一種基于LABVIEW的混合動(dòng)力汽車新型上位機(jī)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

李曉錦，王紅磊，倪計(jì)民，石秀勇

(1.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804;2.吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130025)

前言

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)混合動(dòng)力汽車的數(shù)據(jù)采集平臺(tái)已進(jìn)行過設(shè)計(jì)[1－3]，但存在著平臺(tái)界面不友好、數(shù)據(jù)不直觀等缺點(diǎn)。本文中利用圖形化的編程語(yǔ)言—LABVIEW，針對(duì)上述混合動(dòng)力汽車試驗(yàn)臺(tái)架中整車控制器(HCU)的數(shù)據(jù)采集問題，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套新型的混合動(dòng)力汽車上位機(jī)平臺(tái)，并對(duì)其功能進(jìn)行了離線演示和試驗(yàn)測(cè)試。

1 混合動(dòng)力客車試驗(yàn)臺(tái)架

為了推進(jìn)混合動(dòng)力汽車技術(shù)的發(fā)展，本文中搭建了一套混合動(dòng)力客車動(dòng)力總成的試驗(yàn)臺(tái)架[4]。該臺(tái)架為單軸并聯(lián)式，由發(fā)動(dòng)機(jī)、自動(dòng)離合器、電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)、離合器和電池組組成，如圖1所示。

從圖1可知，根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式，可分為6種基本工作模式:純電動(dòng)模式、純發(fā)動(dòng)機(jī)模式、混合驅(qū)動(dòng)模式、行車發(fā)電模式、制動(dòng)能量回收模式和怠速/停車模式。HCU、發(fā)動(dòng)機(jī)控制器(ECU)、電機(jī)控制器(PCU)、電池組管理系統(tǒng)(BMS)和離合器控制器(TCU)在CAN總線的連接下共同組成了一個(gè)車載CAN網(wǎng)絡(luò)。輔助控制器采集的狀態(tài)參數(shù)，通過CAN總線傳送給HCU，HCU根據(jù)車輛和發(fā)動(dòng)機(jī)的工況以及駕駛員的駕駛意圖進(jìn)行動(dòng)力總成能量分配。

2 上位機(jī)平臺(tái)的功能設(shè)計(jì)

針對(duì)并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車系統(tǒng)開發(fā)過程中的轉(zhuǎn)矩分配和電池SOC控制這兩大核心問題，分別為其上位機(jī)設(shè)計(jì)了效率點(diǎn)追蹤、能量流動(dòng)畫顯示和路況統(tǒng)計(jì)3種功能，以提高控制策略的開發(fā)效率。另外，由于試驗(yàn)中電機(jī)預(yù)充電控制策略不完善，還設(shè)計(jì)了電機(jī)預(yù)充電測(cè)試功能。

2.1 效率點(diǎn)追蹤

混合動(dòng)力汽車控制策略的優(yōu)化實(shí)質(zhì)上就是基于工況的需求，合理分配發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的功率/轉(zhuǎn)矩，在滿足排放和動(dòng)力性指標(biāo)的前提下追求最小的燃油消耗。轉(zhuǎn)矩分配策略的優(yōu)劣直接影響混合動(dòng)力汽車的節(jié)油效果，直觀實(shí)時(shí)地跟蹤發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的運(yùn)行效率對(duì)轉(zhuǎn)矩分配策略的驗(yàn)證和改進(jìn)具有重要意義，為此，該系統(tǒng)開發(fā)了效率點(diǎn)追蹤功能。圖2為發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)效率點(diǎn)追蹤圖。

圖2(a)中的黑色部分代表高效區(qū)，具有較低的燃油消耗率。圖2(b)中轉(zhuǎn)矩正為電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，轉(zhuǎn)矩負(fù)為發(fā)電機(jī)狀態(tài)。圖2中白色星點(diǎn)為發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的對(duì)應(yīng)工作點(diǎn)，該功能可實(shí)時(shí)顯示最近20個(gè)工作點(diǎn)的軌跡，時(shí)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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)工作點(diǎn)的調(diào)節(jié)軌跡，從而直觀地了解混合動(dòng)力控制策略的運(yùn)行效果。

2.2 能量流動(dòng)畫顯示

能量流動(dòng)畫顯示功能可實(shí)時(shí)顯示整車工況和對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)能量流動(dòng)情況，可用于直觀測(cè)試轉(zhuǎn)矩分配策略在混合動(dòng)力不同工作模式下的切換情況。

