新能源整車控制器硬件在環(huán)測試研究與應(yīng)用

黃福春

（江西萬年青水泥股份公司，江西 上饒 335500）

近些年來，隨著國家對新能源汽車的重視，在政策和財(cái)政的雙重支持下，國內(nèi)各大汽車研究機(jī)構(gòu)紛紛對新能源汽車投入大量人力物力［1］。但對于純電動汽車的核心技術(shù)，國內(nèi)相關(guān)機(jī)構(gòu)對整車控制器的研究尚比較缺乏，因此研發(fā)一款能夠商用的整車控制器能夠打破國外同行在該方面的壟斷，具有非常重要的意義。整車控制器 （VCU）負(fù)責(zé)采集加速、制動踏板等其他部件信號，通過對信息進(jìn)行調(diào)度、分析計(jì)算做出相應(yīng)的判斷以控制下層各部件控制器的動作。VCU是純電動汽車的核心控制部件，對保證汽車安全有效行駛的意義重大［2］。

1 VCU硬件在環(huán)自動化測試平臺介紹

VCU主要通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)開發(fā)，針對開發(fā)的需求過程一般采用的軟件也不相同，但一般來說，整車控制器通常采用“V”模型開發(fā)流程。基于“V”模式下的開發(fā)流程，HIL測試是不可或缺的重要環(huán)節(jié)。因此對于VCU的開發(fā)必須掌握建立硬件在環(huán)系統(tǒng) （HIL）測試的能力和方法［3］。

HIL測試是將研發(fā)完成的VCU放至軟件模型模擬的試車環(huán)境下進(jìn)行測試，模擬環(huán)境能夠?yàn)閂CU提供在試車上采集的各種工作信號，同時模擬子系統(tǒng)也能夠接收VCU發(fā)出的控制信號并作出響應(yīng)。因此HIL測試也被稱作半實(shí)物仿真，是一種高效、快速的開發(fā)測試流程。主要具有檢測控制、測試故障診斷、參數(shù)標(biāo)定等功能［4］。

2 VCU在環(huán)自動化測試系統(tǒng)搭建

HIL測試系統(tǒng)的Simulink模型是“虛擬車輛”核心部分，主要包括IO_VCU和MDL_VCU。IO_VCU主要功能是仿真模擬VCU的各接口信號、程控電源控制以及ControlPanel。MDL_VCU主要模擬VCU整車的工作環(huán)境，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 HIL測試系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2.1 IO_VCU

IO_VCU主要由VCU輸入輸出模塊、CAN總線模塊和ControlPanel模塊組成。主要功能是仿真模擬VCU的各接口信號、程控電源控制及ControlPanel。其simulink模型如圖2所示。

2.2MDL_VCU

MDL_VCU包括了電機(jī)驅(qū)動模塊、整車動力學(xué)模塊和電池模塊。主要功能是仿真模擬整車動力學(xué)系統(tǒng)，計(jì)算動力參數(shù)、車速，以及實(shí)現(xiàn)電池系統(tǒng)的控制。

基于simulink搭建的模型如圖3所示。

圖2 IO_VCU模型

圖3 整車控制器simulink模型

2.2.1 電機(jī)模塊模型

此模型用于模擬P3電機(jī)的幾個工作模式。VCU上電之后，要對MCU發(fā)送工作模式指令，MCU需根據(jù)VCU的指令切換到相應(yīng)的工作模式，并回應(yīng)給VCU。模型如圖4所示。

圖4 電機(jī)模塊模型

其主要工作分為以下幾個階段。

Step1：上電初始階段，MCU進(jìn)入初始化階段 （MCU_WorkMode=0）。

Step2：經(jīng)過一個周期后，MCU轉(zhuǎn)而進(jìn)入“LV_PWR_UP”模式 （MCU_WorkMode=1）。

Step3：當(dāng)VCU發(fā)來上電命令以后，MCU根據(jù)VCU的命令切換到相應(yīng)的工作模式下，同時MCU_IGBTfedbkEn=1。

Step4：如果VCU發(fā)送“Speed Control”模式命令，即Input_Control_Mode=1，那么，MCU的工作模式就要切換到“Speed Control”模式中，向VCU發(fā)送MCU_WorkMode=4。

Step5：如果VCU發(fā)送“Torque Control”模式命令，即Input_Control_Mode=2，那么，MCU的工作模式就要切換到“Torque Control”模式中，向VCU發(fā)送MCU_WorkMode=5。

Step6：如果VCU發(fā)送“Active Discharge”命令，即Input_Control_Mode=3，那么，MCU的工作模式就要切換到“Active Discharge”中，向VCU發(fā)送MCU_WorkMode=6。

Step7：如果VCU發(fā)送“idle模式”命令，即Input_Control_Mode=4，那么，MCU的工作模式就要切換到“idle模式”中，向VCU發(fā)送MCU_WorkMode=3。

