李之乾 曹紅艷 許成林 肖華東 韓淑芳

【摘? 要】隨著新能源汽車(chē)的快速發(fā)展，如何有效實(shí)現(xiàn)降本增效成為了各大新能源廠商所面臨的一大難題。在汽車(chē)的開(kāi)發(fā)階段，測(cè)試驗(yàn)證汽車(chē)的功能和性能往往占據(jù)了很大一部分研發(fā)成本。本文基于VeriStand開(kāi)發(fā)環(huán)境，搭建一套純電動(dòng)物流車(chē)整車(chē)控制器硬件在環(huán)仿真測(cè)試平臺(tái)，經(jīng)驗(yàn)證使用，能夠在實(shí)車(chē)測(cè)試之前，有效測(cè)試整車(chē)控制器的主要控制邏輯，發(fā)現(xiàn)控制軟件中的Bug。在測(cè)試階段中節(jié)省開(kāi)發(fā)成本，提高研發(fā)效率，并降低后續(xù)實(shí)車(chē)試驗(yàn)的危險(xiǎn)性，有效保證測(cè)試人員的人身安全。

【關(guān)鍵詞】純電動(dòng)物流車(chē);硬件在環(huán);整車(chē)控制器;VeriStand

中圖分類(lèi)號(hào)：U469.72? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1003-8639（ 2023 ）05-0013-03

【Abstract】With the rapid development of new energy vehicles，how to effectively achieve cost reduction and efficiency has become major new energy manufacturers are facing a major problem. In the development stage of a car，testing to verify the function and performance of the car often accounts for a large part of the development cost. Based on VeriStand development environment，this paper built a set of pure electric logistics vehicle controller hardware-in-the-loop simulation test platform. The verified use can effectively test the main control logic of the vehicle controller and find the bugs in the control software before the actual vehicle test. In the test stage，the development cost is saved，the efficiency of research and development is improved，and the risk of subsequent real car experiment is reduced，Effectively ensure the personal safety of the test personnel.

【Key words】pure electric logistics vehicle;hardware in loop;vehicle controller;VeriStand

作者簡(jiǎn)介

李之乾（1993—），女，助理工程師，碩士，研究方向?yàn)樾履茉措娍叵到y(tǒng)硬件在環(huán)測(cè)試;曹紅艷（1988—），女，工程師，碩士，研究方向?yàn)閯?dòng)力總成硬件在環(huán)測(cè)試;許成林（1998—），男，助理工程師，研究方向?yàn)樾履茉措娍叵到y(tǒng)硬件在環(huán)測(cè)試;肖華東（1992—），男，技師，研究方向?yàn)樨?fù)載箱制作;韓淑芳（1996—），女，技師，研究方向?yàn)樨?fù)載箱制作。

21世紀(jì)以來(lái)，隨著電動(dòng)汽車(chē)三電技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，新能源汽車(chē)的占比越來(lái)越高，未來(lái)汽車(chē)電動(dòng)化已成為不可逆的趨勢(shì)[1]。新能源汽車(chē)整車(chē)控制器EVCU作為汽車(chē)的“大腦”，其“聰明”程度對(duì)于整車(chē)的各方面性能起到至關(guān)重要的作用。如何更加快速高效地開(kāi)發(fā)VCU已經(jīng)成為車(chē)企提高競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵一步。經(jīng)過(guò)多年沉淀，目前業(yè)界普遍采用V模式的開(kāi)發(fā)流程[2]，如圖1所示。

