基于Simulink純電動汽車整車控制策略仿真

智東輝

摘 要：整車控制器是純電動汽車的重要部件之一，是整車控制調(diào)度的中心，為了更好的開發(fā)和研究整車的控制邏輯，滿足日益苛刻的功能要求，文章結(jié)合實際要求介紹了一款整車控制系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)，闡述了一種整車控制器應(yīng)用層整體框架和軟件測試方法。該整車控制器策略開發(fā)方式，對整車系統(tǒng)開發(fā)具有深遠意義。

關(guān)鍵詞：純電動汽車;整車控制策略;仿真;Simulink/Stateflow

中圖分類號：U461 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）16-18-03

Abstract： Vehicle controller is one of the important parts of electric vehicle and the center of vehicle control. In order to better develop and research the control logic of the whole vehicle and meet the increasingly stringent functional require -ments， this paper introduces the basic structure of a vehicle control system combined with the actual requirements， and expounds a vehicle controller. The overall framework of the layer and the software testing method are used. The strategy development mode of vehicle controller has far-reaching significance for vehicle system development.

Keywords： Electric vehicle; Vehicle control strategy; Simulation; Simulink/Stateflow

CLC NO.： U461 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）16-18-03

前言

隨著中國汽車工業(yè)的發(fā)展，純電動汽車以在運行過程中可實現(xiàn)零污染，完全不排放污染大氣有害氣體等優(yōu)點，越來越受到人們的青睞。跟據(jù)中汽協(xié)發(fā)布的2019年數(shù)據(jù)統(tǒng)計，新能源汽車累計產(chǎn)銷分別完成124.2萬輛和120.6萬輛，同比分別下降2.3%和4.0%，在2019整體車市不容樂觀的大背景下，新能源汽車成為汽車重要拉動力。從全球來看至2019年12月全球新能源累計銷量達221萬輛，新能源車作為新能源汽車的一個重要成員，飽含著國家對新能源汽車發(fā)展的期望[1-2]。汽車的電氣化已是全球發(fā)展方向，本文以實際項目出發(fā)，著重闡述整車控制應(yīng)用層控制策略和測試方法，利用Matlab/Simulink 工具搭建控制模型，在設(shè)計初期就可以直觀地反映設(shè)計需求，進行系統(tǒng)設(shè)計，并通過不斷仿真對設(shè)計進行驗證。在實現(xiàn)階段可利用模型直接生成代碼，完成軟硬件的集成，可以提高開發(fā)效率[3][5]，希望能對汽車的整車控制器開發(fā)提供一些參考。

1 軟件應(yīng)用層構(gòu)架設(shè)計方案

整車控制器（VCU）的主要功能是通過傳感器采集加速踏板、制動踏板等數(shù)字/模擬信號，接收各個子系統(tǒng)電控單元ECU發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，對接收到的數(shù)據(jù)信息進行解析，結(jié)合車輛運行時的信息進行診斷，并發(fā)出相應(yīng)的指令[2]。隨著汽車功能的日益強大，整車子系統(tǒng)電控單元增多，整車控制器應(yīng)具備越來越多強大功能，此項目中整車控制器為EPCM（Electric Propulsion Control Module），EPCM具備兩路通訊CAN，一路是EVCAN，在EVCAN上有變速箱、電池、車載充電機、空調(diào)和電機控制器ECU，另一路是底盤CAN，上面包含仿生喇叭、氣囊、轉(zhuǎn)向和剎車系統(tǒng)ECU，他們通過CAN總線實現(xiàn)通訊。此車輛中的網(wǎng)絡(luò)拓撲如圖1所示。

按照整個控制器的軟件功能區(qū)分可分為底層軟件（OS）和應(yīng)用層軟件（AP），底層軟件負責模數(shù)轉(zhuǎn)換、通信模塊等功能驅(qū)動，整車控制器底層軟件的功能模塊包括數(shù)字輸入輸出（I/O），ADC模擬量輸入輸出等基本的輸出資源，CAN通信模塊，診斷模塊，內(nèi)存存儲模塊，各個功能模塊的主要功能如下表所示：應(yīng)用層使整車控制邏輯的核心，一個規(guī)范的應(yīng)用層構(gòu)架可以滿足多樣化開發(fā)，縮短開發(fā)周期，具有深遠的意義。

