蔡瀟揚，鮑 寧，袁所賢

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

目前，環(huán)境問題和能源問題日益突出，而用新能源汽車逐步取代傳統(tǒng)燃油汽車在一定程度上可以解決這些問題，因此各國都十分重視新能源汽車的發(fā)展。電動化、智能化是未來汽車行業(yè)必然的發(fā)展方向。電動汽車有噪聲低、能源利用率高、排放低甚至零排放等優(yōu)點，因此成為目前研究的重點[1-4]。純電動車整車控制器(VCU)是驅(qū)動汽車的大腦，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集處理、邏輯運算及控制實現(xiàn)。車輛運用控制策略時，一方面應(yīng)充分滿足駕駛員的駕駛需求，另一方面要考慮成本的合理性，同時滿足汽車的動力性、平順性和其他基本技術(shù)性能要求。整車控制器算法復(fù)雜、開發(fā)周期長、調(diào)試與驗證工作量大，因此本文提出基于Simulink開發(fā)整車控制器來克服以上缺點[5-6]。

1 軟件整體設(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[7]。按功能來分，純電動客車整車控制器軟件設(shè)計包括底層驅(qū)動軟件設(shè)計和應(yīng)用層軟件設(shè)計。底層驅(qū)動軟件主要對模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、通信模塊(包括CAN或LIN通信)、輸入輸出接口等模塊進行初始化，用讀寫接口函數(shù)編寫和封裝；應(yīng)用層軟件是整車控制系統(tǒng)的高層管理軟件，根據(jù)車輛的不同狀態(tài)，通過整車控制策略對整車系統(tǒng)進行控制。VCU軟件構(gòu)架設(shè)計如圖1所示。

圖1 VCU軟件構(gòu)架設(shè)計

2 VCU軟件集成開發(fā)流程

純電動客車整車VCU采用MC9S12XEP100芯片，利用Simulink中S-function函數(shù)編寫VCU的底層驅(qū)動模塊，采用Simulink自帶的模塊對整車軟件層控制策略進行建模，通過底層驅(qū)動模塊與應(yīng)用層模型的集成，利用Simulink中Code generation生成軟件層C代碼，包括底層驅(qū)動代碼、上層算法代碼以及MC9S12XEP100所需要的文件。將文件編譯調(diào)試生成可執(zhí)行的S19目標(biāo)工程文件。最后利用BootLoader下載工具將其下載至VCU硬件，如圖2所示。

圖2 VCU集成開發(fā)流程

3 整車控制策略研究

整車控制策略在考慮駕駛員動作情況下采集加速踏板開度、制動踏板、鑰匙門、行車開關(guān)等模擬量信號以及電機溫度、功率、電池溫度、輸出電流、輸出電壓等信號的同時，綜合分析駕駛員的駕駛意圖，并結(jié)合行駛工況、電池剩余電量(SOC)等影響因素對電機進行轉(zhuǎn)矩合理分配。此外，對電機的工作區(qū)域進行限定并控制電池SOC值在一定的范圍，可延長電機的使用壽命和確保電池保持高效狀態(tài)，使純電動汽車的續(xù)駛里程得到提升。當(dāng)整車系統(tǒng)發(fā)生故障時，整車控制器通過對接收到的報文信息進行分析并與車輛預(yù)先設(shè)定的工作模式進行比較，對電機、繼電器等零部件進行保護或者對控制失效的零部件故障進行診斷、處理。圖3是整車行駛控制策略邏輯。

圖3 整車行駛控制策略邏輯

3.1 工作模式

電動輕型客車依據(jù)整車的運行工況和動力總成不同狀態(tài)主要分為7種工作模式，并可根據(jù)整車運行條件進行模式切換，各模式及其控制功能[8-9]如表1所示。

表1 整車工作模式及控制功能

3.2 加速扭矩控制策略

本文采用線性踏板控制策略，即在轉(zhuǎn)速不變的情況下通過控制使轉(zhuǎn)矩隨油門踏板開度增加而線性增加，相對于非線性踏板控制策略，可以在中高負(fù)荷下滿足駕駛員駕駛樂趣的要求和在低負(fù)荷情況下提升車輛的操縱穩(wěn)定性[10]。針對所選取的控制策略對本項目的純電動輕型客車進行道路測試實驗，用曲線標(biāo)定駕駛感覺，并結(jié)合電機的外特性曲線繪制出純電動車的動力特性圖，也就是加速轉(zhuǎn)矩MAP，如圖4所示。圖4中最下面的曲線表示的是在加速踏板回位時，電機滑行制動轉(zhuǎn)矩的大小，從而達(dá)到對傳統(tǒng)汽車發(fā)動機的倒拖阻轉(zhuǎn)矩的模擬，并相應(yīng)地將制動能量轉(zhuǎn)化為電能儲存到蓄電池中。