圖3為能量流動(dòng)情況及轉(zhuǎn)矩分配和路況等。程序中將采集的發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和離合器狀態(tài)作為控制參數(shù)，用箭頭控件指示能量流動(dòng)的方向。通過發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)轉(zhuǎn)矩梯度的顯示，可直觀地觀察到兩者轉(zhuǎn)矩分配的情況。結(jié)合能量流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和路況的實(shí)時(shí)顯示，可有效提高混合動(dòng)力車輛不同模式的切換策略和轉(zhuǎn)矩分配策略的標(biāo)定效率。

2.3 路況統(tǒng)計(jì)

車輛的行駛工況即為車速-時(shí)間歷程，綜合反映了當(dāng)前車速、加速度、怠速情況、行駛里程和運(yùn)行時(shí)間等運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，可用當(dāng)前車速和時(shí)間兩個(gè)變量來(lái)表示[5]。路況統(tǒng)計(jì)功能可實(shí)現(xiàn)不同時(shí)間樣本容量下整車運(yùn)行工況的數(shù)據(jù)采集分析和整理。臺(tái)架測(cè)試時(shí)，可反映近期所做試驗(yàn)數(shù)據(jù)的密度分布，為后期的試驗(yàn)內(nèi)容做參考;實(shí)車測(cè)試時(shí)，可為后期的路譜分析提供統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，從而為路線相對(duì)固定的混合動(dòng)力汽車(如混合動(dòng)力公交車)提供SOC控制的依據(jù)。

為便于觀察比較，設(shè)計(jì)了兩個(gè)時(shí)間樣本容量(分別為全程25min和局部5min)下的路況記錄，并進(jìn)行了概率統(tǒng)計(jì)，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(shí)間曲線表示，概率統(tǒng)計(jì)結(jié)果用直方圖表示。同時(shí)，所有的路況采集和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)都可保存在數(shù)據(jù)文件中，以備需要時(shí)調(diào)用。

2.4 虛擬電機(jī)預(yù)充電測(cè)試

在混合動(dòng)力汽車中，電機(jī)控制器電容初始狀態(tài)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(jìn)行限流，該過程稱為預(yù)充電。電機(jī)預(yù)充電過程靠HCU內(nèi)部的加電邏輯控制繼電器完成。由于預(yù)充電歷時(shí)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(yù)充電電阻的爆炸，所以在HCU的開發(fā)過程中，有必要對(duì)HCU加電邏輯的可靠性進(jìn)行測(cè)試。

本文中利用LABVIEW程序模擬預(yù)充電強(qiáng)電系統(tǒng)，用虛擬電機(jī)代替實(shí)際電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)預(yù)充電控制策略的離線測(cè)試，若充電過程中電壓電流發(fā)生異常，該系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警，從而大大地提高了預(yù)充電策略的開發(fā)效率和安全性。

(1)電機(jī)預(yù)充電原理

預(yù)充電電路圖如圖5所示。

電機(jī)預(yù)充電過程中，HCU的加電邏輯為:首先閉合負(fù)極繼電器(Sn)，閉合預(yù)充繼電器(Spre)后充電開始，這時(shí)電機(jī)電壓按照RC電路規(guī)律上升，當(dāng)電壓達(dá)到預(yù)定值后斷開預(yù)充繼電器(Spre)，閉合正極繼電器(Sp)，電機(jī)電壓迅速達(dá)到400V后穩(wěn)定，預(yù)充電完成。

(2)預(yù)充電模擬算法

在LABVIEW程序算法中，利用1階RC電路來(lái)模擬電機(jī)的預(yù)充電過程。

根據(jù)庫(kù)侖定律:

根據(jù)基爾霍夫定律:

式(1)和式(2)聯(lián)立得

在式(3)中，可利用LABVIEW中移位寄存器實(shí)現(xiàn)兩個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的電壓計(jì)算，從而得出當(dāng)前電壓的數(shù)值。

(3)程序設(shè)計(jì)

