混合動(dòng)力汽車整車控制策略建模及硬件在環(huán)仿真

杜常清 甘雯雯 張佩 沈姝

（武漢理工大學(xué)，現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430070）

混合動(dòng)力汽車整車控制策略建模及硬件在環(huán)仿真

杜常清 甘雯雯 張佩 沈姝

（武漢理工大學(xué)，現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430070）

采用基于模型的方法進(jìn)行混合動(dòng)力整車控制策略開發(fā)，建立了系統(tǒng)連接、模式判定、轉(zhuǎn)矩計(jì)算以及故障診斷等模塊?；赟imulink環(huán)境對整車控制策略進(jìn)行分層次建模，使整車控制策略的邏輯更清晰、調(diào)試更便利。搭建了基于dSPACE的硬件在環(huán)仿真平臺(tái)，對硬件在環(huán)測試過程進(jìn)行了分析。測試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的整車控制器能夠控制車輛按照預(yù)期情況完成加減速、模式切換等各項(xiàng)操作，驗(yàn)證了該整車控制器邏輯的正確性以及硬件在環(huán)系統(tǒng)在產(chǎn)品研發(fā)過程中的優(yōu)越性。

1 前言

混合動(dòng)力系統(tǒng)的控制邏輯和算法較為復(fù)雜，加上信號處理和硬件接口匹配任務(wù)繁多，在開發(fā)的過程中如果直接依托臺(tái)架試驗(yàn)平臺(tái)或?qū)嵻嚻脚_(tái)，將大大增加開發(fā)成本和周期。而硬件在環(huán)（hardware in the loop，HIL）仿真測試是一種進(jìn)行控制邏輯和控制算法驗(yàn)證優(yōu)化的有效手段，可以縮短開發(fā)周期，降低項(xiàng)目開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，因而在控制系統(tǒng)開發(fā)中得到了大量應(yīng)用。

目前，在新能源汽車領(lǐng)域，硬件在環(huán)技術(shù)主要用于對整車控制系統(tǒng)、BMS電池管理系統(tǒng)和MCU電機(jī)控制器的仿真測試[1～5]，但上述研究往往集中于系統(tǒng)功能的驗(yàn)證，忽略了對于復(fù)雜控制系統(tǒng)建模方法的探討。本文采用基于模型的方法對混合動(dòng)力汽車整車控制策略進(jìn)行了分層次建模，搭建了基于dSPACE的硬件在環(huán)仿真測試平臺(tái)，利用該平臺(tái)對建立的整車控制策略進(jìn)行了硬件在環(huán)仿真，通過仿真進(jìn)一步驗(yàn)證和優(yōu)化了混合動(dòng)力系統(tǒng)的控制邏輯和控制算法。

2 混合動(dòng)力系統(tǒng)控制策略設(shè)計(jì)

2.1 并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)

以某并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)為研究對象，其主要部件參數(shù)及結(jié)構(gòu)分別如表1和圖1所示。由圖1可看出，整車控制器HCU通過CAN總線實(shí)現(xiàn)與電池管理系統(tǒng)BMS、電機(jī)控制器MCU、變速器控制器TCU和發(fā)動(dòng)機(jī)管理單元ECU的通訊，其中HCU與ECU之間的通訊通過兩者之間的私有CAN實(shí)現(xiàn)。

表1 并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)主要部件參數(shù)

圖1 并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2.2 整車控制策略建模

2.2.1 系統(tǒng)開發(fā)流程

混合動(dòng)力汽車整車控制系統(tǒng)是一個(gè)集離散事件與連續(xù)事件為一體的混合仿真系統(tǒng)，對于此類系統(tǒng)的開發(fā)，通常結(jié)合Stateflow和Simulink進(jìn)行綜合建模。本文建立的控制策略模型主要包含基于Stateflow的離散事件模型、基于Simulink的連續(xù)系統(tǒng)模型以及兩者的接口模型等3個(gè)部分。整車控制系統(tǒng)開發(fā)流程如圖2所示。

圖2 整車控制系統(tǒng)開發(fā)流程

根據(jù)用戶協(xié)議定義系統(tǒng)的頂層結(jié)構(gòu)以及模塊的劃分。圖3列出了17個(gè)子模塊，分別對應(yīng)17個(gè)子系統(tǒng)，加上對各模塊執(zhí)行順序進(jìn)行控制的主模塊（圖4），頂層結(jié)構(gòu)中共包括18個(gè)模塊。

