混合動力汽車整車控制策略建模及硬件在環仿真

杜常清 甘雯雯 張佩 沈姝

（武漢理工大學，現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室,汽車零部件技術湖北省協同創新中心，武漢 430070）

混合動力汽車整車控制策略建模及硬件在環仿真

杜常清 甘雯雯 張佩 沈姝

（武漢理工大學，現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室,汽車零部件技術湖北省協同創新中心，武漢 430070）

采用基于模型的方法進行混合動力整車控制策略開發，建立了系統連接、模式判定、轉矩計算以及故障診斷等模塊。基于Simulink環境對整車控制策略進行分層次建模，使整車控制策略的邏輯更清晰、調試更便利。搭建了基于dSPACE的硬件在環仿真平臺，對硬件在環測試過程進行了分析。測試結果表明，所設計的整車控制器能夠控制車輛按照預期情況完成加減速、模式切換等各項操作，驗證了該整車控制器邏輯的正確性以及硬件在環系統在產品研發過程中的優越性。

1 前言

混合動力系統的控制邏輯和算法較為復雜，加上信號處理和硬件接口匹配任務繁多，在開發的過程中如果直接依托臺架試驗平臺或實車平臺，將大大增加開發成本和周期。而硬件在環（hardware in the loop，HIL）仿真測試是一種進行控制邏輯和控制算法驗證優化的有效手段，可以縮短開發周期，降低項目開發風險，因而在控制系統開發中得到了大量應用。

目前，在新能源汽車領域，硬件在環技術主要用于對整車控制系統、BMS電池管理系統和MCU電機控制器的仿真測試[1～5]，但上述研究往往集中于系統功能的驗證，忽略了對于復雜控制系統建模方法的探討。本文采用基于模型的方法對混合動力汽車整車控制策略進行了分層次建模，搭建了基于dSPACE的硬件在環仿真測試平臺，利用該平臺對建立的整車控制策略進行了硬件在環仿真，通過仿真進一步驗證和優化了混合動力系統的控制邏輯和控制算法。

2 混合動力系統控制策略設計

2.1 并聯式混合動力系統

以某并聯式混合動力系統為研究對象，其主要部件參數及結構分別如表1和圖1所示。由圖1可看出，整車控制器HCU通過CAN總線實現與電池管理系統BMS、電機控制器MCU、變速器控制器TCU和發動機管理單元ECU的通訊，其中HCU與ECU之間的通訊通過兩者之間的私有CAN實現。

表1 并聯式混合動力系統主要部件參數

圖1 并聯式混合動力系統結構示意

2.2 整車控制策略建模

2.2.1 系統開發流程

混合動力汽車整車控制系統是一個集離散事件與連續事件為一體的混合仿真系統，對于此類系統的開發，通常結合Stateflow和Simulink進行綜合建模。本文建立的控制策略模型主要包含基于Stateflow的離散事件模型、基于Simulink的連續系統模型以及兩者的接口模型等3個部分。整車控制系統開發流程如圖2所示。

圖2 整車控制系統開發流程

根據用戶協議定義系統的頂層結構以及模塊的劃分。圖3列出了17個子模塊，分別對應17個子系統，加上對各模塊執行順序進行控制的主模塊（圖4），頂層結構中共包括18個模塊。

圖3 控制系統子模塊

圖4 主模塊流程示意

2.2.2 子系統建模

由圖3和圖4可知，整車控制策略模型運行時最先觸發的是輸入信號處理模塊和整車工作模式判定模塊（圖5）。

圖5 整車工作模式判定

各子系統功能如下。

a.輸入信號處理模塊主要完成數據類型轉換、信號消抖處理、變量轉換以及對同類開關信號或故障進行集中，減少后續連線等。

b.整車工作模式包括行車準備、行車、充電，在系統連接之前進行工作模式的判定能夠讓整個控制邏輯更加有條不紊。

c.對于連接模塊以及整車工作模式判定模塊，采用狀態轉換的方式對系統的工作過程進行描述。

d.整車駕駛意圖判定模塊包括踏板信號解析、電池SOC計算、發動機起動需求判斷、電機驅動需求判斷、整車傳動系統狀態等，采用了基于規則的控制策略。

e.轉矩分配模塊主要根據駕駛意圖判定模塊輸出的傳動系統狀態，計算不同狀態下的發動機和電機的需求轉矩。

f.電機模式計算模塊根據電機當前的工作模式（轉矩或轉速）對轉矩分配模塊輸出的需求轉矩進行處理，并輸出最終的電機、發動機轉矩需求，以及電機工作模式與工作狀態（驅動/發電）。