根據(jù)電機(jī)預(yù)充電原理，對(duì)于HCU，須要實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)電壓，以保證加電邏輯的及時(shí)性。對(duì)于虛擬電機(jī)，接收HCU發(fā)送的繼電器控制參數(shù)后，經(jīng)過預(yù)充電電路算法，將當(dāng)前電壓反饋至HCU。本文中采用事件動(dòng)態(tài)觸發(fā)的形式實(shí)現(xiàn)電機(jī)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(jié)構(gòu)中，執(zhí)行循環(huán)數(shù)據(jù)接收程序時(shí)生成一個(gè)用戶事件，將用戶事件設(shè)定成發(fā)送事件，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)電壓的實(shí)時(shí)反饋，而HCU也可以根據(jù)此ID地址在CAN總線中接收到電機(jī)電壓信息。

3 上位機(jī)平臺(tái)的功能驗(yàn)證

為實(shí)現(xiàn)上位機(jī)平臺(tái)功能的離線演示，開發(fā)了讀取離線數(shù)據(jù)的軟件接口。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)開發(fā)平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集功能，開發(fā)了CAN通信的硬件接口。

3.1 上位機(jī)平臺(tái)的離線演示

利用混合動(dòng)力汽車專用仿真軟件PSAT獲得了一組混合動(dòng)力汽車在中國(guó)典型城市公交工況下的仿真數(shù)據(jù)[6]，并利用上位機(jī)平臺(tái)的軟件接口，與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行連接，從而實(shí)現(xiàn)了該平臺(tái)功能的離線演示。

離線演示平臺(tái)如圖7所示。對(duì)于電機(jī)預(yù)充電測(cè)試功能，離線演示和試驗(yàn)測(cè)試不同，它直接將繼電器的加電邏輯嵌入到離線演示平臺(tái)中，用戶可通過更改電機(jī)預(yù)充電參數(shù)(如電機(jī)電容、預(yù)充電電阻和電池電壓等)實(shí)現(xiàn)不同條件下電機(jī)預(yù)充電測(cè)試功能的演示。另外，還模擬了預(yù)充電故障程序，當(dāng)電機(jī)電壓反饋出現(xiàn)故障時(shí)，如果繼電器加電邏輯不變，預(yù)充電電阻會(huì)因過熱而爆炸。

3.2 上位機(jī)平臺(tái)的試驗(yàn)測(cè)試

因?yàn)樵撈脚_(tái)和混合動(dòng)力總成系統(tǒng)之間采用CAN通信方式，所以只須設(shè)計(jì)一個(gè)具備混合動(dòng)力整車系統(tǒng)所有控制器協(xié)議的CAN節(jié)點(diǎn)，即可在硬件上驗(yàn)證該平臺(tái)的功能。本文中利用控制器快速原型dSPACE平臺(tái)，搭建了一套混合動(dòng)力汽車虛擬試驗(yàn)臺(tái)架，并設(shè)計(jì)了平臺(tái)與虛擬臺(tái)架的通信接口，實(shí)現(xiàn)了在虛擬臺(tái)架上測(cè)試開發(fā)平臺(tái)的通信功能，與上位機(jī)平臺(tái)構(gòu)成了一套硬件在環(huán)(HIL)系統(tǒng)。這樣不僅大大提高了上位機(jī)平臺(tái)的開發(fā)效率，而且節(jié)省了開發(fā)成本。該平臺(tái)也可做成嵌入式的測(cè)試儀表，通過通信接口連接試驗(yàn)臺(tái)架或整車，實(shí)現(xiàn)對(duì)混合動(dòng)力汽車數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。

(1)利用dSPACE仿真平臺(tái)搭建虛擬臺(tái)架

dSPACE是一套基于Matlab/Simulink的控制系統(tǒng)開發(fā)和半實(shí)物仿真的軟硬件工作平臺(tái)。在利用該平臺(tái)搭建的虛擬臺(tái)架中，其硬件部分為MicroBox，利用其內(nèi)部提供的CAN總線I/O接口，直接將虛擬臺(tái)架連接到CAN總線中。軟件部分為試驗(yàn)工具軟件ControlDesk，借助RTICAN工具箱，對(duì)上述混合動(dòng)力客車整車仿真模型的數(shù)據(jù)按照相應(yīng)的CAN通信協(xié)議進(jìn)行接口配置，搭建了一個(gè)與實(shí)際臺(tái)架的通信功能相類似的虛擬臺(tái)架。其功能是將混合動(dòng)力汽車中各控制器的數(shù)據(jù)按照一定的波特率發(fā)送至CAN總線，并接收上位機(jī)平臺(tái)發(fā)送至CAN總線上的數(shù)據(jù)。