圖3 控制系統(tǒng)子模塊

圖4 主模塊流程示意

2.2.2 子系統(tǒng)建模

由圖3和圖4可知，整車控制策略模型運(yùn)行時(shí)最先觸發(fā)的是輸入信號處理模塊和整車工作模式判定模塊（圖5）。

圖5 整車工作模式判定

各子系統(tǒng)功能如下。

a.輸入信號處理模塊主要完成數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換、信號消抖處理、變量轉(zhuǎn)換以及對同類開關(guān)信號或故障進(jìn)行集中，減少后續(xù)連線等。

b.整車工作模式包括行車準(zhǔn)備、行車、充電，在系統(tǒng)連接之前進(jìn)行工作模式的判定能夠讓整個(gè)控制邏輯更加有條不紊。

c.對于連接模塊以及整車工作模式判定模塊，采用狀態(tài)轉(zhuǎn)換的方式對系統(tǒng)的工作過程進(jìn)行描述。

d.整車駕駛意圖判定模塊包括踏板信號解析、電池SOC計(jì)算、發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)需求判斷、電機(jī)驅(qū)動(dòng)需求判斷、整車傳動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)等，采用了基于規(guī)則的控制策略。

e.轉(zhuǎn)矩分配模塊主要根據(jù)駕駛意圖判定模塊輸出的傳動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)，計(jì)算不同狀態(tài)下的發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的需求轉(zhuǎn)矩。

f.電機(jī)模式計(jì)算模塊根據(jù)電機(jī)當(dāng)前的工作模式（轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)速）對轉(zhuǎn)矩分配模塊輸出的需求轉(zhuǎn)矩進(jìn)行處理，并輸出最終的電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩需求，以及電機(jī)工作模式與工作狀態(tài)（驅(qū)動(dòng)/發(fā)電）。

g.故障處理模塊針對不同的行車模式對連接信號故障、傳感器信號故障以及采集到的故障信號判斷并分類，同時(shí)輸出相應(yīng)的故障代碼。

h.系統(tǒng)保護(hù)模塊是對故障處理模塊確認(rèn)后的信號進(jìn)行針對性地處理。在行車準(zhǔn)備及行車狀態(tài)下，根據(jù)故障信息確定是否降低系統(tǒng)輸出功率、關(guān)閉電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)或提示駕駛員停車等。在充電狀態(tài)主要對電池系統(tǒng)的故障進(jìn)行判斷，確定是否需要停止充電。

i.冷卻系統(tǒng)模塊管理電機(jī)系統(tǒng)水循環(huán)以及電機(jī)系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)和空調(diào)系統(tǒng)的綜合風(fēng)扇散熱請求。其中水循環(huán)系統(tǒng)采用溫差延時(shí)控制，可避免在某一水溫區(qū)水泵頻繁啟停。

j.空調(diào)響應(yīng)模塊僅在行車模式下運(yùn)行，包括空調(diào)使能判斷以及制冷、制熱的實(shí)現(xiàn)。

k.顯示系統(tǒng)信息處理模塊主要計(jì)算發(fā)送給儀表的各種信息，以及控制儀表報(bào)警蜂鳴器。

l.輸出信號處理模塊主要包含整車充電時(shí)的默認(rèn)輸出管理、整車誤操作狀態(tài)的默認(rèn)輸出管理和輸出信號整理等3部分。

2.2.3 系統(tǒng)集成

完成子系統(tǒng)的建模與測試后，將各子系統(tǒng)集成在一起，通過主模塊實(shí)現(xiàn)對各模塊的調(diào)用。該過程中涉及到不同系統(tǒng)之間的連接問題，本文采用bus creator/selector模塊實(shí)現(xiàn)模塊間變量的傳遞，以提高建模的效率，增強(qiáng)模型的可讀性。對集成后的模型進(jìn)行編譯，將生成的代碼下載到MicroAutobox中即為整車控制器。

3 硬件在環(huán)仿真測試平臺(tái)的搭建

將dSPACE公司提供的整車環(huán)境模型通過編譯下載到HIL機(jī)柜中，與整車控制器MicroAutobox通過接口系統(tǒng)連接起來完成閉環(huán)測試，如圖6所示。HIL機(jī)柜包含程控電源、PX20機(jī)箱、負(fù)載及故障注入單元3個(gè)部分。其中PX20包括20個(gè)插槽，用于安裝處理器板卡和IO板卡。硬件在環(huán)系統(tǒng)構(gòu)架如圖7所示。

