四模混合動力汽車控制器硬件在環系統設計

陳 亮，朱 浩，楊 林，閆 斌，胡艷青，鄢 挺

（1.湖南大學，湖南 長 沙 410082；2.上海交通大學汽車電子技術研究所，上海 200240）

為適應汽車節能減排的要求，混合動力汽車技術在全球得到了快速發展。相對于傳統內燃機，混合動力系統不僅包含發動機，還包含有電機、動力電池、機電耦合傳動等子系統［1］，是一種典型的多能源系統，其控制比傳統內燃機復雜很多。傳統道路測試費用高、周期長，測試安全性難以保證，難以實現某些極限條件下的測試［2－3］。因此，有必要采用基于硬件在環仿真（HIL）測試系統的混合動力控制器開發、測試流程，其中的關鍵技術是HIL系統的架構與模型。

對于現有成熟的混合動力系統，由于其機電耦合模式方面的不足，節能減排的實際表現大多還難以達到人們期望的水平。為此，本研究擬針對一種新型的四模混合動力系統，進行混合動力控制器（Hybrid Control Unit，HCU）硬件在環仿真測試系統研究，并通過對HCU的控制策略測試，驗證該HIL系統的有效性。

1 四模混合動力系統

本研究的四模混合動力系統為典型的混聯式混合動力系統構型（見圖1），其中包括發動機ICE、電控離合器C、電動／發電機MG1、行星齒輪系、2個擋位的耦合箱齒輪傳動系 Gear－Box、電動／發電機MG2、后橋速比Fd及輸出軸Out－shaft。通過對Gear－Box和離合器的控制，可以實現單電機純電驅動、雙電機純電驅動、串聯驅動和混聯驅動等4種驅動模式。通過對MG2電機轉速的控制，利用行星齒輪系的工作原理，可實現無級變速控制。因此，該系統對城市客車、城際客車都具有顯著的節油效果，不僅可用作動力電池電量維持型的常規混合動力汽車，還可用于插電混合動力汽車。前期的仿真研究表明，基于該系統的電量維持型客車，按城市公交工況運行的節油率可達35%以上，按高速公路工況運行的節油率也可達20%以上。

2 硬件在環測試系統架構及功能

HIL系統的主要功能要求：

1）能對控制策略進行驗證和優化；

2）能用于控制器軟硬件調試和測試；

3）能用于控制參數標定；

4）能用于故障模擬和OBD測試；

5）能用于整車運行工況模擬測試與能耗、排放、動力性等性能仿真測試；

6）能進行傳感器、執行器模擬和CAN通信測試；

7）結果自動保存和測試報表自動生成。

圖2示出所設計的HIL系統架構，包括宿主機、目標機、HIL處理器、接口系統、待測控制器等。宿主機建立的監測系統可對HIL模型中的重要參數進行實時監測或對已標定好的參數進行優化標定；目標機用于存放HIL模型、實時代碼轉換與下載。為便于模型開發和系統架構驗證，HIL處理器采用了AutoBox中的DS1006處理器板進行系統模型實時仿真運行，DS2202CAN、AD與DA接口完成數字信號和模擬信號的交互。特別地，為了克服現有大多HIL系統由于缺乏執行器模擬功能而不能滿足對控制器硬件可靠性、動態響應特性測試要求的問題，本研究設計了執行器等效電路模擬器，主要包括電控離合器執行器、換擋機構執行器、電機和發動機熱管理執行器。

3 HIL模型

為了能給整車控制器（HCU）提供更加真實的測試環境，本研究測試系統通過 Matlab／Simulink軟件建立實時仿真模型來模擬包括駕駛員在內的整車真實部件。各模型的輸入輸出參數分別代表著駕駛員的駕駛習慣及整車在實際環境中各部件的運行狀態。整車HIL模型包括駕駛員模型、發動機模型、電機模型、電池模型、附件功率模型以及以行星齒輪系為核心的機電耦合動力傳動模型等。

