沈 凱， 劉衛(wèi)東， 吳方義， 王愛春， 黃少堂

（江鈴汽車股份有限公司， 江西 南昌 330001）

據(jù)EV Sales數(shù)據(jù)顯示， 2021上半年國內(nèi)新能源汽車銷量大增， 銷量高達(dá)100.7萬輛， 銷量已基本追平2020一整年銷量。 在最新的 《新能源汽車生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品準(zhǔn)入管理規(guī)定》 中明確指出， 新能源汽車OEM需具備整車核心部件VCU的設(shè)計(jì)開發(fā)、 測(cè)試驗(yàn)證能力， 其中VCU 的硬件在環(huán)（Hardware in the Loop， HIL） 測(cè)試為必要準(zhǔn)入條件之一。

在VCU開發(fā)過程中， HIL測(cè)試可以在實(shí)車測(cè)試前有效驗(yàn)證VCU的軟硬件， 可以縮短周期、 提高VCU開發(fā)效率。 氫燃料電池電動(dòng)卡車VCU硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)是根據(jù)整車動(dòng)力結(jié)構(gòu)和氫燃料系統(tǒng)來搭建車輛模型， 通過VCU的功能規(guī)范來設(shè)計(jì)測(cè)試用例和測(cè)試序列， 該測(cè)試系統(tǒng)可以全面有效地驗(yàn)證VCU的功能性和穩(wěn)定性。

1 VCU硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)

1.1 測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)介紹

氫燃料電池電動(dòng)卡車VCU硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)主要包含以下3部分。

1） 硬件系統(tǒng)。 dSPACE自動(dòng)測(cè)試機(jī)柜， 提供實(shí)時(shí)控制器閉環(huán)控制系統(tǒng)。

2） 軟件系統(tǒng)。 上位機(jī)軟件 （ControlDesk） 和測(cè)試序列編輯軟件 （AutomationDesk）。

3） 氫燃料電池電動(dòng)整車仿真模型。 基于Matlab／Simulink軟件， 搭建了VCU_IO模型和VCU_MDL車輛模型，提供了實(shí)時(shí)控制器軟件、 通信數(shù)據(jù)庫和車輛動(dòng)力控制模型。

如圖1所示， 將VCU與dSPACE臺(tái)架用匹配的線束連接，并根據(jù)VCU的接口原理圖進(jìn)行配置； 并由上位機(jī)來模擬駕駛員指令和車輛運(yùn)行信息， 經(jīng)過硬件系統(tǒng)調(diào)制成電信號(hào)和CAN信號(hào)輸入給VCU， 通過監(jiān)測(cè)VCU狀態(tài)位和功能使能位來驗(yàn)證VCU的功能。 通過硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)， 可以實(shí)現(xiàn)“人-車-環(huán)境” 的閉環(huán)仿真， 達(dá)到裝車前實(shí)車測(cè)試的目的。

圖1 硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)

1.2 硬件系統(tǒng)開發(fā)

實(shí)時(shí)硬件系統(tǒng)是HIL仿真測(cè)試的核心技術(shù)， 通過IO板卡、 處理器、 信號(hào)調(diào)理器板卡等關(guān)鍵部件， 可以實(shí)現(xiàn)CAN/LIN信號(hào)和電信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和輸出。

硬件系統(tǒng)需依據(jù)控制器的硬件接口原理圖，選擇dSPACE機(jī)柜電源型號(hào)， 整理所有I/O端口信息， 并選擇各I/O板卡、故障板卡、 電流采集板卡等的型號(hào)及數(shù)量。 考慮各信號(hào)類型的冗余分析， 建立信號(hào)冗余、 板卡配置清單 （表1）。

表1 板卡清單

1.3 軟件系統(tǒng)開發(fā)

軟件系統(tǒng)包括兩款dSPACE軟件： 上位機(jī)軟件和測(cè)試序列編輯軟件。

1） 上位機(jī)軟件 （ControlDesk）

ControlDesk軟件通過導(dǎo)入模型數(shù)據(jù)庫SDF文件， 可以對(duì)通信協(xié)議中虛擬節(jié)點(diǎn)的TX/RX CAN報(bào)文進(jìn)行實(shí)時(shí)模擬和監(jiān)測(cè)； 并可以通過圖片、 控件、 文字等可視化圖片形式進(jìn)行顯示， 如圖2上位機(jī)面板所示， 可以實(shí)現(xiàn)硬件在環(huán)測(cè)試數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)和控制。

圖2 VCU_HIL上位機(jī)主控制界面

2） 測(cè)試序列編輯軟件 （AutomationDesk）

AutomationDesk是一款強(qiáng)大的測(cè)試編寫和自動(dòng)化工具，可以根據(jù)通信協(xié)議建立數(shù)據(jù)庫， 調(diào)用內(nèi)部控件、 搭建自動(dòng)測(cè)試序列， 并編寫Python語言對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)化驗(yàn)證，如圖3所示。

