殘余總線仿真平臺在新能源汽車上的應(yīng)用

熊杰，金振華,2

(1.清華大學汽車工程系國家重點實驗室，北京 100084；2.北京電動車輛協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100084)

新能源車相對傳統(tǒng)燃油汽車有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢，隨著國家對環(huán)境治理的不斷重視，新能源車也迎來了越來越好的發(fā)展時機。新能源車控制器的開發(fā)是新能源車發(fā)展的重要內(nèi)容，控制器在前期開發(fā)過程中，需要大量的臺架試驗和道路試驗[1-3]。新能源車上有整車控制器、BMS控制器、電機控制器等，汽車控制器之間通過內(nèi)部高速CAN總線進行數(shù)據(jù)通信。如果要驗證目標控制器的內(nèi)部CAN通信功能，按常規(guī)的測試方法，需要連接多個控制器實物進行通信,國內(nèi)外臺架測試一般使用這種方案，其優(yōu)勢是測試結(jié)果更接近真實情況，不足是系統(tǒng)復(fù)雜，成本高。采用殘余總線仿真的方法可以驗證目標控制器的CAN通信功能，減少控制器測試系統(tǒng)的復(fù)雜度并大大降低測試成本[4-7]。本研究提出了一種新能源汽車控制器殘余總線測試平臺的設(shè)計方法，可以有效驗證目標控制器的CAN通信功能。

1 總體設(shè)計

新能源車控制器主要有整車控制器、電機控制器、電池管理系統(tǒng)控制器等[8-14]。殘余總線仿真系統(tǒng)原理見圖1。上位機運行Windows操作系統(tǒng)和NI Veristand軟件測試環(huán)境。殘余總線仿真的目的是通過計算機仿真模型來模擬CAN通信網(wǎng)絡(luò)中除待測控制器以外的CAN通信節(jié)點。在整個CAN通信網(wǎng)絡(luò)中，其實是一個真實的待測控制器和多個虛擬的控制器進行CAN通信。這些虛擬的控制器我們稱為VECU，這些VECU根據(jù)它們功能特點的不同，有不同的算法模型，這些算法模型通常使用第三方工具MATLAB/Simulink/Stateflow搭建。通過離線仿真可以對VECU的算法模型進行初步的功能驗證。模型通過上位機電腦MATLAB/Simulink軟件編譯器編譯為DLL文件，下載到一個運行實時操作系統(tǒng)的基于PXI架構(gòu)的實時控制器上就可以實時運行了,VECU算法模型的輸入輸出參數(shù)可以很方便地映射到實時控制器硬件板卡的相應(yīng)I/O通道上。在上位機電腦上通過Veristand軟件平臺可以實時控制多個VECU的CAN通信狀態(tài)，在PXI實時控制器中可以下載并運行多個VECU的模型。待測ECU在與VECU進行CAN通信時，其通信過程和真實的ECU通信是一樣的，可以通過觀測通信總線的狀態(tài)和信號傳遞時序發(fā)現(xiàn)CAN通信是否正常工作，比如數(shù)據(jù)幀是否有丟幀等情況。用殘余總線仿真平臺進行待測控制器的CAN通信功能測試和用實物控制器進行CAN通信功能測試相比較，可以評估殘余總線仿真的有效性。

圖1 殘余總線仿真系統(tǒng)原理

2 硬件設(shè)計

本研究設(shè)計的殘余總線仿真系統(tǒng)采用基于PXI架構(gòu)的實時控制器及配套的I/O接口板卡搭建。PXI是一種開放的儀器總線，它的特點是具備堅固的工業(yè)封裝以及插針式結(jié)構(gòu)，具有豐富的I/O、通信接口卡以及定時和觸發(fā)能力[13]。殘余總線仿真系統(tǒng)硬件設(shè)計見圖2。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)包括上位機、下位機及信號接口板。上位機采用一臺工業(yè)控制PC，安裝有Veristand軟件環(huán)境以及Visual Studio C代碼編譯器。下位機結(jié)構(gòu)包括PXI-1062機箱、PXI-8115控制器、PXI-8512 CAN通信接口卡。信號接口板的作用是將各個板卡的I/O信號線引出，方便與待測控制器進行線束連接。下位機硬件為PXI系統(tǒng)，在PXI實時控制器上運行PharLab實時操作系統(tǒng)，通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)方式與上位機連接，其功能主要是實現(xiàn)程序的下載和實時數(shù)據(jù)的傳輸，實現(xiàn)上位機對整個系統(tǒng)主要參數(shù)的實時觀測。

