何烈永 韓晶 任冰禹 葛帥帥 劉清昭 郭如強

（寧波市鄞州德來特技術(shù)有限公司）

混合動力汽車最重要的特點是能夠在滿足日益嚴格的排放標準和操縱靈活性要求的前提下顯著提高汽車的燃油經(jīng)濟性[1]。由于整車控制器對過控制策略開發(fā)過程的重要性[2]，國內(nèi)外眾多知名機構(gòu)對整車控制器進行自主研發(fā)和裝車應(yīng)用。雖然國內(nèi)外的整車控制器平臺均做到了基于AUTOSAR標準的軟硬件實現(xiàn)，但是由于國外控制器開發(fā)平臺價格昂貴，部分國內(nèi)控制器的規(guī)?；瘧?yīng)用有待提高，同時半導(dǎo)體、集成電路、計算機、傳感器及控制算法等技術(shù)與時俱進，基于此，文章開發(fā)了一款整車控制器，目前正處于定型生產(chǎn)階段。

1 項目目標確定及系統(tǒng)組成

1.1 整車控制器總體設(shè)計開發(fā)目標

本項目的目標是設(shè)計和開發(fā)一款混合動力汽車整車控制器，滿足國內(nèi)生產(chǎn)需求，達到技術(shù)協(xié)議要求的精度、性能的工程目標。主要功能包括：應(yīng)用層與底層軟件集成、基于CCP協(xié)議在線標定、BootLoader下載等，如表1所示。

表1 混合動力汽車整車控制器開發(fā)主要功能及說明

1.2 整車控制器組成

根據(jù)混合動力汽車整車控制器開發(fā)功能需求列出開發(fā)關(guān)鍵組成，如表2所示。

表2 整車控制器開發(fā)關(guān)鍵組成

該款整車控制器的硬件和軟件實現(xiàn)適用于混合動力汽車整車控制器試驗與小批量產(chǎn)。

1.3 硬件組成

控制器硬件印制板主要包括供電模塊、微控制器MCU、仿真器接口、電連接器、IC、輔助元器件等。

常見的控制器信號類型有：PWM輸出、高有效輸出、低有效輸出、高有效輸入、低有效輸入、電流型和電壓型ADC輸入、5 V輸出、CAN/LIN總線等。

2 控制器軟件組成、模型、工具鏈

2.1 軟件組成

控制器軟件主要由應(yīng)用層軟件、底層軟件、標定軟件、診斷軟件、軟件工具鏈等組成，軟件框圖如圖1所示。

圖1 混合動力汽車整車控制軟件組成框圖

2.2 控制策略仿真

混合動力汽車根據(jù)動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為串聯(lián)構(gòu)型(Series)、并 聯(lián) 構(gòu) 型(Parallel)、混 聯(lián) 構(gòu) 型(Combined,Series-Parallel,Power-split)[2]。按混合度分為微混、輕混、中混、強混、混合策略混動以及增程式混動。按外充電能力分為可外接充電式和不可外接充電式。按驅(qū)動電機在動力系統(tǒng)中的位置分為P0、P1、P2、P3、P4、PS及其組合。不同構(gòu)型的混合動力系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點，其方案的選擇取決于多種因素，例如：應(yīng)用環(huán)境、駕駛工況、成本考慮等。

仿真工具最大用處就是提供一個標準化的被控對象模型、數(shù)據(jù)后處理等輔助功能?；旌蟿恿Φ目刂撇呗酝ǔ；贛atlab/Simulink搭建，仿真工具與Simulink聯(lián)合仿真。

動力電池自身溫度高低和內(nèi)部溫度均勻性對其性能和壽命影響很大[3]，鋰電池最佳工作溫度范圍為25～40℃，混合動力汽車使用時環(huán)境溫度的變化范圍可達到30～60℃。整車動力學與熱管理仿真軟件Simcenter Amesim與Simulink聯(lián)合仿真，版本為Amesim R2019/Matlab 2017a/VS2013，步驟如下：

1）調(diào)用VC編譯器編譯Amesim模型生成obj文件；

2）調(diào)用Matlab編譯器生成S-funcion文件；

3）Simulink通過S-function調(diào)用Amesim模型實現(xiàn)聯(lián)合仿真。

整車動力經(jīng)濟性仿真軟件AVL Cruise與Simulink聯(lián)合仿真，版本為AVL-CRUISE R2019/Matlab 2020a/VS2015。

文章開發(fā)的混合動力系統(tǒng)介紹如下[4]：

1）基本硬件構(gòu)成：發(fā)動機、電池、電機、發(fā)電機、電機/發(fā)電機控制器、連接發(fā)動機和輸出軸的離合器、4組齒輪減速器等動力總成核心部件。

