基于dSPACE 的純電動(dòng)整車控制器硬件在環(huán)仿真測試研究

王德軍， 于洪峰， 宋增鳳， 李之乾

（濰柴動(dòng)力股份有限公司， 山東 濰坊 261041）

隨著動(dòng)力電池技術(shù)的突破和充電樁基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)， 純電動(dòng)汽車得到廣泛推廣。 純電動(dòng)整車控制器 （EVCU） 作為其核心部件， 隨著研發(fā)人員根據(jù)市場需求不斷地優(yōu)化改進(jìn)， 其控制邏輯和軟件算法越來越復(fù)雜， 各主機(jī)廠紛紛引入dSPACE系統(tǒng)進(jìn)行硬件在環(huán)測試， 在電控V流程開發(fā)起到重要作用， 其構(gòu)架如圖1所示， 可以有效加快電控軟件的研發(fā)進(jìn)度。

圖1 V模式開發(fā)流程

1 HIL測試平臺(tái)結(jié)構(gòu)及流程規(guī)范

利用Matlab/Simulink建立純電動(dòng)公交車模型并設(shè)置行駛工況， 通過RTI模塊編譯到dSPACE Simulator中代替實(shí)車及行 車 環(huán) 境。 dSPACE Simulator 通 過CAN 信 號(hào)、 IO 接 口 與EVCU實(shí)現(xiàn)通信。 測試中， 使用ControlDesk模擬駕駛員操作和不同工況或電池、 電機(jī)故障來驗(yàn)證整車控制策略， 通過INCA軟件可實(shí)現(xiàn)對(duì)EVCU的標(biāo)定和測試， 針對(duì)實(shí)際問題對(duì)控制器標(biāo)定參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)整， 驗(yàn)證不同的功能邏輯， HIL系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 HIL系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本文基于公司某款新能源車型， 結(jié)合dSPACE的電控系統(tǒng)V流程， 對(duì)純電動(dòng)公交車EVCU開發(fā)中的HIL臺(tái)架測試進(jìn)行完整介紹， 該臺(tái)架測試的規(guī)范流程如圖3所示。

圖3 HIL測試流程規(guī)范

1.1 HIL測試準(zhǔn)備

文檔準(zhǔn)備階段主要包括如下幾點(diǎn)。

1） 根據(jù)高低壓電器原理圖及dSPACE Simulator針腳制定信號(hào)連接表， 用于制作負(fù)載箱。

2） 根據(jù)實(shí)車各模塊CAN通信需求， 通過HIL模擬電機(jī)、電池、 輔機(jī)等控制器， 制定EVCU與dSPACE Simulator之間CAN通信所需的報(bào)文結(jié)構(gòu)。

3） 根據(jù)故障說明文檔， 模擬觸發(fā)不同故障， 驗(yàn)證相應(yīng)的故障處理措施。

4） 根據(jù)EVCU功能開發(fā)需求及測試用例庫， 建立項(xiàng)目功能測試列表。

5） 系統(tǒng)需求是客戶提出的產(chǎn)品需求， 包括對(duì)控制器信號(hào)、 功率、 制動(dòng)、 擋位、 冷卻以及互鎖等功能的特殊需求，明確的系統(tǒng)需求是控制策略及軟件開發(fā)的前提。

6） 控制策略文檔則是根據(jù)系統(tǒng)需求制定， 為滿足客戶的產(chǎn)品性能需求制定詳細(xì)的控制策略說明。

1.2 系統(tǒng)集成

系統(tǒng)集成階段主要包括建立HIL物理模型、 行駛工況設(shè)定， 以及I/O、 CAN通信模塊的建立。 其中， 整車HIL模型的建立至關(guān)重要， 直接影響軟件測試符合實(shí)際情況的程度。本文基于Matlab/Simulink搭建純電動(dòng)公交車整車物理模型，整個(gè)建模思路基于扭矩/轉(zhuǎn)速搭建， 其扭矩傳遞路徑為從前到后 （電機(jī)—主減—車輪—整車動(dòng)力學(xué)模型）， 其車速/轉(zhuǎn)速傳遞路徑為從后向前 （整車動(dòng)力學(xué)模型—車輪—主減—電機(jī)）， 具體如圖4所示， 該HIL模型包括整車動(dòng)力學(xué)模型、 電機(jī)模型、 電池模型、 傳動(dòng)系統(tǒng)模型、 輔機(jī)模型和駕駛員模型。

圖4 純電動(dòng)扭矩/轉(zhuǎn)速傳遞路徑

整車動(dòng)力學(xué)模型考慮了汽車行駛加速、 空氣、 滾動(dòng)、坡度等的阻力， 模擬整車縱向運(yùn)動(dòng)狀態(tài)， 輸入為車輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩， 輸出為車速和車輪轉(zhuǎn)速。