3.1 駕駛員模型

為了自動跟隨測試動態工況，駕駛員模型主要由一個PID控制器組成（見圖3）。以目標車速與實際車速作為輸入量，駕駛員踏板（油門踏板或制動踏板）開度為輸出量：

式中：PAcc／Brk為駕駛員模型產生的油門或制動踏板開度；P，I，D為PID調節器中比例項、積分項及微分項系數；ΔV，VActual，VDmnd分別為車速偏差、實際車速以及目標車速。

3.2 發動機模型

考慮到真實發動機及其燃燒過程的復雜性以及混合動力系統控制中對發動機的瞬態抑制，本研究對發動機模型進行了簡化，如圖4所示。以試驗計算得到的發動機外特性、萬有特性、起動油耗、拖轉扭矩等數據建立表格，通過一維或二維插值方法來獲取發動機油門控制、轉速控制、轉矩控制等不同控制模式下發動機的運行狀態參數、燃油消耗率。在轉速控制模式下，通過整車控制器的指令轉速與發動機當前實際轉速的轉速閉環調節輸出發動機當前實際扭矩，同時通過發動機當前轉速與實際扭矩的二維插值查表得到發動機的燃油消耗率。

3.3 排放模型

對于混合動力汽車而言，尾氣排放也是衡量混合動力汽車性能的重要指標。本研究的硬件在環測試系統增添了一個車輛排放模型，以便在仿真測試時對控制策略進行優化以減少尾氣排放。由于基于燃燒模型、排放模型和催化器催化反應理論的模型難以滿足HIL系統的實時性要求，因此本研究基于試驗數據，以二維插值的方式得到尾氣排放量（見圖5），其輸入為發動機模型輸出的扭矩與轉速。

3.4 電機模型

電機模型的輸入主要包括來自HCU的指令、電機的當前轉速及電機輸入電壓。其中，來自HCU的指令包括電機的控制狀態指令、轉速指令和扭矩指令。電機模型的輸出主要包括電機實際扭矩、電機直流母線電流等。其中，按電動模式運行時電機模型輸出的扭矩為正，按發電模式運行時電機扭矩為負。所建立的電機模型見圖6。電機扭矩TMG、轉速ωMG、ηMG、電機需求功率PMGE、電機電流IMG、電壓VMG滿足如下關系：

3.5 電池模型

混合動力客車中的動力電池主要用于驅動電機、在整車制動過程中回收能量以及給車載空調、空氣電泵等電力附件提供能量。動力電池的充放電過程是一個受溫度、電流、電壓等多參數影響的化學反應過程［4］，該過程具有很強的非線性度和時變特性，實際中通過電池理論模型難以準確地模擬電池的充放電特性。本研究中的電池模型采用的是電池的等效電路模型（見圖7）。

簡化后的電池模型可視為由一個理想開路電壓源與一個內阻組成的系統［5－6］，兩者均受電池SOC與溫度的影響。硬件在環測試系統中電池模型主要用于模擬實際電池系統在滿足當前電機功率需求前提下，計算出電池荷電狀態值BP＿SOC、電池溫度BP＿Temp、最大充放電功率 Pmax＿ch、Pmax＿dis以及電池電壓BP＿V。BP＿SOC的計算公式為式中：SOCinit是電池SOC初始值；C為電池容量，ISOC為電池電流。

3.6 機電耦合動力傳動與整車動力學模型

為滿足不同混合動力系統構型的需要，HIL系統中，機電耦合動力傳動模型設計有幾種典型的構型供選用，同時也可通過二次開發界面建立新系統模型。圖1所示的四模系統采用以行星齒輪系［7］（見圖8）為主的機電耦合機構：