2 應(yīng)用層搭建研究

控制邏輯屬于應(yīng)用層軟件，整車控制網(wǎng)絡(luò)拓撲圖中整車控制器EPCM有兩路的CAN通訊，一路接收EV CAN其他ECU的信息，另一路接收底盤CAN ECU的信息。在邏輯層搭建中采用層級結(jié)構(gòu)，本項目中歸類為輸入輸出功能模塊、處理轉(zhuǎn)化模塊、狀態(tài)切換模塊、算法處理模塊。為了使各層級之間實現(xiàn)信息共享，每個模塊輸入輸出全部選用BUS總線選擇實現(xiàn)，對于底層服務(wù)層調(diào)用在MATLAB中通過編寫的S-FUNCTION函數(shù)集成到Simulink庫函數(shù)中，供應(yīng)用層搭建策略調(diào)用時使用[4]，下面講闡述在搭建整車策略中每個功能模塊具體實現(xiàn)內(nèi)容和實現(xiàn)方法。

2.1 外部輸入輸出功能模塊

在此功能模塊實現(xiàn)定義外部的硬線輸入輸出，外部CAN信號的接收和發(fā)送。在此功能部分使用針對此款控制器封裝完成對應(yīng)底層調(diào)用接口模塊，并創(chuàng)建連接作為與外部信號通訊的部分。在一般控制器中應(yīng)該具有K30、K15、K31、傳感器供電端口、傳感器模擬量接收端口、高邊驅(qū)動和低邊驅(qū)動端口。

2.2 處理轉(zhuǎn)化模塊

在處理轉(zhuǎn)化模塊中主要實現(xiàn)外部的信號統(tǒng)一處理，例如數(shù)字IO可以在此處理轉(zhuǎn)化為enable和disenable，對于有多中狀態(tài)的外部CAN信號轉(zhuǎn)化為枚舉量，方便在其他模塊的調(diào)用。在此轉(zhuǎn)化模塊中對于傳感器的信號，要實現(xiàn)信號值轉(zhuǎn)化為響應(yīng)處理值轉(zhuǎn)化，并定義好信號邊界值等參數(shù)。在控制器中主要有感器信號有油門踏板兩路模擬量和剎車泵傳感器的模擬量信號。在傳感器信號的處理要考慮信號的相互校驗，和實效等處理機制。

2.3 狀態(tài)切換模塊

在狀態(tài)切換模塊中主要負責與其他ECU的交互信息中，狀態(tài)切換與仲裁，此功能中包含兩大部分，一部是整車控制器本身狀態(tài)的切換，例如上電狀態(tài)機、下電狀態(tài)機、充電狀態(tài)機。另一部分是關(guān)于發(fā)生故障后的仲裁，例如其他ECU上報的錯誤信息，在此模塊中要實現(xiàn)正確的信息的處理，并發(fā)送相應(yīng)的信息到CAN車身網(wǎng)絡(luò)上。

2.4 算法處理模塊

算法處理模塊主要負責的有扭矩管理、高壓能量管理和低壓能量管理，在扭矩管理中要整合BMS ECU、MCU等其他ECU的信息，綜合考慮扭矩限制、充放電限制和能量回收限制等信息，發(fā)送正確扭矩請求給信號給MCU。高壓能量管理需要綜合整車的能量存儲和消耗實現(xiàn)整車能量的分配，并上報續(xù)航里程，能量消耗等信息給儀表。在低壓能量管理中要包含整車中所有低壓能量分配功能，例如12V蓄電池的能量管理。

2.5 整車仿真模型

整車仿真模型包含除整車控制器（VCU）外的其他控制器的虛擬模型和整車虛擬模型，嚴格按照整車信號矩陣信號交互邏輯在Simulink搭建虛擬模型，其他ECU虛擬模型按照接收信號配置，并能夠滿足整車控制器的測試需求;此模型要保證一定通用性，可在Simulik搭建并能夠運用到模型開發(fā)V流程硬件在環(huán)測試（HIL）中。