(2)上位機(jī)平臺(tái)的CAN通信接口設(shè)計(jì)

周立功公司專門為ZLGCAN設(shè)備在PC上使用提供了虛擬CAN接口函數(shù)(VCI)，在LABVIEW中可直接通過調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)函數(shù)節(jié)點(diǎn)使用這些庫(kù)函數(shù)。其調(diào)用流程如圖8所示。

(3)上位機(jī)平臺(tái)和虛擬臺(tái)架的通信連接

本文中采用周立功公司的USBCANⅡ型數(shù)據(jù)采集卡。其串口端通過USB轉(zhuǎn)串口線連接PC上位機(jī)，CAN端通過CAN_H和CAN_L兩根線連接虛擬臺(tái)架中的MicroBox。通信連接方式如圖9所示。

(4)開發(fā)平臺(tái)的試驗(yàn)測(cè)試

混合動(dòng)力汽車臺(tái)架數(shù)據(jù)通信測(cè)試與電機(jī)預(yù)充電測(cè)試不能同步工作，因此試驗(yàn)測(cè)試須分成數(shù)據(jù)通信測(cè)試與預(yù)充電測(cè)試兩個(gè)模塊。試驗(yàn)測(cè)試裝置如圖10所示。

①數(shù)據(jù)通信測(cè)試 觀察虛擬臺(tái)架和上位機(jī)平臺(tái)中發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、電池、離合器和整車的數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，兩者的數(shù)據(jù)一致且同步，說明效率點(diǎn)追蹤、能量流動(dòng)畫顯示和路況統(tǒng)計(jì)的通信準(zhǔn)確，實(shí)時(shí)性好。

②電機(jī)預(yù)充電測(cè)試 啟動(dòng)虛擬臺(tái)架中的電機(jī)預(yù)充電測(cè)試模塊時(shí)，數(shù)據(jù)通信模塊終止。虛擬臺(tái)架通過模擬HCU內(nèi)部的加電邏輯對(duì)開發(fā)平臺(tái)中的虛擬電機(jī)進(jìn)行預(yù)充電，而虛擬電機(jī)中的繼電器則相應(yīng)動(dòng)作，顯示預(yù)充電曲線，并將實(shí)時(shí)電壓反饋至虛擬臺(tái)架。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，開發(fā)平臺(tái)中的電機(jī)預(yù)充電測(cè)試功能簡(jiǎn)便可靠，界面直觀生動(dòng)。

4 結(jié)論

(1)本文中以一套單軸并聯(lián)式混合動(dòng)力客車試驗(yàn)臺(tái)架為背景，利用LABVIEW編程軟件，開發(fā)了一套新型的混合動(dòng)力汽車上位機(jī)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了4個(gè)新功能，包括發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)效率點(diǎn)追蹤、能量流動(dòng)畫顯示、不同樣本容量下的路況統(tǒng)計(jì)和電機(jī)預(yù)充電測(cè)試。

(2)設(shè)計(jì)了開發(fā)平臺(tái)與混合動(dòng)力汽車仿真數(shù)據(jù)的軟件接口，實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)平臺(tái)功能的離線演示。

(3)利用控制器快速原型dSPACE平臺(tái)，搭建了一套混合動(dòng)力汽車虛擬臺(tái)架。通過在虛擬臺(tái)架中對(duì)開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，證明該上位機(jī)平臺(tái)具有通信準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的優(yōu)點(diǎn)，電機(jī)預(yù)充電測(cè)試功能可靠，不但較好滿足了混合動(dòng)力系統(tǒng)開發(fā)的需求，而且其功能設(shè)計(jì)和良好的人機(jī)界面為控制策略的測(cè)試、改進(jìn)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(dòng)力汽車監(jiān)控平臺(tái)的開發(fā)[J]．汽車工程，2008，30(6):495 －500．

[2]MassimoEeraolo，PaoloCapozzella，F(xiàn)edericoBaronti．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(dòng)力車發(fā)動(dòng)機(jī)輔助控制單元開發(fā)[J]．小型內(nèi)燃機(jī)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(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010(2):263 －265．

[6]張博．可外接充電混合動(dòng)力汽車能量管理策略研究[D]．長(zhǎng)春:吉林大學(xué)，2009．