一種基于LABVIEW的混合動力汽車新型上位機平臺的設計

李曉錦，王紅磊，倪計民，石秀勇

(1.同濟大學汽車學院，上海 201804;2.吉林大學汽車工程學院，長春 130025)

前言

目前，國內外對混合動力汽車的數據采集平臺已進行過設計[1－3]，但存在著平臺界面不友好、數據不直觀等缺點。本文中利用圖形化的編程語言—LABVIEW，針對上述混合動力汽車試驗臺架中整車控制器(HCU)的數據采集問題，設計開發了一套新型的混合動力汽車上位機平臺，并對其功能進行了離線演示和試驗測試。

1 混合動力客車試驗臺架

為了推進混合動力汽車技術的發展，本文中搭建了一套混合動力客車動力總成的試驗臺架[4]。該臺架為單軸并聯式，由發動機、自動離合器、電動機/發電機、離合器和電池組組成，如圖1所示。

從圖1可知，根據其結構形式，可分為6種基本工作模式:純電動模式、純發動機模式、混合驅動模式、行車發電模式、制動能量回收模式和怠速/停車模式。HCU、發動機控制器(ECU)、電機控制器(PCU)、電池組管理系統(BMS)和離合器控制器(TCU)在CAN總線的連接下共同組成了一個車載CAN網絡。輔助控制器采集的狀態參數，通過CAN總線傳送給HCU，HCU根據車輛和發動機的工況以及駕駛員的駕駛意圖進行動力總成能量分配。

2 上位機平臺的功能設計

針對并聯式混合動力汽車系統開發過程中的轉矩分配和電池SOC控制這兩大核心問題，分別為其上位機設計了效率點追蹤、能量流動畫顯示和路況統計3種功能，以提高控制策略的開發效率。另外，由于試驗中電機預充電控制策略不完善，還設計了電機預充電測試功能。

2.1 效率點追蹤

混合動力汽車控制策略的優化實質上就是基于工況的需求，合理分配發動機和電機的功率/轉矩，在滿足排放和動力性指標的前提下追求最小的燃油消耗。轉矩分配策略的優劣直接影響混合動力汽車的節油效果，直觀實時地跟蹤發動機和電機的運行效率對轉矩分配策略的驗證和改進具有重要意義，為此，該系統開發了效率點追蹤功能。圖2為發動機和電機效率點追蹤圖。

圖2(a)中的黑色部分代表高效區，具有較低的燃油消耗率。圖2(b)中轉矩正為電動機狀態，轉矩負為發電機狀態。圖2中白色星點為發動機和電機的對應工作點，該功能可實時顯示最近20個工作點的軌跡，時序按顏色由淺到深表示。利用該功能可以清楚地顯示控制策略對發動機和電機工作點的調節軌跡，從而直觀地了解混合動力控制策略的運行效果。

2.2 能量流動畫顯示

能量流動畫顯示功能可實時顯示整車工況和對應的系統能量流動情況，可用于直觀測試轉矩分配策略在混合動力不同工作模式下的切換情況。

圖3為能量流動情況及轉矩分配和路況等。程序中將采集的發動機和電機的轉速、轉矩和離合器狀態作為控制參數，用箭頭控件指示能量流動的方向。通過發動機和電機轉矩梯度的顯示，可直觀地觀察到兩者轉矩分配的情況。結合能量流、轉速、轉矩和路況的實時顯示，可有效提高混合動力車輛不同模式的切換策略和轉矩分配策略的標定效率。

2.3 路況統計

車輛的行駛工況即為車速-時間歷程，綜合反映了當前車速、加速度、怠速情況、行駛里程和運行時間等運動學參數，可用當前車速和時間兩個變量來表示[5]。路況統計功能可實現不同時間樣本容量下整車運行工況的數據采集分析和整理。臺架測試時，可反映近期所做試驗數據的密度分布，為后期的試驗內容做參考;實車測試時，可為后期的路譜分析提供統計數據，從而為路線相對固定的混合動力汽車(如混合動力公交車)提供SOC控制的依據。