3.3 制動能量回收控制策略

本文制動能量回收控制策略的設(shè)計針對的是本項目使用的前軸驅(qū)動的純電動輕型客車，其控制策略中選擇電液并聯(lián)式作為制動能量回收方案，即通過車速、電池SOC、制動踏板開度的值來調(diào)整電機制動回饋轉(zhuǎn)矩，在不改變原有制動系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)的情況下使其在合理范圍內(nèi)。但是需要對原有液壓制動系統(tǒng)做適當(dāng)?shù)母倪M才能正常實現(xiàn)其控制策略，也就是說通過增加制動踏板的位移傳感器，整車控制器將傳感器檢測到的踏板開度作為其控制策略的判斷條件[11]。

4 故障診斷控制策略

純電動汽車要求整車控制器能合理分配能量，最大限度地提高車載電池能量的利用效率。而整車控制器(VCU)是實現(xiàn)這些系統(tǒng)控制的關(guān)鍵設(shè)備。VCU故障診斷與處理策略非常重要，其安全、穩(wěn)定的運行可以在確保車輛行駛安全的同時提高各控制系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳遞的效率和準(zhǔn)確性。系統(tǒng)故障包括電機、電池及兩者的控制器故障，電壓系統(tǒng)故障，各部分附件故障等[12]。針對不同部件存在的故障提出不同的故障診斷及處理策略，如表2所示。

5 底層驅(qū)動模塊

Matlab用戶通過S-function函數(shù)在Simulink模型中創(chuàng)建自制驅(qū)動模塊，利用S-function編寫MC9S12XEP100的底層驅(qū)動模塊，并將它們封裝成Simulink的模塊?？梢酝ㄟ^ Matlab、C/C++、Ada或者Fortran語言來對S-function函數(shù)進行編寫。本文通過C語言來編寫S-function，在 Simulink中完成底層驅(qū)動封裝。先利用C語言編寫C-MEX S-function用于基本的仿真，然后利用TLC語言編寫TLC文件來控制代碼的自動生成[13-15]，保證代碼的有效性及規(guī)律性。編寫過程如圖5所示。

表2 故障診斷及處理策略

圖5 S-Function編寫底層函數(shù)的過程

6 VCU軟件設(shè)計

純電動輕型客車VCU軟件層是利用Simulink工具開發(fā)的，在Simulink環(huán)境下進行仿真驗證，最終利用Simulink中Code generation按鈕將整車控制策略模型生成C代碼。將生成的C代碼導(dǎo)入到編譯環(huán)境后可以與底層驅(qū)動一起編譯成MC9S12XEP100芯片的可執(zhí)行代碼。將文件編譯生成可執(zhí)行的S19目標(biāo)工程文件，最后利用BootLoader把文件下載到VCU硬件，完成軟件層的設(shè)計，如圖6、7所示。

圖6 整車控制模型

圖7 Bootloader下載程序示意圖

7 VCU的策略驗證及道路測試

將VCU安裝于本項目中已改裝完成的純電動輕型客車上。依據(jù)GB/T15089—2001規(guī)定，該測試車輛屬于Ml類車輛。根據(jù)GB/T18385—2005規(guī)定，該車輛進行相關(guān)性能測試時應(yīng)滿足以下道路條件：① 平直道路；② 道路平整干燥；③ 附著系數(shù)良好。該車采用的永磁同步電機為25 kW/192 V，磷酸鐵鋰電池組為175 Ah/192 V。表3為整車及其部件參數(shù)，圖8為電機外特性曲線。

圖8 驅(qū)動電機外特性曲線

類型參數(shù)數(shù)值整車整備質(zhì)量/kg3 792主減速比4.889迎風(fēng)面積/m25傳動系效率0.9輪胎滾動半徑r/m0.36永磁同步電機額定電壓/V192額定功率/kW25最大功率/kW70額定扭矩/(N·m)318最大扭矩/(N·m)890額定轉(zhuǎn)速/(r·min-1)750最高轉(zhuǎn)速/(r·min-1)3 600冷卻方式水冷磷酸鐵鋰動力電池單體額定電壓/V4.2放電截止電壓/V3.5充電最高電壓/V4.65放電最大電流/A300額定容量/Ah175電池組額定電壓/V336電池組質(zhì)量/kg290工作溫度/℃充電 0-45放電-20-45