Step8：否則，MCU將處于“LV_PWR_UP”模式。

2.2.2 電池模塊模型

構(gòu)建的模型如圖5所示，此模型可以模擬BMS的預(yù)充電過程。當(dāng)VCU發(fā)來高壓上電指令后 （VCU_BMS_PwrCmd=1），BMS首先進(jìn)行預(yù)充電操作；經(jīng)過一段時間的延時后，預(yù)充電完成，BMS_PrechgSts=1；同時高壓閉合，BMS_HVConSts=1。

圖5 電池模塊模型

2.2.3 整車動力學(xué)模型

模型可以模擬整車系統(tǒng)的動力學(xué)。通過設(shè)置整車參數(shù)、道路附著系數(shù)、空氣阻力參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)滾動阻力、空氣阻力、加速阻力、坡道阻力、制動阻力的計(jì)算；并根據(jù)油門踏板行程和制動踏板行程，模擬計(jì)算出相應(yīng)的驅(qū)動力矩和實(shí)時車速，實(shí)現(xiàn)整車動力的閉環(huán)控制。如圖6所示。

圖6 整車動力學(xué)模型

3 軟硬件平臺搭建

3.1 VCU機(jī)柜IO資源分配與負(fù)載臺搭建

IO板卡、故障注入板卡和相關(guān)信號調(diào)理板卡需要根據(jù)VCU電路接口圖來配置。本次測試所用硬件配置為：4核DS1006處理板卡、DS2211／2202板卡、DS291故障注入板卡、DS223信號調(diào)理板卡、CAN卡、LIN卡。如圖7所示，整個VCU機(jī)柜包含電源開關(guān)、BOB盒、FIU板卡、真實(shí)負(fù)載箱、處理器PX盒等。

圖7 VCU機(jī)柜實(shí)物圖

3.2 VCU測試上位機(jī)搭建

VCU機(jī)柜的上位機(jī)軟件采用的是由德國dSPACE公司開發(fā)的軟件包。本次測試主要使用ControlDesk和Automation－Desk來執(zhí)行。

1）ControlDesk加載模型經(jīng)過編譯后的sdf數(shù)據(jù)庫。可視化測試數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行實(shí)時控制和測量，如圖8所示。

圖8 上位機(jī)ControlDesk界面

2）AutomationDesk自動化測試序列編寫軟件。通過調(diào)用ControlDesk的數(shù)據(jù)控件，進(jìn)行數(shù)據(jù)的設(shè)定，并且采集記錄該數(shù)據(jù)生成測試報(bào)告。如圖9所示。

圖9 AutomationDesk測試環(huán)境

4 VCU硬件在環(huán)測試應(yīng)用

主要介紹扭矩管理測試應(yīng)用。

車輛進(jìn)入行車Ready狀態(tài)后，在常規(guī)起步模式下，若駕駛員不踩加速踏板，VCU控制電機(jī)輸出斜率變化的扭矩 （扭矩變化斜率先大后小），使車速達(dá)到進(jìn)入蠕行車速1km／h；若該過程中駕駛員踩下加速踏板，則需要比較駕駛員需求扭矩與上面自動增長的大小，向電機(jī)請求較大的扭矩。

當(dāng)車輛高壓上電完成，進(jìn)入行駛模式時，如果滿足下列任一條件，車輛將退出常規(guī)起步模式：滿足高壓下電條件，進(jìn)入高壓下電流程；擋位處于N擋；車速大于常規(guī)起步轉(zhuǎn)移限制車速Data_D_vNormalStart2Crawl_R=1km／h時；踩下制動踏板；電機(jī)進(jìn)入防溜坡模式。

測試步驟如表1所示。

如圖10所示，在無油門和制動踏板下，車輛進(jìn)入常規(guī)起步工況后，VCU控制電機(jī)輸出斜率變化的扭矩 （扭矩變化斜率先大后小），使車速達(dá)到進(jìn)入蠕行車速1km／h；車速大于常規(guī)起步轉(zhuǎn)移限制車速Data_D_vNormalStart2Crawl_R=1km／h時進(jìn)入蠕行控制模式，扭矩逐漸減小，最終達(dá)到蠕行車速。VCU實(shí)現(xiàn)常規(guī)起步扭矩功能正常，符合VCU扭矩管理功能規(guī)范。

表1 起步扭矩管理測試

圖10 扭矩管理測試結(jié)果

5 總結(jié)

本文基于dSpace硬件在環(huán)測試平臺下，結(jié)合simulink搭建整套測試控制環(huán)境。通過扭矩管理測試用例，闡述了VCU硬件在環(huán)測試的技術(shù)方法，進(jìn)一步說明了HIL測試的優(yōu)勢，能夠加速整車控制器開發(fā)速度、縮短開發(fā)周期，降低實(shí)車測試成本和風(fēng)險(xiǎn)。HIL測試以后仍是VCU開發(fā)的一應(yīng)用熱點(diǎn)。