式中：ωs為太陽輪轉速；ωr為外齒圈轉速；ωc為行星架轉速；R，S分別為外齒圈和太陽輪的半徑。

根據圖1，當離合器分離時行星輪系的外齒圈只與MG1相連，可實現整車的純電驅動，驅動能量全部由動力電池系統提供；當離合器結合時發動機和MG1均與外齒圈相聯，發動機的輸出功率除了用于驅動車輛外，還可通過MG1對動力電池組進行充電。整個行星齒輪系的太陽輪與MG2相連，行星架則與整車驅動軸相連。

以離合器結合為例，圍繞行星輪系建立的動力學方程如下：

式中：ωMG2′，ωr′，ω′c分別為 MG2、外齒圈及行星架的角加速度；JMG2，JMG1，Je，Jr，Jc為 MG2、MG1、發動機、外齒圈以及行星架各自的轉動慣量；TMG2，TMG1，Te，TBrake分別為 MG2、MG1、發動機產生的扭矩以及整車制動產生的制動扭矩；F為行星輪系中產生的內力；rtire為輪胎半徑；ρ為空氣密度；A為迎風面積；Cd為空氣阻力系數；fd為整車后橋傳動比；f為輪胎滾動阻力系數。式（4）～式（6）的矩陣形式表達為

4 人機交互系統

人機交互系統作為混合動力整車控制器硬件在環仿真測試的重要環節，不但可與實時程序進行數據交換、實時曲線跟蹤、實時數據（如發動機、電機轉速）記錄，還能滿足測試者對重要標定參數反復的調節和修正［8］。其中，標定功能基于CCP協議。用于HCU控制策略測試的監控界面見圖9。基于該監控界面，可以設置參數、注入故障，選擇實現所設計的各項功能，還可以通過在線或離線的方式對試驗結果進行分析，功能齊全，容易維護，具有良好的擴展性和可移植性。

5 測試驗證與結果分析

本研究以用于城市公交客車（見表1）的四模混合動力系統控制器為對象，測試驗證了硬件在環測試系統的各種功能。

對于車輛行駛工況模擬測試，HIL系統可以通過監控界面輸入任意待測工況。圖10示出典型城市公交工況的測試情況，仿真步長設置為0.001s。實際車速很好地跟隨了目標車速，在整個循環工況中的車速跟隨誤差僅1%～5%。這說明被測HCU的動力控制策略是正確的，也驗證了本研究HIL系統的駕駛員模型具有較高精度。

表1 車輛參數

圖11示出動力電池SOC和發動機、MG1電機、MG2電機的轉速、轉矩以及機電耦合機構擋位變化歷程。由圖可見：被測HCU能將SOC控制在設定窗口內；能準確控制自動換擋，在車輛低速與起步時主要采用1擋，高速時主要采用2擋；能合理分配控制發動機、2個電機的扭矩和轉速，能實現有效的制動能量回收控制、四種驅動模式控制、自動起停控制等控制功能；發動機轉速處于高效運行區間，即能正確實現無級變速控制功能。驗證結果表明，HCU能量控制策略是正確、可靠的，與實際系統的臺架模擬測試結果相當，也驗證了HIL系統模型具有較高精度。

6 結束語

本研究所設計的四模混合動力汽車控制器硬件在環仿真測試HIL系統，將傳感器和執行器實際模擬與模型模擬相結合，不僅可用于控制策略研究，還可用于控制器軟硬件功能性能和可靠性測試、參數標定、故障模擬和OBD測試、傳感器和執行器模擬、CAN通信測試及整車工況模擬與能耗、排放等性能分析。通過對被測HCU的硬件在環仿真測試，表明HIL系統準確可靠地實現了所設計的功能，滿足控制器在環測試的實時性要求，具有較高的精度。

HIL系統雖以四模混合動力系統控制器為對象進行設計和測試驗證，但系統架構確保了該HIL也可用于其他各類混合動力系統控制器的HIL測試。下一步，將通過采用自主開發的HIL ECU和接口系統硬件降低系統成本，以促進系統的推廣應用。

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