圖6 測試平臺(tái)主要部件連接圖

4 硬件在環(huán)測試

通過硬件在環(huán)測試對整車控制策略在不同工況下的車速、擋位、發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速等信號以及各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)之間的切換進(jìn)行觀測，驗(yàn)證控制策略邏輯的正確性。其中換擋邏輯在整車環(huán)境中進(jìn)行定義，采用雙參數(shù)組合型換擋規(guī)律，如圖8所示。

圖8 換擋規(guī)律

4.1 開環(huán)測試

開環(huán)測試主要用于定標(biāo)（或標(biāo)定）HCU引腳信號值與物理值之間的關(guān)系曲線，確保連接HCU引腳的輸入、輸出信號、總線信號正常，同時(shí)為閉環(huán)測試提供必要條件。開環(huán)測試的內(nèi)容包括傳感器信號定標(biāo)，執(zhí)行器信號定標(biāo)以及CAN總線信號測試。

4.2 閉環(huán)測試

完成開環(huán)定標(biāo)之后，將控制器HCU與模擬被控對象行為的仿真器連接起來，在實(shí)時(shí)環(huán)境下對HCU的控制功能、通信功能、診斷功能等進(jìn)行測試，此測試即為閉環(huán)測試。

4.2.1 測試用例設(shè)計(jì)

閉環(huán)測試的目的是利用硬件在環(huán)系統(tǒng)檢測本文整車控制策略能否準(zhǔn)確地控制車輛完成啟動(dòng)、加減速、換擋、模式切換等動(dòng)作，包括手動(dòng)測試和自動(dòng)測試兩部分。

4.2.1.1 手動(dòng)測試

通過調(diào)節(jié)踏板信號值模擬各種典型工況，監(jiān)測車輛行駛狀態(tài)，判斷HCU的駕駛員意圖解析是否準(zhǔn)確，以及各種典型工況下能否控制車輛完成相應(yīng)的操作。測試用例設(shè)計(jì)為：HCU上電后，將擋位設(shè)置為D擋，松開制動(dòng)踏板并猛踩加速踏板，車輛起動(dòng)并開始急加速；當(dāng)達(dá)到最高車速后穩(wěn)定一段時(shí)間，然后松開加速踏板開始制動(dòng)，使車輛進(jìn)入怠速狀態(tài)；一段時(shí)間后松開制動(dòng)踏板，踩加速踏板至純電動(dòng)狀態(tài)，最后全力加速。SOC初始值設(shè)為0.5。

4.2.1.2 自動(dòng)測試

給定駕駛循環(huán)，測試車輛能否按照預(yù)定的車速自動(dòng)駕駛及各項(xiàng)參數(shù)是否正常。測試用例設(shè)計(jì)為：將車輛的運(yùn)行模式設(shè)置為駕駛循環(huán)工況，開始仿真后車輛按照預(yù)定的工況行駛，在行駛過程中，駕駛員模型調(diào)節(jié)車輛自動(dòng)跟隨目標(biāo)車速，不需要手動(dòng)對車輛進(jìn)行任何操作。SOC初始值設(shè)為0.5，直接從混合驅(qū)動(dòng)模式開始進(jìn)行測試。

4.2.2 測試結(jié)果分析

4.2.2.1 手動(dòng)測試結(jié)果

手動(dòng)測試的加速、制動(dòng)踏板信號如圖9所示。圖10為監(jiān)測到的車速、擋位、總驅(qū)動(dòng)力轉(zhuǎn)矩、發(fā)動(dòng)機(jī)/電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速、實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩與期望轉(zhuǎn)矩對比及整車工作模式，其中，總的驅(qū)動(dòng)力轉(zhuǎn)矩為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩之和；發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩包括缸內(nèi)燃燒產(chǎn)生的平均轉(zhuǎn)矩及機(jī)械摩擦轉(zhuǎn)矩兩部分；整車工作模式中的0～6分別代表初始化、純電動(dòng)、純發(fā)動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)發(fā)電、混合驅(qū)動(dòng)、再生制動(dòng)、制動(dòng)等。