圖2 殘余總線仿真系統(tǒng)硬件設(shè)計

3 軟件設(shè)計

3.1 基于Veristand的軟件設(shè)計

Veristand是針對HiL仿真測試系統(tǒng)而開發(fā)的軟件環(huán)境，其工作原理見圖3。

圖3 Veristand工作原理

Veristand能夠配置模擬、數(shù)字和基于FPGA的硬件I/O接口，能夠從NI LabVIEW和MathWorks Simulink等建模環(huán)境中導(dǎo)入控制算法和仿真模型，能夠配置激勵生成、記錄數(shù)據(jù)、計算通道和事件報警，能夠利用操作界面實時在線監(jiān)控運行任務(wù)并與之交互。Veristand開發(fā)環(huán)境運行于上位機，其中資源管理器對實時應(yīng)用程序進行定義，一個典型的實時應(yīng)用程序需要配置控制模型、硬件I/O接口及通信接口；工作界面包含可自由編輯的人機接口界面，界面主要有多種輸入控件和顯示控件可以與實時應(yīng)用程序進行交互；激勵編輯器用于創(chuàng)建測試腳本，可以實現(xiàn)自動化測試。Veristand實時引擎在下位機運行，主要實現(xiàn)模型算法的運行、參數(shù)更新、I/O通道刷新以及參數(shù)和故障報警燈功能。其通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)與上位機進行通信，發(fā)送實時的運行數(shù)據(jù)，同時接收上位機設(shè)定的相關(guān)參數(shù)。Veristand定時功能由硬件來實現(xiàn)，控制精度可達微秒級別，同時引擎可執(zhí)行多個定時循環(huán)。

3.2 充電機模型

本研究以車載充電機作為一個CAN通信節(jié)點與BCU進行通信。充電機Stateflow模型(見圖4)主要分三部分：初始化、充電循環(huán)、充電結(jié)束。初始化模塊主要對充電機狀態(tài)進行初始化，充電機狀態(tài)包括充電機工作狀態(tài)、充電機充電電流、充電機充電電壓；充電循環(huán)模塊功能是與BMS進行握手通信后，按照BMS充電指令進行充電循環(huán)；充電結(jié)束模塊判斷電池是否充滿電量和充電異常情況，如果滿足條件將會關(guān)閉充電機輸出，停止工作。

圖4 充電機模型

3.3 電池模型

電池模型(見圖5)采用二階電池模型，戴維南等效電路模型。電池模型主要有三個模塊：SOC計算、電壓計算、極化電流計算。電池模型有2個獨立的回路，一個是電流源，一個是電壓源，可以仿真電池的極化現(xiàn)象和自放電現(xiàn)象[14-15]。在電池放電達到截止電壓時，定義SOC為0，而電池完全充滿到最高截止電壓時，SOC為100%。電池的端電壓可以通過電池管理監(jiān)測芯片實時采集，用來判斷電池的SOC狀態(tài)。

圖5 電池模型

在電池電路模型中，SOC是一個很重要的參數(shù)。計算公式如下：

(1)

(2)

Ip=f(SOC,Iinstant)，

(3)

VOC=f(SOC,Ip,Iinstant)。

(4)

式中：Qr為剩余電量；Qi為初始的Ah數(shù)；Q0為標定Ah數(shù)；SOC為荷電狀態(tài)；Iinstant為瞬時電流；Ip為極化電流；VOC為電池開路電壓。

電池模型中單體電壓可以隨著充電機充電參數(shù)的變化而變化。

4 應(yīng)用

殘余總線測試適用于需要對被測ECU進行多個相關(guān)聯(lián)ECU的CAN通信聯(lián)調(diào)的情況。本研究待測ECU選擇BMS的主控制器BCU，測試界面見圖6。測試界面可以監(jiān)測充電機和BCU的CAN通信數(shù)據(jù)和狀態(tài)，也可以仿真BMU的功能進行電池參數(shù)采集后通過CAN數(shù)據(jù)發(fā)送，在上位機可以直接控制BMU的輸出數(shù)據(jù)，實現(xiàn)BCU控制策略算法的驗證。

圖6 測試界面

4.1 BCU與BMU的通信測試

本研究待測的控制器是某混合動力汽車所用的BMS，該BMS采用主從結(jié)構(gòu)，即有一個主控制器BCU，一個從控制器BMU。主控器BCU主要功能包括SOC算法、均衡策略算法、安全策略、CAN通信、充放電管理、溫度管理。從控制器BMU主要功能是單體電壓采集、溫度采集、均衡功能。

表1示出虛擬的BMU與真實BCU進行CAN通信的部分數(shù)據(jù)。此系統(tǒng)可以實時測試BCU與BMU的通信功能，如果有通信異常或報錯會在Veristand的人機接口界面實時觀測到。此系統(tǒng)也可以通過Veristand軟件環(huán)境注入故障信息，觀察BCU的響應(yīng)，此功能不作詳細描述。