7.1 車輛加速及最高車速試驗

駕駛員在試驗起始位置啟動車輛，然后通過將加速踏板踩到底，將車輛加速達(dá)到最高車速，并在此過程中記錄車速、電機輸出轉(zhuǎn)矩、電池電流和電壓等相關(guān)信息。完成上述試驗后，再以相反的方向重復(fù)進行相同的試驗。取2次測得的時間平均值即為加速時間。如圖9所示，車輛從靜止加速達(dá)到最高車速需要20 s，達(dá)到最高車速之后經(jīng)過35.48 s以最高車速行駛1 000 m。因此，經(jīng)計算該車試驗最高車速為86.7 km/h。

7.2 轉(zhuǎn)矩控制策略試驗

如圖10所示，試驗車在空擋時，司機松開制動踏板，車輛倒溜(車速為負(fù))；掛前進擋后，車輛進入駐坡模式，不會出現(xiàn)上述狀況；在加速階段，隨加速踏板開度加大，目標(biāo)扭矩增加，車速平穩(wěn)上升。

圖9 加速性能測試

圖10 輕客起步試驗性能曲線

7.3 車輛制動能量回收試驗

如圖11所示，該測試曲線顯示了在輕踩制動踏板時制動能量回收過程。由于制動踏板存在空行程，圖中前15 s液壓系統(tǒng)并沒有工作。當(dāng)司機輕微制動時，制動踏板處于空行程中，并未產(chǎn)生作用，液壓系統(tǒng)未處在工作狀態(tài)。車輛在15 s后進入滑行制動，當(dāng)制動踏板行程逐步增大到閾值時，判定需要進行控制，此時車輛開啟制動模式，車輛進入滑行能量回饋模式。從26 s之后，在液壓制動力和制動回饋力兩者作用下，由滑行回饋模式切換到制動回饋模式，車速也迅速下降。車速和制動回饋力兩者之間存在正相關(guān)，即車速不斷下降，相應(yīng)制動回饋力也在降低。當(dāng)車速降至0時，制動回饋則不再起作用。制動前車輛速度為59.6 km/h，經(jīng)過14.86 s，制動后車速為6.4 km/h，制動的總距離為129.0 m。車輛輕微制動電量實際消耗0.38 Ah，回饋電量為0.15 Ah，相比無能量回饋測試電量降低28.3%。

圖11 輕踩踏板制動能量回收

圖12描述了司機深踩制動踏板時，車輛的滑行能量回饋和制動能量回饋過程。其中，從6.1 s到6.5 s，車輛處在滑行能量回饋模式，制動踏板開關(guān)信號在6.5 s時被觸發(fā)，此時車輛切換到制動能量回饋模式。整個制動過程共歷時6.4 s，車速則由制動前的59.6 km/h減速到最終車速5 km/h，制動過程行駛的總距離為58.65 m，實現(xiàn)的電量回饋量為0.09 Ah，深踩制動踏板過程實際電量消耗0.44 Ah，相比無能量回饋時的測試，電量節(jié)約16.7%，制動過程中最大減速度為-3.1 m/s2。

另外，在車輛高速行駛且需要制動時，為確保車輛安全制動，制動能量回饋被禁止。圖13是高速制動中禁止制動能量回饋曲線，在5 s時加速踏板收回，車輛處在滑行制動模式，在8 s時車速較高，禁止滑行能量回饋和制動能量回饋，車輛僅在液壓制動力的作用下制動，制動回饋模式在車速降至60 km/h時起作用。該試驗過程共歷時14.24 s，從試驗制動前車速為78.8 km/h到試驗完成制動后車速為5 km/h，制動過程行駛的總距離為185.6 m，實際電量消耗0.68 Ah，滑行過程回饋電量為0.10 Ah，制動過程回饋電量為0.07 Ah。

在電池SOC較高情況下，滑行與制動能量回饋被禁止的制動過程如圖14的測試所示。圖中電池SOC為0.97，加速踏板在2.6 s時收回，VCU發(fā)出電機停機指令，電機自由轉(zhuǎn)動，使車輛不進入滑行回饋模式。之后分別在3.7 s和8.6 s時對車輛制動，VCU發(fā)送停機指令，僅在液壓制動力作用下車輛車速逐漸下降。

圖12 深踩踏板制動能量回收

圖13 高速時制動能量回收

圖14 高SOC值時制動能量回收

8 結(jié)束語

本文對整車控制策略進行研究，并在Simulink中完成整車控制策略的建模，利用代碼自動生成功能完成軟件層的設(shè)計。參照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，測試了該電動汽車動力性、最高運行車速等參數(shù)。對整車行駛控制策略進行了驗證，并對該車制動能量回收策略進行了測試分析。研究結(jié)果證明：利用Simulink開發(fā)整車控制器完全可行，這對于電動車的研發(fā)是很有意義的。利用Simulink將試驗仿真后再生成C代碼導(dǎo)入并編譯成可執(zhí)行代碼，無需直接進行代碼的輸寫，可在一定程度上減少調(diào)試和驗證的工作量，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。

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