圖9 加速、制動(dòng)踏板信號

圖10 手動(dòng)測試結(jié)果

結(jié)合圖9和圖10可知，車輛起步瞬間，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為0，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)沒有轉(zhuǎn)矩輸出，車輛工作在純電動(dòng)模式；加速踏板繼續(xù)維持在最大開度時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)，進(jìn)入混合驅(qū)動(dòng)狀態(tài)；車輛維持在高速狀態(tài)一段時(shí)間后，松開加速踏板，踩下制動(dòng)踏板，進(jìn)入再生制動(dòng)模式；制動(dòng)踏板信號持續(xù)有效，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入怠速狀態(tài)，變速器置空擋，切斷了動(dòng)力系統(tǒng)與傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力傳遞，車輛返回初始化狀態(tài)；再次加速時(shí)，由于加速踏板開度較小，車速較低，整車需求轉(zhuǎn)矩較小，車輛進(jìn)入純電動(dòng)模式。

由圖10b和圖10d可看出，整車控制器能夠控制變速器完成相應(yīng)的升、降擋操作，并且換擋瞬間發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)轉(zhuǎn)速有所降低，符合實(shí)際車輛運(yùn)行情況。

上述測試結(jié)果表明，HCU能夠準(zhǔn)確地完成駕駛員意圖解析，同時(shí)控制車輛完成各種典型工況。

4.2.2.2 自動(dòng)測試結(jié)果

選擇城市道路行駛工況（ECE）+市郊行駛工況（EUDC）為目標(biāo)工況，ECE工況測試時(shí)間持續(xù)780 s，總行駛里程為4.052 km，平均車速為18.7 km/h；EUDC工況測試時(shí)間為400 s，行駛里程為6.955 km，平均車速為62.6 km/h，該工況最高車速為120 km/h。

圖11為期望車速與實(shí)際車速對比結(jié)果，由圖11可看出，駕駛員模型能夠控制車輛較好地實(shí)現(xiàn)車速跟蹤，整個(gè)駕駛循環(huán)中車輛的油耗為6.11 L/100 km，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

圖12為監(jiān)測到的踏板信號、擋位變化、發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩信號、電機(jī)的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩信號以及整車工作模式和電池SOC變化曲線。從圖12可看出，在0～200 s內(nèi)，當(dāng)車速較低、整車需求轉(zhuǎn)矩較小時(shí)，車輛以純電動(dòng)模式運(yùn)行；需求轉(zhuǎn)矩進(jìn)一步增大時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)，結(jié)合當(dāng)前電池SOC狀態(tài)控制車輛進(jìn)入混合驅(qū)動(dòng)模式（SOC偏高）或驅(qū)動(dòng)發(fā)電模式（SOC偏低），通過再生制動(dòng)和驅(qū)動(dòng)發(fā)電兩種方式維持電池SOC處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，由上述可知，車輛各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)符合預(yù)期情況。

圖12 自動(dòng)測試結(jié)果

5 結(jié)束語

混合動(dòng)力整車控制系統(tǒng)是一個(gè)集離散事件與連續(xù)事件為一體的復(fù)雜控制系統(tǒng)，本文采用基于模型的方法對該系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，并在HIL系統(tǒng)中進(jìn)行功能驗(yàn)證，結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的整車控制系統(tǒng)模型能夠達(dá)到預(yù)期的控制功能和效果。通過硬件在環(huán)測試對整車控制系統(tǒng)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，該方法可在不依賴實(shí)車的環(huán)境下對控制模型進(jìn)行測試和優(yōu)化，是一種高效便利的開發(fā)方法，提高了整車控制系統(tǒng)的開發(fā)效率。

1 Christopher Masjosthusmann.A Vehicle Energy Manage?ment System for a Battery Electric Vehicle.2012 IEEEVehi?cle Power and Propulsion Conference,Oct.9-12,2012, Seoul,Korea.

2 Haifeng Dai,Xiaolong Zhang.Cell-BMS validation with a hardware-in-the-loop simulation of lithium-ion battery cells for electric vehicles.Electrical Power and Energy Sys? tems,2013（52）:174～184.

3 Schulte,T.Bracker,J.Real-Time Simulation of BLDC Mo?tors for Hardware-in-the-Loop Applications Incorporating Sensorless Control.Industrial Electronics,2008:2195-2200.

4 Jo?o Pedro F.Trov?o.A Real-Time Energy Management Ar?chitecture for Multisource Electric Vehicles.INDUSTRIAL ELECTRONICS,VOL.62,NO.5,MAY 2015.