g.故障處理模塊針對不同的行車模式對連接信號故障、傳感器信號故障以及采集到的故障信號判斷并分類，同時輸出相應的故障代碼。

h.系統保護模塊是對故障處理模塊確認后的信號進行針對性地處理。在行車準備及行車狀態下，根據故障信息確定是否降低系統輸出功率、關閉電驅動系統或提示駕駛員停車等。在充電狀態主要對電池系統的故障進行判斷，確定是否需要停止充電。

i.冷卻系統模塊管理電機系統水循環以及電機系統、發動機和空調系統的綜合風扇散熱請求。其中水循環系統采用溫差延時控制，可避免在某一水溫區水泵頻繁啟停。

j.空調響應模塊僅在行車模式下運行，包括空調使能判斷以及制冷、制熱的實現。

k.顯示系統信息處理模塊主要計算發送給儀表的各種信息，以及控制儀表報警蜂鳴器。

l.輸出信號處理模塊主要包含整車充電時的默認輸出管理、整車誤操作狀態的默認輸出管理和輸出信號整理等3部分。

2.2.3 系統集成

完成子系統的建模與測試后，將各子系統集成在一起，通過主模塊實現對各模塊的調用。該過程中涉及到不同系統之間的連接問題，本文采用bus creator/selector模塊實現模塊間變量的傳遞，以提高建模的效率，增強模型的可讀性。對集成后的模型進行編譯，將生成的代碼下載到MicroAutobox中即為整車控制器。

3 硬件在環仿真測試平臺的搭建

將dSPACE公司提供的整車環境模型通過編譯下載到HIL機柜中，與整車控制器MicroAutobox通過接口系統連接起來完成閉環測試，如圖6所示。HIL機柜包含程控電源、PX20機箱、負載及故障注入單元3個部分。其中PX20包括20個插槽，用于安裝處理器板卡和IO板卡。硬件在環系統構架如圖7所示。

圖6 測試平臺主要部件連接圖

4 硬件在環測試

通過硬件在環測試對整車控制策略在不同工況下的車速、擋位、發動機和電機的輸出轉矩及轉速等信號以及各種運動狀態之間的切換進行觀測，驗證控制策略邏輯的正確性。其中換擋邏輯在整車環境中進行定義，采用雙參數組合型換擋規律，如圖8所示。

圖8 換擋規律

4.1 開環測試

開環測試主要用于定標（或標定）HCU引腳信號值與物理值之間的關系曲線，確保連接HCU引腳的輸入、輸出信號、總線信號正常，同時為閉環測試提供必要條件。開環測試的內容包括傳感器信號定標，執行器信號定標以及CAN總線信號測試。

4.2 閉環測試

完成開環定標之后，將控制器HCU與模擬被控對象行為的仿真器連接起來，在實時環境下對HCU的控制功能、通信功能、診斷功能等進行測試，此測試即為閉環測試。

4.2.1 測試用例設計

閉環測試的目的是利用硬件在環系統檢測本文整車控制策略能否準確地控制車輛完成啟動、加減速、換擋、模式切換等動作，包括手動測試和自動測試兩部分。

4.2.1.1 手動測試

通過調節踏板信號值模擬各種典型工況，監測車輛行駛狀態，判斷HCU的駕駛員意圖解析是否準確，以及各種典型工況下能否控制車輛完成相應的操作。測試用例設計為：HCU上電后，將擋位設置為D擋，松開制動踏板并猛踩加速踏板，車輛起動并開始急加速；當達到最高車速后穩定一段時間，然后松開加速踏板開始制動，使車輛進入怠速狀態；一段時間后松開制動踏板，踩加速踏板至純電動狀態，最后全力加速。SOC初始值設為0.5。

