純電動物流車整車控制器軟件設(shè)計與試驗

【摘" 要】針對純電動物流汽車的整車控制器策略開發(fā)，基于MATLAB/Simulink快速原型開發(fā)方法，通過分析整車功能需求并結(jié)合車輛參數(shù)，對整車高壓上下電、充電上下電建模后進(jìn)行軟硬件在環(huán)測試，排除邏輯錯誤和軟硬件不一致行為后進(jìn)行實車試驗，確保行車和充電模式能正常進(jìn)入和退出，其次利用制動強(qiáng)度和車速的關(guān)系曲線設(shè)置能量回收電機(jī)扭矩制定能量回收控制策略。結(jié)果表明文章設(shè)計的控制策略能滿足整車的功能需求，運(yùn)行過程穩(wěn)定可靠，開發(fā)方法滿足當(dāng)前純電動物流車行業(yè)開發(fā)需求。

【關(guān)鍵詞】純電動物流車；整車控制器；軟件開發(fā)；硬件在環(huán)測試

中圖分類號：U469.72" " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2024 ）02-0001-04

Software Design and Testing of the Vehicle Controller for Pure Electric Logistics Vehicles

DONG Chaowen1，YU Dekui1，ZHANG Huiquan2

（1. Technical Center of Hubei Dayun Automobile Co.，Ltd.；

2. Hubei Automotive Industry College，Shiyan 442000，China）

【Abstract】Development of vehicle controller strategy for pure electric logistics vehicles，based on MATLAB/Simulink rapid prototyping development method，by analyzing the functional requirements of the vehicle and combining them with vehicle parameters，the high-voltage charging and discharging of the vehicle are modeled，and then software in the loop and hardware in the loop tests are conducted. After eliminating logical errors and inconsistent behaviors between software and hardware，actual vehicle tests are conducted，Ensure that the driving and charging modes can enter and exit normally；Secondly，use the relationship curve between braking intensity and vehicle speed to set the torque of the energy recovery motor and formulate an energy recovery control strategy. The results show that the control strategy designed in this article can meet the functional requirements of the entire vehicle，the operation process is stable and reliable，and the development method meets the current development needs of the pure electric vehicle industry.

【Key words】pure electric logistics vehicle；vehicle controller；software development；hardware in the loop testing

隨著環(huán)保理念不斷深入人心，汽車電動化、智能化已成為汽車工業(yè)不可扭轉(zhuǎn)的發(fā)展趨勢。整車控制器作為新能源汽車的控制單元被給予更高的要求。但是傳統(tǒng)的編程開發(fā)模式因語法復(fù)雜、開發(fā)調(diào)試周期長、可靠性差等缺點已無法滿足現(xiàn)代新能源汽車控制器開發(fā)需求。本文針對傳統(tǒng)開發(fā)模式缺點及新能源汽車被控對象頗多的問題，采用快速原型的開發(fā)方法，基于Simulink平臺搭建整車控制模型并實現(xiàn)代碼自動生成，最后進(jìn)行實車驗證。

1" 新能源汽車整車控制系統(tǒng)概述

整車控制器根據(jù)采集的駕駛員操作指令控制車輛運(yùn)行狀態(tài)，控制策略對狀態(tài)參數(shù)輸入信息進(jìn)行判斷和處理，利用I/O串口及CAN通信輸出相應(yīng)的控制指令，完成車輛運(yùn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換和故障監(jiān)控。整車控制器架構(gòu)如圖1所示。本文針對純電動物流車整車控制器控制需求進(jìn)行以下功能劃分。

1）系統(tǒng)的高壓上下電和充電上下電：根據(jù)鑰匙的點火信號控制主正、主負(fù)等繼電器閉合，完成整車高壓上下電和充電上下電的工作流程，從而使得整車供電系統(tǒng)能夠正常工作。

2）驅(qū)動模式控制：根據(jù)駕駛員輸入信息，結(jié)合車輛狀態(tài)信息，計算車輛驅(qū)動扭矩需求并發(fā)送請求給MCU。

3）能量回收系統(tǒng)：車輛制動或滑行過程中可以使動能通過電機(jī)發(fā)電模式回饋到動力電池。

4）定速巡航系統(tǒng)：根據(jù)巡航開關(guān)及制動踏板狀態(tài)，控制車輛進(jìn)入定速巡航模式。駕駛員無需踩踏板，VCU便會根據(jù)定速巡航設(shè)定車速，通過對車速PI閉環(huán)，控制電機(jī)輸出扭矩以維持在目標(biāo)車速行駛狀態(tài)。