控制器在進(jìn)行裝車(chē)之前需要進(jìn)行十分嚴(yán)謹(jǐn)復(fù)雜的測(cè)試，僅僅依靠傳統(tǒng)的實(shí)車(chē)測(cè)試，對(duì)測(cè)試環(huán)境、測(cè)試人員都有較高的要求，測(cè)試成本高，且極端工況下具有一定的危險(xiǎn)性，測(cè)試結(jié)果的記錄與分析難度較大，一些問(wèn)題難以復(fù)現(xiàn)等[3]，在實(shí)車(chē)測(cè)試之前進(jìn)行硬件在環(huán)仿真測(cè)試可以有效解決以上問(wèn)題。硬件在環(huán)即采用真實(shí)的控制器，被控對(duì)象部分采用真實(shí)元件，部分采用實(shí)時(shí)數(shù)字模型，或全部采用實(shí)時(shí)數(shù)字模型，模擬被控對(duì)象的物理行為以及傳感器執(zhí)行器的信號(hào)，與VCU通過(guò)硬線(xiàn)連接后形成一個(gè)閉環(huán)的仿真系統(tǒng)，可以對(duì)控制模型進(jìn)行復(fù)雜的、重復(fù)的驗(yàn)證[4]。

本文以某公司的純電動(dòng)物流車(chē)的EVCU為對(duì)象，基于NI的VeriStand軟件及PXI總線(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)一套硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)，經(jīng)驗(yàn)證能夠?qū)υ撥?chē)型EVCU進(jìn)行功能驗(yàn)證。

1? HIL測(cè)試系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本文基于VeriStand的純電動(dòng)汽車(chē)EVCU硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的架構(gòu)如圖2所示，基于MATLAB/Simulink搭建純電動(dòng)物流車(chē)的整車(chē)模型并配置行駛工況，對(duì)VCU的控制策略進(jìn)行解讀并根據(jù)硬件原理圖配置模型I/O接口和CAN報(bào)文接口。模型編譯完成后，部署到下位機(jī)NI Phar LapRT系統(tǒng)中，下位機(jī)通過(guò)硬線(xiàn)與EVCU連接，從而實(shí)現(xiàn)仿真模型與控制器的實(shí)時(shí)交互。做HIL測(cè)試時(shí)，通過(guò)VeriStand軟件實(shí)時(shí)改變模型的參數(shù)來(lái)模擬不同的行駛工況，或通過(guò)設(shè)置動(dòng)力電池和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的參數(shù)來(lái)模擬極端工況下或發(fā)生故障時(shí)的車(chē)輛行駛狀態(tài)。通過(guò)刷寫(xiě)標(biāo)定軟件INCA可以對(duì)控制模型的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和標(biāo)定，針對(duì)不同的邏輯進(jìn)行功能驗(yàn)證。

2? 控制策略簡(jiǎn)析及仿真模型搭建

2.1? 策略簡(jiǎn)析

HIL測(cè)試需要了解EVCU的控制策略，才能夠在測(cè)試過(guò)程中對(duì)相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定以及發(fā)現(xiàn)控制模型中存在的Bug。整車(chē)的控制策略動(dòng)力傳遞路徑主要是根據(jù)鑰匙信號(hào)、擋位信號(hào)、油門(mén)制動(dòng)踏板輸入信號(hào)、電機(jī)工況以及各類(lèi)傳感器信號(hào)綜合判斷駕駛員的意圖，然后根據(jù)車(chē)輛的運(yùn)行工況以及是否存在故障等，對(duì)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩或者轉(zhuǎn)速進(jìn)行決策和限制，然后通過(guò)CAN報(bào)文形式發(fā)送給電機(jī)控制器，控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，再根據(jù)電機(jī)反饋的實(shí)際轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，反饋調(diào)節(jié)需求轉(zhuǎn)矩，從而對(duì)車(chē)輛的行駛速度進(jìn)行控制。整車(chē)控制策略示意圖如圖3所示。

2.2? 模型搭建

整車(chē)物理模型旨在模擬車(chē)輛行為，與整車(chē)控制器進(jìn)行交互，因此本文的整車(chē)模型主要可分為兩個(gè)部分：物理模型和交互接口，交互接口主要有I/O接口和CAN報(bào)文接口。模型架構(gòu)如圖4所示，中間部分為物理模型，左右兩邊的部分是模型控制器交互的接口。

物理模型的優(yōu)劣決定了HIL測(cè)試的品質(zhì)，本文物理模型是基于MATLAB/Simulink搭建，主要思路是基于整車(chē)在行駛時(shí)的動(dòng)力傳遞路徑進(jìn)行建模。如圖5所示。