表1 BMS內(nèi)部CAN通信部分數(shù)據(jù)

4.2 BCU與充電機通信

本研究需要仿真的充電機為車載充電機，型號為CH4110-14420，適用于144 V鋰電池組，輸入電壓是220 V，額定輸出電壓是144 V，充電電流最大20 A。車載充電機具有CAN通信功能，這樣有利于在充電過程中隨時控制充電機的狀態(tài)。因此將該款充電機作為CAN通信網(wǎng)絡(luò)中的一個通信節(jié)點，可以與CAN通信總線進行數(shù)據(jù)通信，也可以與通信總線上的其他CAN通信節(jié)點進行數(shù)據(jù)通信。在充電前，BCU需要和充電機進行CAN通信握手，充電機向BCU發(fā)送充電機是否允許充電的CAN報文(0x1806E5F4)，如果允許充電，BCU會發(fā)送一幀CAN報文命令(0x18FF50E5)，根據(jù)鋰電池當前的狀態(tài)，輸出鋰電池需要的最大充電電壓、最大充電電流和充電機控制字狀態(tài)。

本研究針對BCU進行殘余總線仿真測試，充電機作為CAN通信網(wǎng)絡(luò)中的一個通信節(jié)點，采用計算機模型仿真取代真實的充電機，方便進行充電機控制和測試，也更加安全。表2示出了BCU和充電機的CAN通信過程。

表2 BCU與充電機CAN通信部分數(shù)據(jù)

對于充電機和BCU之間的通信故障、通信延時等問題，都可以通過殘余總線仿真測試系統(tǒng)進行觀察和調(diào)試。根據(jù)充電機和BCU的通信時序(見圖7)，可以知道兩個CAN通信節(jié)點之間的通信過程，通過殘余總線仿真平臺試驗可以得到兩者通信的通信時序。

圖8示出了多個ECU進行聯(lián)調(diào)BCU的響應(yīng)情況。試驗過程中，只有被測對象BCU采用了實物，而其他ECU為VECU，即模型算法。在試驗前，已知鋰電池單體的允許最高電壓為4.15 V，當超過該值繼續(xù)充電的話，會嚴重損害電池。電池管理系統(tǒng)具有單體電池過高保護功能，如果單體電壓超過限值，BCU會強制斷開充電回路。在試驗過程中，可以在上位機通過Veristand軟件平臺對整個殘余總線仿真系統(tǒng)進行監(jiān)控和實時控制。通過在上位機控制面板上控制電池模型的電壓輸出參數(shù)，可以給某個單體電池提高電壓以達到加快試驗進度的作用。正常充電過程中，充電電壓(CAN_CCS_CHAR_V)和充電電流(CAN_CCS_CHAR_C)分別為160 V和17 A，當單體最高電壓在7:20時刻達到4.15 V以上，會觸發(fā)BCU的安全保護控制策略，BCU會向充電機發(fā)送CAN控制命令停止充電機充電，此時BCU發(fā)送的控制命令字節(jié)(CAN_BMS_CTL_CHA)值為1,充電機的充電電壓(CAN_CCS_CHAR_V)和充電電流(CAN_CCS_CHAR_C)輸出都為0。當單體最高電壓降低到4.15 V以下時，BCU經(jīng)過t時間(程序設(shè)置的延遲時間)的延時后會重新進入充電循環(huán)，此時BCU發(fā)送的控制命令字節(jié)(CAN_BMS_CTL_CHA)值為0，此時單體最高電壓在7:50時刻降低到4.1 V，充電機的充電電壓還是160 V，充電電流已經(jīng)下降到10 A。當單體電池的電壓再次充電到4.15 V以上時，在8:50時刻，BCU又給充電機發(fā)送了停機指令，充電機的充電電壓和充電電流又迅速降為0。BCU響應(yīng)結(jié)果與預(yù)設(shè)的結(jié)果一致，即證明本研究設(shè)計的殘余總線仿真系統(tǒng)具有驗證控制器的控制策略的功能。

圖7 充電過程通信時序圖

圖8 BMS充電功能驗證

5 結(jié)束語

基于PXI實時控制器搭建一套控制器HIL測試系統(tǒng)。該HIL系統(tǒng)主要應(yīng)用于控制器的CAN通信總線測試，通過殘余總線仿真技術(shù)，大大降低了系統(tǒng)復(fù)雜度，降低了系統(tǒng)的測試成本，提高了測試效率。該仿真平臺可以用于BMS通信功能測試中。對BMS進行通信功能測試只是殘余總線仿真技術(shù)應(yīng)用的一個方向，采用類似的設(shè)計思路，可以容易地搭建新能源汽車其他控制器的CAN通信測試系統(tǒng)，比如可用于整車控制器、電機控制器等ECU的殘余總線測試。