為便于觀察比較，設計了兩個時間樣本容量(分別為全程25min和局部5min)下的路況記錄，并進行了概率統計，分別表示全程速度和局部速度，見圖4。圖中，路況記錄用車速-時間曲線表示，概率統計結果用直方圖表示。同時，所有的路況采集和統計數據都可保存在數據文件中，以備需要時調用。

2.4 虛擬電機預充電測試

在混合動力汽車中，電機控制器電容初始狀態電壓為零，為了減少電容加電瞬間引起的短路電流，須在電容加電回路中串入一電阻進行限流，該過程稱為預充電。電機預充電過程靠HCU內部的加電邏輯控制繼電器完成。由于預充電歷時較短，一般為1～2s，該過程又涉及高壓大電流，若控制邏輯考慮不周，很有可能引起電容的燒毀或預充電電阻的爆炸，所以在HCU的開發過程中，有必要對HCU加電邏輯的可靠性進行測試。

本文中利用LABVIEW程序模擬預充電強電系統，用虛擬電機代替實際電機，實現了電機預充電控制策略的離線測試，若充電過程中電壓電流發生異常，該系統會自動報警，從而大大地提高了預充電策略的開發效率和安全性。

(1)電機預充電原理

預充電電路圖如圖5所示。

電機預充電過程中，HCU的加電邏輯為:首先閉合負極繼電器(Sn)，閉合預充繼電器(Spre)后充電開始，這時電機電壓按照RC電路規律上升，當電壓達到預定值后斷開預充繼電器(Spre)，閉合正極繼電器(Sp)，電機電壓迅速達到400V后穩定，預充電完成。

(2)預充電模擬算法

在LABVIEW程序算法中，利用1階RC電路來模擬電機的預充電過程。

根據庫侖定律:

根據基爾霍夫定律:

式(1)和式(2)聯立得

在式(3)中，可利用LABVIEW中移位寄存器實現兩個時間步長的電壓計算，從而得出當前電壓的數值。

(3)程序設計

根據電機預充電原理，對于HCU，須要實時檢測電機電壓，以保證加電邏輯的及時性。對于虛擬電機，接收HCU發送的繼電器控制參數后，經過預充電電路算法，將當前電壓反饋至HCU。本文中采用事件動態觸發的形式實現電機電壓的反饋，如圖6所示。將電壓值與目的ID地址捆綁到VCI_CAN_OBJ_R簇結構中，執行循環數據接收程序時生成一個用戶事件，將用戶事件設定成發送事件，以實現電機電壓的實時反饋，而HCU也可以根據此ID地址在CAN總線中接收到電機電壓信息。

3 上位機平臺的功能驗證

為實現上位機平臺功能的離線演示，開發了讀取離線數據的軟件接口。同時，為了實現開發平臺的數據采集功能，開發了CAN通信的硬件接口。

3.1 上位機平臺的離線演示

利用混合動力汽車專用仿真軟件PSAT獲得了一組混合動力汽車在中國典型城市公交工況下的仿真數據[6]，并利用上位機平臺的軟件接口，與仿真數據進行連接，從而實現了該平臺功能的離線演示。

離線演示平臺如圖7所示。對于電機預充電測試功能，離線演示和試驗測試不同，它直接將繼電器的加電邏輯嵌入到離線演示平臺中，用戶可通過更改電機預充電參數(如電機電容、預充電電阻和電池電壓等)實現不同條件下電機預充電測試功能的演示。另外，還模擬了預充電故障程序，當電機電壓反饋出現故障時，如果繼電器加電邏輯不變，預充電電阻會因過熱而爆炸。

3.2 上位機平臺的試驗測試

因為該平臺和混合動力總成系統之間采用CAN通信方式，所以只須設計一個具備混合動力整車系統所有控制器協議的CAN節點，即可在硬件上驗證該平臺的功能。本文中利用控制器快速原型dSPACE平臺，搭建了一套混合動力汽車虛擬試驗臺架，并設計了平臺與虛擬臺架的通信接口，實現了在虛擬臺架上測試開發平臺的通信功能，與上位機平臺構成了一套硬件在環(HIL)系統。這樣不僅大大提高了上位機平臺的開發效率，而且節省了開發成本。該平臺也可做成嵌入式的測試儀表，通過通信接口連接試驗臺架或整車，實現對混合動力汽車數據的實時采集。