5 張為,王偉達(dá).基于dSPACE的ASR硬件在環(huán)仿真平臺(tái)開發(fā)及ECU性能試驗(yàn).汽車技術(shù),2009（4）:4～9.

6 劉永剛,秦大同，彭志遠(yuǎn)，等.新型混合動(dòng)力系統(tǒng)硬件在環(huán)試驗(yàn)研究.中國機(jī)械工程,2014,24（17）：2374～2380.

7 Jason J.Poon,Michel A.Kinsy.Hardware-in-the-Loop Testing for Electric Vehicle Drive Applications.Applied Power Electronics Conference and Exposition,2012:2576～2582.

（責(zé)任編輯文 楫）

修改稿收到日期為2016年6月22日。

圖13 參數(shù)單一光導(dǎo)亮度模擬結(jié)果

為了避免這種情況，距LED光源不同距離的光導(dǎo)齒設(shè)計(jì)參數(shù)應(yīng)不相同，通過調(diào)節(jié)齒高、齒寬、齒距、起始角、結(jié)束角，實(shí)現(xiàn)均勻出光。

基于上述考慮對某光導(dǎo)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，具體參數(shù)如表4所示，起始角參數(shù)與到LED光源的距離滿足直線方程，齒高與LED光源的距離，采用了分段直線方程，齒寬4 mm、齒距2 mm保持不變，亮度模擬結(jié)果如圖14所示。

由圖14可知，參數(shù)調(diào)整后光導(dǎo)亮度均勻性遠(yuǎn)優(yōu)于優(yōu)化前，亮度均勻性基本符合要求，但仍存在較大的優(yōu)化空間，還需要進(jìn)一步改進(jìn)。

表4 光導(dǎo)參數(shù)設(shè)置

圖14 參數(shù)變化后光導(dǎo)亮度模擬結(jié)果

5 結(jié)束語

本文模擬分析了側(cè)面發(fā)光光導(dǎo)各參數(shù)對側(cè)面發(fā)光效率的影響，得到的結(jié)論為：光導(dǎo)齒高、齒寬、光導(dǎo)齒密度越大、齒距越小，側(cè)面發(fā)光效率越高；在工藝允許范圍內(nèi)，光導(dǎo)齒起始角越大、結(jié)束角越小，光導(dǎo)側(cè)面發(fā)光效率越高，同時(shí)起始角還決定了光導(dǎo)的出光方向。

上述僅是光導(dǎo)各參數(shù)對發(fā)光效率影響的定性結(jié)論，如何在保證光導(dǎo)亮度符合均勻性要求的條件下，定量計(jì)算光導(dǎo)參數(shù)的設(shè)計(jì)值是繼續(xù)研究的方向。

參考文獻(xiàn)

1 啟萌工業(yè)設(shè)計(jì)有限公司.強(qiáng)光光導(dǎo)的基本原理,2012.

2 徐瑞麟.光導(dǎo)系統(tǒng)在汽車照明中的應(yīng)用：[學(xué)位論文].上海：復(fù)旦大學(xué)，2008.

3 唐樹明.車燈光導(dǎo)中鋸齒寬度和深度對點(diǎn)亮外觀的影響.汽車零部件，2013（11）：57～58.

（責(zé)任編輯斛 畔）

修改稿收到日期為2016年7月22日。

Modeling and Hardware-In-the-Loop Simulation of HEV Control Strategies

Du Changqing,Gan Wenwen,Zhang Pei,Shen Shu
（Wuhan University of Technology,Hubei Key Laboratory of Advanced Technology for Automotive Components,Hubei Collaborative Innovation Center for Automotive Components Technology,Wuhan 430070）

Model-based approach was applied to the development of the control strategies of hybrid electric vehicle, and modules like system conjunction,mode decision,torque calculation and fault diagnosis have been established.The vehicle control strategies were built hierarchically in Simulink that make vehicle control strategy logic more clear,and make the debugging more convenient.Hardware-in-the-loop(HIL)test platform was developed based on dSPACE,and the HIL test process was analyzed.Test results indicated that the designed vehicle controller can complete acceleration, deceleration,gear shifting and some other operations accurately as desired.The result validated the control logic of the vehicle controller and the superiority of HIL in product development.

HEV,Vehicle control strategy,HIL

混合動(dòng)力汽車 整車控制策略 硬件在環(huán)仿真

U461.2；TP319.9

A

1000-3703（2016）12-0031-05