4.2.1.2 自動測試

給定駕駛循環，測試車輛能否按照預定的車速自動駕駛及各項參數是否正常。測試用例設計為：將車輛的運行模式設置為駕駛循環工況，開始仿真后車輛按照預定的工況行駛，在行駛過程中，駕駛員模型調節車輛自動跟隨目標車速，不需要手動對車輛進行任何操作。SOC初始值設為0.5，直接從混合驅動模式開始進行測試。

4.2.2 測試結果分析

4.2.2.1 手動測試結果

手動測試的加速、制動踏板信號如圖9所示。圖10為監測到的車速、擋位、總驅動力轉矩、發動機/電機輸出轉速、實際輸出轉矩與期望轉矩對比及整車工作模式，其中，總的驅動力轉矩為電機輸出轉矩與發動機輸出轉矩之和；發動機實際輸出轉矩包括缸內燃燒產生的平均轉矩及機械摩擦轉矩兩部分；整車工作模式中的0～6分別代表初始化、純電動、純發動機、驅動發電、混合驅動、再生制動、制動等。

圖9 加速、制動踏板信號

圖10 手動測試結果

結合圖9和圖10可知，車輛起步瞬間，發動機轉速為0，此時發動機沒有轉矩輸出，車輛工作在純電動模式；加速踏板繼續維持在最大開度時，發動機起動，進入混合驅動狀態；車輛維持在高速狀態一段時間后，松開加速踏板，踩下制動踏板，進入再生制動模式；制動踏板信號持續有效，發動機進入怠速狀態，變速器置空擋，切斷了動力系統與傳動系統的動力傳遞，車輛返回初始化狀態；再次加速時，由于加速踏板開度較小，車速較低，整車需求轉矩較小，車輛進入純電動模式。

由圖10b和圖10d可看出，整車控制器能夠控制變速器完成相應的升、降擋操作，并且換擋瞬間發動機轉速和電機轉速有所降低，符合實際車輛運行情況。

上述測試結果表明，HCU能夠準確地完成駕駛員意圖解析，同時控制車輛完成各種典型工況。

4.2.2.2 自動測試結果

選擇城市道路行駛工況（ECE）+市郊行駛工況（EUDC）為目標工況，ECE工況測試時間持續780 s，總行駛里程為4.052 km，平均車速為18.7 km/h；EUDC工況測試時間為400 s，行駛里程為6.955 km，平均車速為62.6 km/h，該工況最高車速為120 km/h。

圖11為期望車速與實際車速對比結果，由圖11可看出，駕駛員模型能夠控制車輛較好地實現車速跟蹤，整個駕駛循環中車輛的油耗為6.11 L/100 km，具有較好的經濟性。

圖12為監測到的踏板信號、擋位變化、發動機實際輸出轉矩信號、電機的實際輸出轉矩信號以及整車工作模式和電池SOC變化曲線。從圖12可看出，在0～200 s內，當車速較低、整車需求轉矩較小時，車輛以純電動模式運行；需求轉矩進一步增大時，發動機起動，結合當前電池SOC狀態控制車輛進入混合驅動模式（SOC偏高）或驅動發電模式（SOC偏低），通過再生制動和驅動發電兩種方式維持電池SOC處于相對穩定的狀態，由上述可知，車輛各項運行指標符合預期情況。

圖12 自動測試結果

5 結束語

混合動力整車控制系統是一個集離散事件與連續事件為一體的復雜控制系統，本文采用基于模型的方法對該系統進行開發，并在HIL系統中進行功能驗證，結果表明，本文設計的整車控制系統模型能夠達到預期的控制功能和效果。通過硬件在環測試對整車控制系統模型進行了驗證，該方法可在不依賴實車的環境下對控制模型進行測試和優化，是一種高效便利的開發方法，提高了整車控制系統的開發效率。

1 Christopher Masjosthusmann.A Vehicle Energy Manage?ment System for a Battery Electric Vehicle.2012 IEEEVehi?cle Power and Propulsion Conference,Oct.9-12,2012, Seoul,Korea.