(1)利用dSPACE仿真平臺搭建虛擬臺架

dSPACE是一套基于Matlab/Simulink的控制系統開發和半實物仿真的軟硬件工作平臺。在利用該平臺搭建的虛擬臺架中，其硬件部分為MicroBox，利用其內部提供的CAN總線I/O接口，直接將虛擬臺架連接到CAN總線中。軟件部分為試驗工具軟件ControlDesk，借助RTICAN工具箱，對上述混合動力客車整車仿真模型的數據按照相應的CAN通信協議進行接口配置，搭建了一個與實際臺架的通信功能相類似的虛擬臺架。其功能是將混合動力汽車中各控制器的數據按照一定的波特率發送至CAN總線，并接收上位機平臺發送至CAN總線上的數據。

(2)上位機平臺的CAN通信接口設計

周立功公司專門為ZLGCAN設備在PC上使用提供了虛擬CAN接口函數(VCI)，在LABVIEW中可直接通過調用動態鏈接庫函數節點使用這些庫函數。其調用流程如圖8所示。

(3)上位機平臺和虛擬臺架的通信連接

本文中采用周立功公司的USBCANⅡ型數據采集卡。其串口端通過USB轉串口線連接PC上位機，CAN端通過CAN_H和CAN_L兩根線連接虛擬臺架中的MicroBox。通信連接方式如圖9所示。

(4)開發平臺的試驗測試

混合動力汽車臺架數據通信測試與電機預充電測試不能同步工作，因此試驗測試須分成數據通信測試與預充電測試兩個模塊。試驗測試裝置如圖10所示。

①數據通信測試 觀察虛擬臺架和上位機平臺中發動機、電機、電池、離合器和整車的數據。結果表明，兩者的數據一致且同步，說明效率點追蹤、能量流動畫顯示和路況統計的通信準確，實時性好。

②電機預充電測試 啟動虛擬臺架中的電機預充電測試模塊時，數據通信模塊終止。虛擬臺架通過模擬HCU內部的加電邏輯對開發平臺中的虛擬電機進行預充電，而虛擬電機中的繼電器則相應動作，顯示預充電曲線，并將實時電壓反饋至虛擬臺架。試驗測試結果表明，開發平臺中的電機預充電測試功能簡便可靠，界面直觀生動。

4 結論

(1)本文中以一套單軸并聯式混合動力客車試驗臺架為背景，利用LABVIEW編程軟件，開發了一套新型的混合動力汽車上位機平臺，設計了4個新功能，包括發動機和電機效率點追蹤、能量流動畫顯示、不同樣本容量下的路況統計和電機預充電測試。

(2)設計了開發平臺與混合動力汽車仿真數據的軟件接口，實現了上位機平臺功能的離線演示。

(3)利用控制器快速原型dSPACE平臺，搭建了一套混合動力汽車虛擬臺架。通過在虛擬臺架中對開發平臺進行試驗測試，證明該上位機平臺具有通信準確、實時的優點，電機預充電測試功能可靠，不但較好滿足了混合動力系統開發的需求，而且其功能設計和良好的人機界面為控制策略的測試、改進和直觀演示提供了極大的方便。

[1]張彤，朱磊，袁銀南，等．基于CAN的混合動力汽車監控平臺的開發[J]．汽車工程，2008，30(6):495 －500．

[2]MassimoEeraolo，PaoloCapozzella，FedericoBaronti．CAN-Lab-View Based Development Platform for Fine-tuning Hybrid Vehicle Management Systems[J]．IEEE Transactions Oil Energy Conversion，2005，17(9)．

[3]Schmim G，Oligschlager U，et al．Automated System for Optimized of Engine Management System[C]．SAE Paper 940151．

[4]楊世春，李君，高瑩，等．混合動力車發動機輔助控制單元開發[J]．小型內燃機與摩托車，2008，37(1):62 －66．

[5]潘殊月，周雅夫．城市公交車行駛工況的研究[J]．機械設計與制造，2010(2):263 －265．

[6]張博．可外接充電混合動力汽車能量管理策略研究[D]．長春:吉林大學，2009．