圖3 VCU_HIL自動(dòng)測(cè)試序列控制界面

1.4 整車仿真模型開發(fā)

基于Matlab／Simulink開發(fā)的新能源汽車硬件在環(huán)仿真測(cè)試模型， 主要由IO模型和車輛模型組成。 其中車輛模型根據(jù)新能源汽車的不同構(gòu)造進(jìn)行開發(fā)， 本系統(tǒng)以氫燃料電池車輛為例， 主要由電機(jī)、 氫燃料電池、 變速器、 車輛動(dòng)力學(xué)等模型組成。

1.4.1 IO模型

VCU_IO模型主要分為3部分： IO接口、 CAN總線BUS模型、 電源ControlPanel模塊， 如圖4所示。

圖4 IO模型

IO模型的開發(fā)是基于VCU各PIN腳的定義來實(shí)現(xiàn)接口配置的。 通過對(duì)板卡、 通道接口進(jìn)行配置， 可以精確控制實(shí)時(shí)仿真器硬件的輸入輸出； 同時(shí)在RTICANMM模塊中導(dǎo)入DBC， 定義好TX/RX Signal， 來實(shí)現(xiàn)臺(tái)架總線通信的配置。

1.4.2 電機(jī)模型

基于硬件在環(huán)測(cè)試的電機(jī)模型主要包含兩部分： 扭矩/轉(zhuǎn)速計(jì)算模型、 功率計(jì)算模型。 VCU通過扭矩模式來控制電機(jī)的輸出， 電機(jī)扭矩等于VCU的請(qǐng)求扭矩。 電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為：

式 中： n——轉(zhuǎn) 速； V——車 速； r——輪 胎 半 徑；i——變速器傳動(dòng)比； i——主減速比。

由公式 （2） 可以算出電機(jī)轉(zhuǎn)速。

電機(jī)功率計(jì)算公式為：

式中： P——電機(jī)功率； T——電機(jī)扭矩； n——轉(zhuǎn)速；η——電機(jī)效率。 由公式 （3） 可以算出電機(jī)輸出功率。

1.4.3 變速器模型

變速器模型可以模擬真實(shí)TCU模塊， 實(shí)現(xiàn)整車虛擬仿真環(huán)境中擋位的解析和控制， 如圖5所示。

圖5 變速器模型

變速器模型通過接收SCU換擋桿位置、 車速、 加速踏板開度、 VCU換擋指令和驅(qū)動(dòng)扭矩來計(jì)算實(shí)際擋位和換擋時(shí)間， 并模擬發(fā)送當(dāng)前TCU擋位、 換擋扭矩和換擋請(qǐng)求給VCU； VCU通過當(dāng)前實(shí)際擋位來進(jìn)行扭矩控制。

1.4.4 氫燃料電池模型

此模型可以模擬氫燃料電池控制模塊 （FCU） 的啟動(dòng)和輸出功率的功能， 如圖6所示。

圖6 氫燃料電池模型

當(dāng)整車處于高壓模式、 SOC小于80%、 混動(dòng)模式開關(guān)值為1、 燃料電池以及DCF系統(tǒng)無故障、 動(dòng)力電池持續(xù)充電功率大于6kW， VCU發(fā)出燃料電池開機(jī)指令 （FCU_START=1）， FCU開始運(yùn)行并輸出功率， 輸出的功率跟隨VCU請(qǐng)求功率的變化而變化。 氫燃料電池模型內(nèi)包含反應(yīng)堆模型，通過VCU的請(qǐng)求功率計(jì)算所需H壓強(qiáng)、 O壓強(qiáng)、 瞬態(tài)電壓電流； 通過匹配車上氫燃料反應(yīng)堆實(shí)際效率和標(biāo)定參數(shù)，計(jì)算出反應(yīng)堆模型輸出功率。

當(dāng)條件不滿足時(shí)， VCU發(fā)來停機(jī)指令 （FCU_START=0）， FCU不運(yùn)行且輸出功率一直為0kW。 基于以上氫燃料電池FCU功率輸出的模擬， 可以驗(yàn)證VCU對(duì)氫燃料電池功率輸出的可靠性。

1.4.5 車輛動(dòng)力學(xué)模型

車輛動(dòng)力學(xué)模型可以模擬整車系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)， 通過配置Matlab中的整車參數(shù)、 道路附著系數(shù)、 空氣阻力參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)力、 驅(qū)動(dòng)助力、 制動(dòng)阻力的計(jì)算； 并根據(jù)油門踏板行程和制動(dòng)踏板行程， 模擬計(jì)算出相應(yīng)的車輪端驅(qū)動(dòng)力矩和實(shí)時(shí)車速， 實(shí)現(xiàn)整車動(dòng)力的閉環(huán)控制。