2" 整車控制器策略

整車控制策略是通過MATLAB/Simulink編寫，將圖形化編程庫文件通過在MATLAB窗口運(yùn)行后綴為.p的文件導(dǎo)入MATLAB/Simulink中^[1]，通過選擇Visual Studio 2015為編譯器，利用ECU Coder將搭建好的控制策略模型編譯成S19文件（模型的代碼文件）和A2L文件（標(biāo)定和觀測量文件），最后利用MeCa分別將S19文件燒錄和A2L文件導(dǎo)入。

3" 高壓上下電功能層策略

3.1" 行車上電策略

整車高壓上電的控制流程如下：首先，通過監(jiān)測鑰匙開關(guān)位置、整車故障等級、動力電池狀態(tài)、充電信號、通信故障等條件進(jìn)行判斷。其次，VCU接收KeyOn喚醒信號進(jìn)行低壓上電，并檢測繼電器狀態(tài)和故障。然后，VCU自檢通過后，控制PDU閉合主負(fù)繼電器和預(yù)充繼電器，進(jìn)入預(yù)充狀態(tài)。行車上電流程如圖2所示。

在預(yù)充狀態(tài)下，通過判斷電機(jī)直流母線電壓是否達(dá)到動力電池電壓的90%來控制繼電器狀態(tài)。最后，PDU將主正繼電器閉合后，控制預(yù)充繼電器斷開，完成整車高壓上電。

3.2" 行車下電策略

高壓下電流程需檢測鑰匙是否處于OFF擋、車速是否小于3km/h、BMS和PDU是否出現(xiàn)故障、充電槍連接信號是否有效。滿足條件后，依次斷開主正繼電器、電機(jī)繼電器和主負(fù)繼電器。行車下電流程如圖3所示。

4" 整車能量回收策略

因為本文中涉及的純電動物流車為后橋驅(qū)動，電機(jī)制動力矩僅作用于后軸，為確保前后軸制動力分配比例平衡，附加在后軸的制動力矩不宜過大。當(dāng)電機(jī)制動扭矩過大時，在轉(zhuǎn)彎制動工況下，車輛可能出現(xiàn)側(cè)滑現(xiàn)象，嚴(yán)重情況下可能產(chǎn)生甩尾的失穩(wěn)現(xiàn)象^[3-4]。整車結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

本文考慮在制動強(qiáng)度達(dá)到0.2～1時施加再生制動力，保證車輛在制動能量回收模式下的橫向穩(wěn)定性。當(dāng)車輛處于較低車速，驅(qū)動電機(jī)的發(fā)電效率較低，能量回收困難，因此考慮當(dāng)車速大于8km/h時進(jìn)入制動能量回收模式。

如圖4所示，本文在理想的制動力分配曲線（I曲線），即該分配比例下，前后輪制動同時抱死，路面附著利用率最大，前后輪實際制動力分配曲線（β曲線）之間設(shè)計了該制動強(qiáng)度下再生制動力前后輪制動力分配曲線^[5]，旨在保證車輛的制動能量回收最大化。

車輛制動強(qiáng)度Z可以從圖5的制動踏板開度曲線中得到，在實際控制模型中，可利用二維查表獲得，從圖5中可以發(fā)現(xiàn)制動強(qiáng)度和制動踏板開度呈線性關(guān)系。

本項目涉及的車型對能量回收的需求有滑行能量回收和制動能量回收，在滑行的過程中，整車受到來自縱向方向的3個阻力^[6]，包括縱向的空氣阻力、輪胎的滾動阻力和電機(jī)的再生制動力，那么滑行時的行駛阻力公式可以表示為：

式中：m——車輛整備質(zhì)量；a——車輛坐標(biāo)系下的縱向加速度；f——車輪的滾動阻力；C_D——空氣阻力系數(shù)；A——車輛迎風(fēng)面積；u_a——車輛縱向速度；T_b——電機(jī)滑行制動力矩；i_g——主減速器傳動比；r——車輪滾動半徑。

除了上述的行駛阻力對能量回收產(chǎn)生影響，其還受到制動強(qiáng)度大小和車速限制，為防止電池過充產(chǎn)生危險情況，本文考慮電池電荷狀態(tài)SOC小于95%時啟動該功能。

根據(jù)項目中實際車型的功能需求，將能量回收分滑行能量回收和制動能量回收。滑行能量回收激活條件包括：①能量回收開關(guān)接通；②車速大于8km/h；③邏輯擋位為D擋；④制動踏板開度為0，油門踏板開度為0；⑤動力電池SOC小于95%。制動能量回收與滑行能量回收條件一致，但油門踏板需大于0。