3 整車控制策略仿真

在整車控制器應(yīng)用層軟件開發(fā)中，完整的測試環(huán)境尤為重要，在此項目中為實現(xiàn)整體功能的完善性，建立整車被控對象和虛擬ECU可以實現(xiàn)軟件快速開發(fā)，在它們之間建立連接，可以快速驗證算法有效性。被控對象模型包含的整車靜態(tài)負載和動態(tài)負載。虛擬的ECU應(yīng)該包含所有整車控制器需要有交互信息的ECU。在仿真時模型的輸入信號跟實車輸入保持一致匯總?cè)缟媳砀瘛?/p>

3.1 整車上下電仿真

在創(chuàng)建的被控對象模型利用SignalBuilder仿真真實上電過程中油門踏板、啟動按鈕、切換檔位的動作，在SCOUP中添加需要觀測的信號值，仿真結(jié)束后，分析處理結(jié)果。在被控對象模型中需要建立其他ECU的虛擬模型，利用虛擬模型發(fā)送相應(yīng)的信號查看整車控制器的信號是否符合預(yù)期結(jié)果，途中SysPwrMod意見啟動按鈕ECU發(fā)出的信號，LvlPos是電子換擋桿仿真位置，Brake為仿真真實踏板，在啟動車輛時，踩剎車按下啟動按鍵，觀察EPCM應(yīng)該發(fā)出的信號EVmode從Off變?yōu)镻ropulsion，既完成上電過程，如下圖為仿真結(jié)果。

在下電過程中按下一鍵啟動按鍵，通過測試記錄，EVmode從Propulsion變?yōu)镺ff，既完成下電過程，從仿真結(jié)果可以看到整車控制策略中上下邏輯符合預(yù)期，整車控制器能順利完成上電完成過程，滿足車輛正常行駛的需求。

3.2 擋位狀態(tài)機切換仿真

在上高壓電完成后，就可以切換檔位，仿真模擬車輛的正常行駛。在進入檔位切換之前，需要確認TPL（Transmission Park Lock）模塊的狀態(tài)，檔位切換應(yīng)該滿足設(shè)計需求，例如前進檔到倒退檔之間需要速度限制、油門踏板位置限制、車輛狀態(tài)限制和故障限制。并且檔位切換也應(yīng)該滿足車輛駕駛性需求，設(shè)置可標定量，用于車輛標定優(yōu)化車輛駕駛性。例如在檔位切換過程中可以標定的參數(shù)有D到R速度限制、R到D速度限制。圖中SysPwrMod為一鍵啟動仿真信號，PrkBtn為變速箱P檔按鈕，Accelerator為油門踏板仿真位置，Ve_e_DinSt為內(nèi)部檔位觀測量，上圖所示為車輛進入高壓完成后，切換檔位，測試條件限制的模擬測試工況。

3.3 驅(qū)動算法層驗證仿真

在此部分中主要驗證扭矩管理功能模塊，在進行扭矩管理仿真中可以仿真扭矩值是否有異變，同時也可以觀測扭矩算法層是否按照預(yù)期執(zhí)行。在測試定速巡航功能可以預(yù)驗證功能是否可行，車輛的縱向加速度是否過大等，在此仿真中先按下定速巡航按鈕CrsCtrlOnOff，踩下油門踏板使車輛加速到一定速度，按下設(shè)置速度按鈕CrsCtrlSetPlus此時已開啟定速巡航功能，從仿真曲線Ve_v_VehSpdEm車速保持在設(shè)定值，目標設(shè)定值為藍色曲線，從仿真結(jié)果可驗證定速巡航功能設(shè)定符合功能需求。

4 結(jié)論

本文對整車控制策略進行了研究，在Simulink中的建模并利用虛擬整車模型和虛擬的ECU實現(xiàn)了策略的模型測試，根據(jù)需求設(shè)計文檔在Simulink環(huán)境中測試了整車上下電、擋位狀態(tài)切換、驅(qū)動算法層驗證，仿真結(jié)果滿足設(shè)計需求，利用仿真測試對整車策略研究優(yōu)化對電動汽車整車策略具有深遠意義?？稍诤笃谝欢ǔ潭葴p少開發(fā)調(diào)試周期，縮短調(diào)試時間，在實際工程應(yīng)用中具有相當?shù)膶嵱脙r值。

參考文獻

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