2 Haifeng Dai,Xiaolong Zhang.Cell-BMS validation with a hardware-in-the-loop simulation of lithium-ion battery cells for electric vehicles.Electrical Power and Energy Sys? tems,2013（52）:174～184.

3 Schulte,T.Bracker,J.Real-Time Simulation of BLDC Mo?tors for Hardware-in-the-Loop Applications Incorporating Sensorless Control.Industrial Electronics,2008:2195-2200.

4 Jo?o Pedro F.Trov?o.A Real-Time Energy Management Ar?chitecture for Multisource Electric Vehicles.INDUSTRIAL ELECTRONICS,VOL.62,NO.5,MAY 2015.

5 張為,王偉達.基于dSPACE的ASR硬件在環仿真平臺開發及ECU性能試驗.汽車技術,2009（4）:4～9.

6 劉永剛,秦大同，彭志遠，等.新型混合動力系統硬件在環試驗研究.中國機械工程,2014,24（17）：2374～2380.

7 Jason J.Poon,Michel A.Kinsy.Hardware-in-the-Loop Testing for Electric Vehicle Drive Applications.Applied Power Electronics Conference and Exposition,2012:2576～2582.

（責任編輯文 楫）

修改稿收到日期為2016年6月22日。

圖13 參數單一光導亮度模擬結果

為了避免這種情況，距LED光源不同距離的光導齒設計參數應不相同，通過調節齒高、齒寬、齒距、起始角、結束角，實現均勻出光。

基于上述考慮對某光導參數進行了設計，具體參數如表4所示，起始角參數與到LED光源的距離滿足直線方程，齒高與LED光源的距離，采用了分段直線方程，齒寬4 mm、齒距2 mm保持不變，亮度模擬結果如圖14所示。

由圖14可知，參數調整后光導亮度均勻性遠優于優化前，亮度均勻性基本符合要求，但仍存在較大的優化空間，還需要進一步改進。

表4 光導參數設置

圖14 參數變化后光導亮度模擬結果

5 結束語

本文模擬分析了側面發光光導各參數對側面發光效率的影響，得到的結論為：光導齒高、齒寬、光導齒密度越大、齒距越小，側面發光效率越高；在工藝允許范圍內，光導齒起始角越大、結束角越小，光導側面發光效率越高，同時起始角還決定了光導的出光方向。

上述僅是光導各參數對發光效率影響的定性結論，如何在保證光導亮度符合均勻性要求的條件下，定量計算光導參數的設計值是繼續研究的方向。

參考文獻

1 啟萌工業設計有限公司.強光光導的基本原理,2012.

2 徐瑞麟.光導系統在汽車照明中的應用：[學位論文].上海：復旦大學，2008.

3 唐樹明.車燈光導中鋸齒寬度和深度對點亮外觀的影響.汽車零部件，2013（11）：57～58.

（責任編輯斛 畔）

修改稿收到日期為2016年7月22日。

Modeling and Hardware-In-the-Loop Simulation of HEV Control Strategies

Du Changqing,Gan Wenwen,Zhang Pei,Shen Shu
（Wuhan University of Technology,Hubei Key Laboratory of Advanced Technology for Automotive Components,Hubei Collaborative Innovation Center for Automotive Components Technology,Wuhan 430070）

Model-based approach was applied to the development of the control strategies of hybrid electric vehicle, and modules like system conjunction,mode decision,torque calculation and fault diagnosis have been established.The vehicle control strategies were built hierarchically in Simulink that make vehicle control strategy logic more clear,and make the debugging more convenient.Hardware-in-the-loop(HIL)test platform was developed based on dSPACE,and the HIL test process was analyzed.Test results indicated that the designed vehicle controller can complete acceleration, deceleration,gear shifting and some other operations accurately as desired.The result validated the control logic of the vehicle controller and the superiority of HIL in product development.

HEV,Vehicle control strategy,HIL

混合動力汽車 整車控制策略 硬件在環仿真

U461.2；TP319.9

A

1000-3703（2016）12-0031-05