2）部件控制：以發(fā)動機BSFC線為優(yōu)化目標的整車控制策略；動力電池作為能量存儲器、能量緩沖器、功率平衡器配合發(fā)動機工作點的調(diào)節(jié)。

3）驅(qū)動控制策略邏輯：控制系統(tǒng)首先獲取加速踏板開度、駕駛模式以及車速等信息，然后根據(jù)Ped alMAP查詢系統(tǒng)的需求扭矩/功率，接著以需求扭矩/功率為目標，根據(jù)部件的能力（主要指電池的放電能力、發(fā)動機的最大功率、BSFC等特性），在發(fā)動機和電池間實現(xiàn)功率的協(xié)調(diào)分配。

4）3種系統(tǒng)模式：

a.純電動模式，電能消耗完全由電池提供，發(fā)動機、發(fā)電機均處于停機狀態(tài)；

b.串聯(lián)混合動力模式，離合器斷開，發(fā)動機通過發(fā)電機驅(qū)動電機，電池輔助發(fā)動機平衡負載；

c.并聯(lián)混合動力模式，離合器接合，發(fā)動機直接驅(qū)動車輛，電池輔助發(fā)動機平衡負載。

根據(jù)以上整車模型、仿真控制策略、計算任務(wù)工況[5-6]，計算任務(wù)得到的WLTC工況運行結(jié)果如圖2所示，WLTC工況發(fā)動機工作區(qū)間如圖3所示，NEDC工況發(fā)動機工作區(qū)間如圖4所示，NEDC工況運行結(jié)果如圖5所示。

圖2 WLTC工況運行結(jié)果

圖3 WLTC工況發(fā)動機工作區(qū)間

圖4 NEDC工況發(fā)動機工作區(qū)間

圖5 NEDC工況運行結(jié)果

整車動力性經(jīng)濟性計算結(jié)果如表3所示。目前公告油耗采用NEDC油耗，WLTC油耗僅供參考。燃油版車型油耗6.4 L/100 km，故混動系統(tǒng)可降低油耗20%左右。采用高效發(fā)動機，油耗還可降低10%左右。NEDC工況下電池SOC波動不大，系統(tǒng)采用1.3 kW·h電池能夠滿足要求。

表3 整車動力性經(jīng)濟性計算結(jié)果

2.3 控制模型及應(yīng)用層軟件

在仿真用的基本控制策略基礎(chǔ)上，滿足工程應(yīng)用[7]的控制模型還需要考慮整車控制需求、混合動力各個部件的特性和限值[8]，CAN矩陣、高電壓管理、附件管理、安全監(jiān)控、故障診斷等。

混合動力整車控制軟件架構(gòu)設(shè)計，利用Matlab/Simulink/System Composer建立應(yīng)用層軟件架構(gòu)模型Architecture Model，并利用Matlab/Simulink混合動力整車控制策略的應(yīng)用層軟件模型。

2.4 底層軟件

底層軟件開發(fā)環(huán)境中，包含adc、can、cpu、etimer、flash、gpio、lin、siu、spi、pit、pwm以及CCP通訊協(xié)議棧等驅(qū)動代碼（分為.c和.h文件）。

2.5 BootLoader

基于CAN開發(fā)的BootLoader是一段引導(dǎo)程序，用于應(yīng)用層軟件的CAN燒寫，實現(xiàn)不開蓋燒寫功能?？梢圆捎肅AN協(xié)議、UDS協(xié)議[9]或CCP協(xié)議實現(xiàn)Bootloader功能。BootLoader包括底層程序和上位機下載程序。首先燒寫B(tài)ootLoader程序，選擇BootLoader工程的路徑。其次，將生成的S19文件使用“S19文件對齊工具”對齊。然后，連接BootLoader燒寫硬件（吉陽光電USB-CAN Adapter）至控制器的CAN0口，打開燒寫上位機軟件，然后選擇加載對齊后的S19文件。最后，重啟控制器，等待應(yīng)用程序下載完成。

2.6 AUTOSAR

AUTOSAR（Automotive Open System Architecture），即汽車開放系統(tǒng)架構(gòu)，是汽車控制器（ECU）標準軟件架構(gòu)?？刂破鬈浖贏UTOSAR架構(gòu)開發(fā)，軟件分為基礎(chǔ)軟件及應(yīng)用軟件。

