而得出當(dāng)前電壓的數(shù)值。

(3)程序設(shè)計

根據(jù)電機預(yù)充電原理，對于HCU，須要實時檢測電機電壓，以保證加電邏輯的及時性。對于虛擬電機，接收HCU發(fā)送的繼電器控制參數(shù)后，經(jīng)過預(yù)充電電路算法，將當(dāng)前電壓反饋至HCU。本文中采用事件動態(tài)觸發(fā)的形式實現(xiàn)電機電壓的反饋，如圖6所示。將電壓值與目的ID地址捆綁到VCI_CAN_OBJ_R簇結(jié)構(gòu)中，執(zhí)行循環(huán)數(shù)據(jù)接收程序時生成一個用戶事件，將用戶事件設(shè)定成發(fā)送事件，以實現(xiàn)電機電壓的實時反饋，而HCU也可以根據(jù)此ID地址在CAN總線中接收到電機電壓信息。

3 上位機平臺的功能驗證

為實現(xiàn)上位機平臺功能的離線演示，開發(fā)了讀取離線數(shù)據(jù)的軟件接口。同時，為了實現(xiàn)開發(fā)平臺的數(shù)據(jù)采集功能，開發(fā)了CAN通信的硬件接口。

3.1 上位機平臺的離線演示

利用混合動力汽車專用仿真軟件PSAT獲得了一組混合動力汽車在中國典型城市公交工況下的仿真數(shù)據(jù)[6]，并利用上位機平臺的軟件接口，與仿真數(shù)據(jù)進行連接，從而實現(xiàn)了該平臺功能的離線演示。

離線演示平臺如圖7所示。對于電機預(yù)充電測試功能，離線演示和試驗測試不同，它直接將繼電器的加電邏輯嵌入到離線演示平臺中，用戶可通過更改電機預(yù)充電參數(shù)(如電機電容、預(yù)充電電阻和電池電壓等)實現(xiàn)不同條件下電機預(yù)充電測試功能的演示。另外，還模擬了預(yù)充電故障程序，當(dāng)電機電壓反饋出現(xiàn)故障時，如果繼電器加電邏輯不變，預(yù)充電電阻會因過熱而爆炸。

3.2 上位機平臺的試驗測試

因為該平臺和混合動力總成系統(tǒng)之間采用CAN通信方式，所以只須設(shè)計一個具備混合動力整車系統(tǒng)所有控制器協(xié)議的CAN節(jié)點，即可在硬件上驗證該平臺的功能。本文中利用控制器快速原型dSPACE平臺，搭建了一套混合動力汽車虛擬試驗臺架，并設(shè)計了平臺與虛擬臺架的通信接口，實現(xiàn)了在虛擬臺架上測試開發(fā)平臺的通信功能，與上位機平臺構(gòu)成了一套硬件在環(huán)(HIL)系統(tǒng)。這樣不僅大大提高了上位機平臺的開發(fā)效率，而且節(jié)省了開發(fā)成本。該平臺也可做成嵌入式的測試儀表，通過通信接口連接試驗臺架或整車，實現(xiàn)對混合動力汽車數(shù)據(jù)的實時采集。

(1)利用dSPACE仿真平臺搭建虛擬臺架

dSPACE是一套基于Matlab/Simulink的控制系統(tǒng)開發(fā)和半實物仿真的軟硬件工作平臺。在利用該平臺搭建的虛擬臺架中，其硬件部分為MicroBox，利用其內(nèi)部提供的CAN總線I/O接口，直接將虛擬臺架連接到CAN總線中。軟件部分為試驗工具軟件ControlDesk，借助RTICAN工具箱，對上述混合動力客車整車仿真模型的數(shù)據(jù)按照相應(yīng)的CAN通信協(xié)議進行接口配置，搭建了一個與實際臺架的通信功能相類似的虛擬臺架。其功能是將混合動力汽車中各控制器的數(shù)據(jù)按照一定的波特率發(fā)送至CAN總線，并接收上位機平臺發(fā)送至CAN總線上的數(shù)據(jù)。

(2)上位機平臺的CAN通信接口設(shè)計

周立功公司專門為ZLGCAN設(shè)備在PC上使用提供了虛擬CAN接口函數(shù)(VCI)，在LABVIEW中可直接通過調(diào)用動態(tài)鏈接庫函數(shù)節(jié)點使用這些庫函數(shù)。其調(diào)用流程如圖8所示。

(3)上位機平臺和虛擬臺架的通信連接

本文中采用周立功公司的USBCANⅡ型數(shù)據(jù)采集卡。其串口端通過USB轉(zhuǎn)串口線連接PC上位機，CAN端通過CAN_H和CAN_L兩根線連接虛擬臺架中的MicroBox。通信連接方式如圖9所示。

(4)開發(fā)平臺的試驗測試

混合動力汽車臺架數(shù)據(jù)通信測試與電機預(yù)充電測試不能同步工作，因此試驗測試須分成數(shù)據(jù)通信測試與預(yù)充電測試兩個模塊。試驗測試裝置如圖10所示。

①數(shù)據(jù)通信測試 觀察虛擬臺架和上位機平臺中發(fā)動機、電機、電池、離合器和整車的數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，兩者的數(shù)據(jù)一致且同步，說明效率點追蹤、能量流動畫顯示和路況統(tǒng)計的通信準(zhǔn)確，實時性好。

②電機預(yù)充電測試 啟動虛擬臺架中的電機預(yù)充電測試模塊時，數(shù)據(jù)通信模塊終止。虛擬臺架通過模擬HCU內(nèi)部的加電邏輯對開發(fā)平臺中的虛擬電機進行預(yù)充電，而虛擬電機中的繼電器則相應(yīng)動作，顯示預(yù)充電曲線，并將實時電壓反饋至虛擬臺架。試驗測試結(jié)果表明，開發(fā)平臺中的電機預(yù)充電測試功能簡便可靠，界面直觀生動。

4 結(jié)論

(1)本文中以一套單軸并聯(lián)式混合動力客車試驗臺架為背景，利用LABVIEW編程軟件，開發(fā)了一套新型的混合動力汽車上位機平臺，設(shè)計了4個新功能，包括發(fā)動機和電機效率點追蹤、能量流動畫顯示、不同樣本容量下的路況統(tǒng)計和電機預(yù)充電測試。

(2)設(shè)計了開發(fā)平臺與混合動力汽車仿真數(shù)據(jù)的軟件接口，實現(xiàn)了上位機平臺功能的離線演示。

(3)利用控制器快速原型dSPACE平臺，搭建了一套混合動力汽車虛擬臺架。通過在虛擬臺架中對開發(fā)平臺進行試驗測試，證明該上位機平臺具有通信準(zhǔn)確、實時的優(yōu)點，電機預(yù)充電測試功能可靠，不但較好滿足了混合動力系統(tǒng)開發(fā)的需求，而且其功能設(shè)計和良好的人機界面為控制策略的測試、改進和直觀演示提供了極大的方便。

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