純電動(dòng)公交車制動(dòng)時(shí)， 傳動(dòng)系統(tǒng)主要功能是把整車的動(dòng)能傳遞給電機(jī)， 實(shí)現(xiàn)能量回收， 傳動(dòng)系統(tǒng)模型為包含主減、 車輪等主要進(jìn)行換擋過程和擋位位置模擬， 輸入為電機(jī)輸出扭矩和車輪轉(zhuǎn)速， 輸出為車輪驅(qū)動(dòng)扭矩和傳動(dòng)系輸出轉(zhuǎn)速。

本文根據(jù)采用理論建模的方法建立電機(jī)模型， 其輸入主要有鑰匙信號(hào)、 鋰電池電壓、 電機(jī)需求轉(zhuǎn)速、 控制模式命令、 目標(biāo)轉(zhuǎn)矩等信號(hào)， 輸出包括電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩、 電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速、 電機(jī)母線電壓等信號(hào)。

本文采用二階RC模型等效電路模擬法建立高壓鋰電池模型， 該模型結(jié)構(gòu)簡單， 實(shí)用性強(qiáng)， 能夠較真實(shí)反映出鋰電池特性。 確定模型輸入為初始SOC值、 電池電流、 需求電壓、 使能控制信號(hào)等， 輸出為電池電壓、 電池SOC值、電池輸出功率、 溫度以及充放電電壓、 電流限制等。

IO和CAN報(bào)文為整車控制器和HIL模型信號(hào)接口， 同時(shí)也包括駕駛員模型和輔機(jī)模型。 駕駛員模型主要是根據(jù)設(shè)置工況， 對(duì)電池、 電機(jī)模型發(fā)出指令， 包括鑰匙上電和起動(dòng)信號(hào)、 油門踏板開度信號(hào)、 制動(dòng)踏板開度信號(hào)、 手剎信號(hào)等。

輔機(jī)模型模擬了冷卻風(fēng)扇、 冷卻水泵、 DCDC、 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向、 電動(dòng)空壓機(jī)等輔助設(shè)備， 并將其溫度、 工作狀態(tài)、工作電壓、 工作電流及故障碼等發(fā)送到整車控制器中， 整車控制器根據(jù)電機(jī)、 電池、 車輛狀態(tài)等參數(shù)來決定是否發(fā)送使能信號(hào)給對(duì)應(yīng)的輔機(jī)。

行駛環(huán)境設(shè)定則根據(jù)所需工況， 向HIL模型發(fā)送目標(biāo)車速或目標(biāo)轉(zhuǎn)矩， 使HIL模型跟蹤目標(biāo)值， 模擬行駛工況。 最終設(shè)置I/O、 CAN通信模塊， 與HIL模型進(jìn)行集成， 如圖5所示。

圖5 HIL模型架構(gòu)圖

2 HIL軟件測試

2.1 HIL測試平臺(tái)搭建

搭 建 基 于dSPACE Simulator 的HIL 測 試 平 臺(tái)， 包 含dSPACE Simulator、 負(fù)載箱、 電腦主機(jī)及所需測試的EVCU，如圖6所示。

圖6 HIL測試平臺(tái)架構(gòu)

具體操作是， 將系統(tǒng)集成中的Matlab 模型下載到dSPACE Simulator中， 將其作為實(shí)時(shí)仿真的車輛底層模型。其中， dSPACE Simulator通過BUS總線與主機(jī)相連， 使用DS1006處理器， 支持系統(tǒng)并行計(jì)算， 具有高精度的分辨率， 能夠滿足純電動(dòng)公交車的實(shí)車工作環(huán)境的精度要求。

通過提供的純電動(dòng)整車控制高低壓電氣原理圖， 結(jié)合DS2211板卡的針腳搭建I/O信號(hào)配置列表， 同時(shí)制作負(fù)載箱建立整車控制器和HIL機(jī)柜的電氣連接， 對(duì)于整車控制器和電池、 電機(jī)、 各個(gè)輔機(jī)及儀表等CAN節(jié)點(diǎn)信號(hào)可通過RTICANMM模塊把DBC導(dǎo)入建立CAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

EVCU與電腦主機(jī)通過標(biāo)定設(shè)備進(jìn)行相連， 標(biāo)定軟件INCA可實(shí)時(shí)讀取EVCU中的信息， 并對(duì)EVCU內(nèi)部標(biāo)定值進(jìn)行修改。 ControlDesk與dSPACE仿真器通過光纖進(jìn)行實(shí)時(shí)交互， 用于HIL物理模型主要參數(shù)檢測。