2.7 單元測試、系統(tǒng)測試

基于V流程開發(fā)過程中，單元測試、系統(tǒng)測試是開發(fā)的閉環(huán)驗證環(huán)節(jié)。

測試目標：符合軟件單元設(shè)計規(guī)范；軟硬件接口定義；定義的功能；無非預(yù)期功能；魯棒性。

測試方法：基于需求測試；接口測試；故障注入測試；模型代碼背靠背測試。

測試用例編寫：需求分析；等價類生成；邊界值；錯誤推測；覆蓋度。

2.8 功能安全

針對關(guān)注功能安全的用戶，以ISO 26262：2018版為標準采用基于模型設(shè)計開發(fā)符合功能安全要求的軟件，涵蓋從需求管理、架構(gòu)設(shè)計、單元設(shè)計與驗證、集成驗證與嵌入式軟件測試等各階段的主要活動、驗證方法、基于模型設(shè)計平臺的工具、以及軟件開發(fā)過程中所采用工具的評級和鑒定方法。

2.9 軟件集成

工程集成的目的是把底層軟件和應(yīng)用層軟件集成起來，生成ECU軟件。以MPC5744P為例，打開底層程序工程，將應(yīng)用層模型生成的.c和.h文件分別放在工程的SCR和INCLUDE文件夾里。然后在S32DS里選擇工程，右鍵選擇Refresh刷新得到新的工程。

2.10 標定與測量

遵循CCP Version 2.1協(xié)議進行CAN標定，采用ETAS公司的INCA軟件進行MPC5744P Flash的CCP標定開發(fā)[10-11]主要包含內(nèi)容如下：

1）與ECU配套生成的A2L和HEX文件或S19文件；

2）用于FLASH編程的PROF文件（包含了.prm、.cnf、.ini以及.layout文件）；

3）S19文件對齊工具、A2L處理工具、標定量處理工具。

A2L文件[12]中進行標定變量定義、測量變量定義。在存儲頁管理界面的選擇上載，實現(xiàn)從ECU讀數(shù)據(jù)。

INCA FLASH編程操作界面如圖6所示，INCA PROF配置需要加載PROF控制文件，一次成功的FLASH燒寫的提示如以下紅圈所示，即選擇FLASH編程后，ECU文件名自動加載，以及生成INCAFLASH編程控制文件PROF的燒寫提示。

圖6 ECU FLASH編程操作界面

FLASH擦除、編程指令解析如圖7所示：

圖7 FLASH編程指令與CAN通訊數(shù)據(jù)解析界面

3 混合動力整車試驗

混合動力汽車整車試驗驗證了控制策略、控制器軟硬件的可行性，以及增加的部件（BSG、DCDC、BAT TERY、電子增壓器、高電壓互鎖電路[13]、高電壓自放電電路、短路熔斷保護電路、絕緣監(jiān)控電路[14]等）選型正確性?？刂破鳈z測、協(xié)調(diào)以上電路，使高電壓處于正常工作狀態(tài)，出現(xiàn)故障時控制器及時診斷、處理、顯示。在整車試驗過程中，通過多組工況的試驗得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

3.1 整車試驗

整車為一輛SUV，整車試驗安裝情況如圖8所示。

圖8 整車試驗-電氣系統(tǒng)（左）、發(fā)動機艙+電機與電氣系統(tǒng)（中）、電子增壓器的機械與電氣安裝（右）

3.2 整車控制器與調(diào)試設(shè)備

整車控制器及其下載調(diào)試器、PCAN設(shè)備、INCA標定設(shè)備，即主芯片為MPC5744P和主芯片為TC1782控制器及其調(diào)試標定設(shè)備分別如圖9、圖10所示。

圖9 主芯片MPC5744P控制器（左）與調(diào)試設(shè)備（右）

4 試驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

利用ETAS INCA和MDA通過CAN標定設(shè)備讀取整車控制器的參數(shù)，得到加速踏板、燃油消耗量、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、電子增壓器進氣與排氣的空氣壓力、節(jié)氣門位置曲線，啟動過程電子增壓器試驗曲線結(jié)果如圖11所示。

5 結(jié)論

文章對混合動力汽車整車控制器進行仿真計算、軟硬件設(shè)計和相關(guān)試驗開發(fā)驗證。并在混合動力整車上將自主研發(fā)的控制器進行試驗，結(jié)果表明控制策略仿真建模、應(yīng)用層軟件和底層軟件集成、標定軟件以及BootLoader下載等功能均得以實現(xiàn)，參數(shù)計算算法合理，精度符合要求，界面直觀操作方便?？刂破鞣厦嫦蚬こ袒瘧?yīng)用的研發(fā)和批量生產(chǎn)。