其中轉(zhuǎn)矩傳遞路徑為：驅(qū)動(dòng)電機(jī)→傳動(dòng)系統(tǒng)→車(chē)輪→整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型。轉(zhuǎn)速傳遞路徑為：整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型→車(chē)輪→傳動(dòng)系統(tǒng)→驅(qū)動(dòng)電機(jī)。根據(jù)建模思路，將整車(chē)物理模型主要分為電機(jī)模型、電池模型、傳動(dòng)系統(tǒng)模型、車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型、輔機(jī)模型和駕駛員模型。

電機(jī)模型的輸入主要有電池電壓、EVCU的決策轉(zhuǎn)矩、電機(jī)控制模式、鑰匙開(kāi)關(guān)信號(hào)、冷卻系統(tǒng)使能信號(hào)等，對(duì)應(yīng)的輸出主要是電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速、電機(jī)的工作溫度，電機(jī)母線(xiàn)的電壓和電流等參數(shù)。

本文采用卡爾曼濾波的SOC估算法建立蓄電池等效數(shù)學(xué)模型，電池模型根據(jù)二階RC模型等效電路模擬法建立，該電池模型結(jié)構(gòu)清晰，可讀性強(qiáng)，能夠較為真實(shí)地模擬車(chē)用高壓鋰電池的工作特性。根據(jù)蓄電池等效電路模型，由基爾霍夫電壓定律可得：

（1）

式中：U0——?dú)W姆電阻兩端電壓。

根據(jù)蓄電池等效電路模擬，能夠得到蓄電池等效數(shù)學(xué)模型為：

式中：SOC0——t0時(shí)刻SOC值;SOC——t1時(shí)刻SOC值;Cn——蓄電池的額定容量;I——蓄電池當(dāng)前放電電流。

以上子模塊輸入為電池初始SOC值、電機(jī)電流、需求電壓、使能信號(hào)等。輸出有電池電壓、SOC值、充放電功率、電池溫度及電流限制等。

傳動(dòng)系統(tǒng)、車(chē)輪模型，即根據(jù)實(shí)車(chē)傳動(dòng)比及車(chē)輪半徑等實(shí)車(chē)參數(shù)進(jìn)行一系列數(shù)學(xué)運(yùn)算，最后經(jīng)過(guò)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)的公式運(yùn)算，得到實(shí)際的驅(qū)動(dòng)力、阻力及車(chē)速等參數(shù)。

車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算了車(chē)輛行進(jìn)過(guò)程中的空氣阻力、滾動(dòng)阻力以及坡度阻力等，輸入為車(chē)輪驅(qū)動(dòng)力矩，輸出受各項(xiàng)阻力影響車(chē)輪的實(shí)際轉(zhuǎn)速。

輔機(jī)模型，即模擬冷卻風(fēng)扇、冷卻水泵、DCDC、空壓機(jī)等設(shè)備的工作情況，接收EVCU發(fā)送的使能信號(hào)，將模擬的輔機(jī)工作信號(hào)及故障狀態(tài)等發(fā)送給EVCU。

I/O、CAN報(bào)文接口，即控制器與模型進(jìn)行信號(hào)交互的部分，I/O主要是車(chē)上人機(jī)交互的部分，如鑰匙信號(hào)、油門(mén)制動(dòng)、手剎、空調(diào)、燈光等，CAN報(bào)文接口是EVCU與車(chē)輛其他控制器、執(zhí)行器進(jìn)行交互的接口。

3? HIL測(cè)試系統(tǒng)搭建及驗(yàn)證

有了上面所述的控制模型和物理模型，即可根據(jù)HIL設(shè)備搭建測(cè)試系統(tǒng)，本文基于NI PXI總線(xiàn)系統(tǒng)搭建HIL測(cè)試系統(tǒng)，使用VeriStand軟件進(jìn)行工程匹配以及操作界面搭建。