2.2 整車控制策略介紹

在HIL測試前需要對(duì)EVCU策略進(jìn)行了解， 以便在測試中對(duì)相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)定。 整車控制策略的目標(biāo)是根據(jù)鑰匙開關(guān)、 電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩、 駕駛員制動(dòng)和油門踏板輸入等信息，解析駕駛員意圖， 然后根據(jù)車輛的運(yùn)行狀態(tài)及故障情況，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的電機(jī)需求扭矩， 發(fā)送給電機(jī)控制器， 產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的力矩驅(qū)動(dòng)或制動(dòng)車輛， 整車控制策略框圖如圖7所示。

圖7 EVCU控制策略結(jié)構(gòu)示意圖

整車控制器通過采集駕駛員動(dòng)作信號(hào)， 進(jìn)行車輛行駛模式的選擇， 進(jìn)入對(duì)應(yīng)模式的控制部分， 得到相對(duì)應(yīng)的電機(jī)需求力矩； 當(dāng)鑰匙開關(guān)處于上電狀態(tài)， 駕駛員沒有操作油門踏板或者制動(dòng)踏板時(shí)， 車輛進(jìn)入起步模式， 算出該模式所需電機(jī)力矩； 當(dāng)駕駛員有驅(qū)動(dòng)需求踩下油門踏板時(shí)，車輛進(jìn)入驅(qū)動(dòng)行走模式， 算出該模式所需電機(jī)力矩； 當(dāng)駕駛員有制動(dòng)需求踩下制動(dòng)踏板， 并且車速高于某一值時(shí)，車輛進(jìn)入制動(dòng)能量回收模式， 并計(jì)算所需電機(jī)扭矩。

根據(jù)需求扭矩， EVCU綜合整車故障情況對(duì)正常模式、停止模式、 跛行模式或者警告模式進(jìn)行選擇， 同時(shí)修正所需電機(jī)扭矩， 發(fā)送指令給電機(jī)控制器， 控制電機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)力矩， 若無故障， 無需對(duì)電機(jī)扭矩進(jìn)行修正。

當(dāng)存在三級(jí)故障時(shí)， 車輛進(jìn)入警告模式； 當(dāng)存在二級(jí)故障時(shí)， 車輛進(jìn)入跛行模式； 當(dāng)存在一級(jí)故障時(shí)， 車輛進(jìn)入停止模式， 整車所需驅(qū)動(dòng)力矩為0。

整車控制器還可以在必要的時(shí)候關(guān)閉一些用電附件，以延長車輛的行駛距離， 使車輛可以安全到家或者到附近的維修站。 整車控制器所處理的故障是由電池管理系統(tǒng)和電機(jī)控制器、 輔機(jī)控制器等發(fā)給它的， 另外還有其本身的故障診斷電路監(jiān)測得到的。

2.3 測試結(jié)果分析

本論文選取重型商用車C-WTVC循環(huán)來設(shè)置行駛工況，獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8～圖13所示， 分別為油門踏板開度變化、制動(dòng)踏板開度變化、 目標(biāo)車速與實(shí)際車速對(duì)比、 電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)扭矩和電池SOC變化。 駕駛員模型根據(jù)工況中設(shè)置的目標(biāo)車速， 通過控制油門踏板和制動(dòng)踏板， 使實(shí)際車速較好地跟蹤目標(biāo)車速， 從而達(dá)到模擬實(shí)際行駛工況的目的。 為了跟蹤目標(biāo)車速， 駕駛員頻繁地進(jìn)行急加速、 急減速， 導(dǎo)致電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速和電機(jī)扭矩變化范圍較廣， 頻繁地轉(zhuǎn)速、 扭矩變化導(dǎo)致電池電量消耗較快， 實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)， SOC較初始值下降明顯。

圖8 油門踏板開度變化

圖9 制動(dòng)踏板開度變化

圖10 目標(biāo)車速與實(shí)際車速

圖11 電機(jī)轉(zhuǎn)速

圖12 電機(jī)扭矩

圖13 電池SOC變化

3 結(jié)論

本文對(duì)純電動(dòng)整車控制器硬件在環(huán)的開發(fā)流程進(jìn)行詳細(xì)介紹， 并基于dSPACE Simulator和Matlab/Simulink平臺(tái)進(jìn)行了硬件在環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)， 利用Matlab /Simulink 建立純電動(dòng)整車物理模型， 并設(shè)置了C-WTVC行駛工況， 連接真實(shí)整車控制器， 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證并對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。 結(jié)果表明， 基于dSPACE的硬件在環(huán)仿真測試系統(tǒng)， 能夠滿足純電動(dòng)整車控制器的控制功能和故障診斷功能的驗(yàn)證需求， 降低控制器開發(fā)成本， 大大加快了研發(fā)進(jìn)度。