汽車行駛的驅(qū)動(dòng)方程為：

式中： F——汽車驅(qū)動(dòng)力； F——汽車滾 動(dòng) 阻 力；F——空氣阻力； F——加速阻力； F——坡道阻力。

由公式 （4） 可以算出汽車驅(qū)動(dòng)力。

汽車行駛速度為：

式中： a——整車加速度； M——整車質(zhì)量； V——車速； t——時(shí)間。 由公式 （6） 可以算出整車車速。

2 VCU硬件在環(huán)測(cè)試驗(yàn)證

開發(fā)完成VCU硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)后， 將真實(shí)整車控制器接入臺(tái)架中， 對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行激勵(lì)、 開環(huán)、 閉環(huán)測(cè)試，完成驗(yàn)收， 保證測(cè)試系統(tǒng)的可靠性。

2.1 IO接口驗(yàn)證

首先編譯通過Simulink中的模型， 并可以生成sdf文件；再打開ControlDesk軟件和AutomationDesk軟件， 將該數(shù)據(jù)庫sdf 文 件 導(dǎo) 入 到 軟 件 中 （注： 先 導(dǎo) 入ControlDesk， 再 按 照ControlDesk中的sdf文件路徑導(dǎo)入到AutomationDesk中， 保持sdf文件路徑一致）； 然后進(jìn)行板卡注冊(cè)， 并進(jìn)行Go Online操作， 通過操作關(guān)聯(lián)的電源控件對(duì)機(jī)柜電源進(jìn)行驗(yàn)證； 用萬用表對(duì)相應(yīng)的IO接口進(jìn)行測(cè)量， 保證能夠?qū)崿F(xiàn)閉環(huán)控制，如圖7所示。

圖7 IO接口驗(yàn)證

通過對(duì)上位機(jī)面板控件進(jìn)行控制， 可以實(shí)現(xiàn)IO接口觀測(cè)量的改變， 符合模型設(shè)計(jì)要求。

2.2 CAN通信驗(yàn)證

檢查Bus Navigator窗口中的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)是否與DBC定義一致， 通過對(duì)模擬節(jié)點(diǎn)報(bào)文進(jìn)行賦值， 并通過CANoe工具對(duì)臺(tái)架總線進(jìn)行監(jiān)測(cè)， 確認(rèn)所有模擬節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)完整性、正確性。 如圖8所示。

通過CAN通信驗(yàn)證， 所有報(bào)文的ID、 字節(jié)長(zhǎng)度、 信號(hào)值均與模擬值一致， 符合通信設(shè)定， 滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 VCU功能驗(yàn)證

根據(jù)VCU高壓上下電功能規(guī)范描述， 編輯VCU硬件在環(huán)測(cè)試用例， 根據(jù)測(cè)試用例在AutomationDesk軟件編輯自動(dòng)測(cè)試序列； 將高壓上電條件寫入測(cè)試序列中， 并運(yùn)行序列，對(duì)高壓上電結(jié)果進(jìn)行檢查， 自動(dòng)生成測(cè)試結(jié)果。

高壓上電測(cè)試結(jié)果如圖9 所示， 當(dāng)鑰匙擰到2（Start） 狀態(tài)， 整車進(jìn)行高壓上電，高壓狀態(tài)為4（HV_Mode）， 滿足VCU功能規(guī)范，硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求。

圖9 高壓上電驗(yàn)證

根據(jù)VCU 扭矩管理功能規(guī)范描 述， 對(duì)D 擋 蠕行工況進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證， 測(cè)試結(jié)果如圖10所示。

圖10 D擋蠕行驗(yàn)證

當(dāng)整車動(dòng)力Ready 后， 掛 入D擋， 不踩制動(dòng)踏板， 車輛進(jìn)入蠕行工況， 車速將穩(wěn)定在蠕行車速7km/h， 符合VCU功能規(guī)范， 硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求。

通過了IO接口、 CAN通信、 VCU功能的驗(yàn)證， 整個(gè)氫燃料電池卡車VCU硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠， 可以實(shí)現(xiàn)VCU全功能測(cè)試， 符合設(shè)計(jì)要求。

3 總結(jié)

本文為新能源整車控制器設(shè)計(jì)開發(fā)了一套硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)， 該系統(tǒng)利用MATLAB/Simulink軟件搭建了電池、 電機(jī)、整車動(dòng)力學(xué)模型， 基于dSPACE軟件建立了半實(shí)物半虛擬節(jié)點(diǎn)仿真測(cè)試環(huán)境， 已在多個(gè)新能源HIL測(cè)試項(xiàng)目中投入使用。HIL測(cè)試系統(tǒng)的全面性和復(fù)用性， 可以有效縮短VCU的研發(fā)周期， 提高開發(fā)效率， 降低研發(fā)成本， 優(yōu)化VCU的開發(fā)流程。