3.1? 硬件準(zhǔn)備

HIL硬件設(shè)備如圖6所示，主要組成部分包括上位機(jī)、PXI總線(xiàn)系統(tǒng)、調(diào)理模塊、負(fù)載線(xiàn)束、程控電源以及整車(chē)控制器EVCU及接線(xiàn)板。其中上位機(jī)運(yùn)行VeriStand軟件，可控制下位機(jī)中運(yùn)行的物理模型實(shí)時(shí)與控制器進(jìn)行信號(hào)的交互。本文的PXI總線(xiàn)系統(tǒng)包含NI PXI-8115控制器、PXI-6220、PXI-6723數(shù)據(jù)生成采集板卡以及CAN通信板卡PXI-8512。

3.2? VeriStand工程搭建

上位機(jī)VeriStand軟件中建立項(xiàng)目工程，輸入正確的下位機(jī)IP地址，導(dǎo)入模型編譯后生成的.dll文件和CAN報(bào)文的DBC文件，配置下位機(jī)的硬件輸出輸入端口并與模型中預(yù)留的I/O接口以及CAN報(bào)文接口做Mapping。打開(kāi)交互界面WorkSpace，利用自定義功能建立兼顧美觀與實(shí)用性的測(cè)試界面，如圖7所示。

3.3? 測(cè)試驗(yàn)證

利用前面所述的硬件設(shè)備以及搭建好的VeriStand工程，進(jìn)行新能源整車(chē)控制器EVCU的一系列功能驗(yàn)證。

1）整車(chē)上下電功能驗(yàn)證。接通HIL設(shè)備電源，將VeriStand工程部署到下位機(jī)中，在打開(kāi)的WorkSpace界面中，轉(zhuǎn)動(dòng)啟動(dòng)按鈕，在INCA中調(diào)出控制策略中的鑰匙開(kāi)關(guān)信號(hào)以及上下低壓、上下高壓的變量，同時(shí)觀察WorkSpace界面中電源指示燈以及動(dòng)力電壓等控件的變化。結(jié)果顯示，能夠通過(guò)上位機(jī)界面中的啟動(dòng)旋鈕控制整車(chē)的正常上下電功能。

2）車(chē)輛換擋及正常行駛功能驗(yàn)證。在EVCU控制策略中，車(chē)輛換擋時(shí)，需先踩住制動(dòng)踏板，將圖8中的起動(dòng)旋鈕轉(zhuǎn)到START，車(chē)輛起動(dòng)，拖動(dòng)制動(dòng)控件，使其大于一定值，然后轉(zhuǎn)動(dòng)換擋旋鈕至D擋，將制動(dòng)控件拖到0，然后拖動(dòng)油門(mén)控件緩慢增加，整個(gè)測(cè)試過(guò)程中觀察WorkSpace車(chē)速儀表、電機(jī)轉(zhuǎn)速儀表等控件的變化以及在INCA中調(diào)出EVCU控制策略的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比觀測(cè)。車(chē)速、電機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等參數(shù)在加速及制動(dòng)工況下的變化情況如圖8所示。

3）SOC、續(xù)駛里程、行駛里程等驗(yàn)證。保持車(chē)輛行駛一段時(shí)間后，SOC值和續(xù)駛里程都有所降低，行駛里程按照正確的速率增加。結(jié)果表明，本文HIL測(cè)試系統(tǒng)能夠?qū)σ陨瞎δ苓M(jìn)行驗(yàn)證。

4? 總結(jié)

本文基于VeriStand開(kāi)發(fā)環(huán)境搭建的純電動(dòng)物流車(chē)整車(chē)控制器硬件在環(huán)仿真測(cè)試平臺(tái)，利用Matlab /Simulink 建立純電動(dòng)整車(chē)物理模型，連接真實(shí)整車(chē)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，該仿真測(cè)試平臺(tái)在實(shí)車(chē)測(cè)試之前，能夠有效測(cè)試整車(chē)控制器的主要控制邏輯，發(fā)現(xiàn)控制軟件中的Bug，實(shí)現(xiàn)在測(cè)試階段節(jié)省開(kāi)發(fā)成本、提高研發(fā)效率的目的。

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（編輯? 楊? 景）