本文項目車型所設(shè)計的制動能量回收電機(jī)再生扭矩控制策略，從圖6中可以看出，將制動踏板深度對應(yīng)的制動強(qiáng)度分為[0，0.1]、[0.1，0.5]、[0.5，0.6]、[0.6，0.7]這4個區(qū)間，再生制動程序激活后，首先獲得制動踏板行程系數(shù)，然后通過二維查表獲得制動強(qiáng)度Z，最后根據(jù)對應(yīng)的制動強(qiáng)度區(qū)間，依據(jù)設(shè)計的制動力曲線插值得到再生制動力，并通過換算獲得電機(jī)力矩。

5" 整車控制器控制策略功能驗證

為驗證所搭建的整車控制器的功能以及系統(tǒng)的可靠性，首先進(jìn)行在環(huán)測試，目的是驗證所搭建控制模型的功能邏輯。本文采用單元模塊測試的方法對每個功能模塊進(jìn)行測試，在完成軟件在環(huán)測試之后排除軟件的邏輯錯誤，對部分適用的功能模塊進(jìn)行硬件在環(huán)測試目的是排除軟件硬件不一致行為^[7]。

5.1" 軟件在環(huán)測試

本文考慮針對各個功能子模塊進(jìn)行單元測試，預(yù)先設(shè)定遍歷子系統(tǒng)預(yù)期功能的輸入值，對子系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行后將執(zhí)行結(jié)果和期望結(jié)果進(jìn)行對比，當(dāng)期望的結(jié)果與系統(tǒng)實際運(yùn)行結(jié)果一致時，則功能驗證通過。首先輸入值設(shè)定激活功能的條件值，之后依次更改每一個輸入條件使其不滿足激活條件，觀察Code碼的變化是否符合預(yù)期，從而完成單元測試。

5.2" 硬件在環(huán)測試

硬件在環(huán)測試主要針對整車功能的測試，首先將低壓電喚醒電源與VCU連接，將VCU的通信CAN、標(biāo)定CAN與硬件在環(huán)測試機(jī)柜連接，進(jìn)行通信參數(shù)設(shè)置^[8]。本文主要基于CANoe中搭建的功能測試界面對VCU進(jìn)行硬件在環(huán)測試，分別對必要的輸入輸出I/O進(jìn)行測試，依據(jù)相應(yīng)的接口定義，利用機(jī)柜的標(biāo)定CAN進(jìn)行I/O口設(shè)置，在VCU端口進(jìn)行查看。整車控制策略的測試，根據(jù)功能模塊對應(yīng)的控制邏輯對其進(jìn)行測試。部分硬件在環(huán)功能測試界面如圖7所示。

5.3" 實車測試

首先進(jìn)行靜態(tài)高壓上下電測試，通過標(biāo)定CAN通道進(jìn)行程序的刷寫，接著按照正常流程進(jìn)行操作，觀察設(shè)置的內(nèi)部信號在總線上的狀態(tài)是否符合預(yù)期，并通過整車通信CAN通道進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，利用TSMaster國產(chǎn)軟件的數(shù)據(jù)回放功能對采集的數(shù)據(jù)回放后進(jìn)行分析。

從圖8中可以看出，BMS的控制信號從0變成1，即控制流程控制BMS主回路進(jìn)入上高壓流程，執(zhí)行完流程后，控制策略中的主狀態(tài)機(jī)狀態(tài)跳到4即完成高壓上電流程，此時策略中的中間變量行車準(zhǔn)備也變?yōu)?，其中DCDC控制變?yōu)?，意為DCDC開關(guān)接通，保證蓄電池能得到動力電池的能量補(bǔ)充。從能量回收的測試圖8b中可以看出，時間在60s之前，制動踏板開度大于0，電機(jī)扭矩有2次達(dá)到了負(fù)扭矩，表明車輛處于能量回收模式，接下來車速會有所下降，整車的縱向模式也會隨之發(fā)生相應(yīng)的改變，進(jìn)入到能量回收的狀態(tài)。

6" "結(jié)論

本文根據(jù)純電動物流車的整車控制器功能需求，按照功能開發(fā)規(guī)范，采用快速原型開發(fā)方案，對整車上下電功能模塊建模并進(jìn)行軟硬件在環(huán)測試和實車試驗，確保車輛進(jìn)入行車模式，通過對能量回收模式中前后輪制動力分配曲線的設(shè)計，在控制流程中根據(jù)曲線所對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行相應(yīng)再生制動力的計算，確保車輛在能量回收模式時中的操縱穩(wěn)定性和行駛平順性。未來計劃通過自動化方法搭建硬線信號和CAN信號的接口，以便能更有效地減少重復(fù)的人力工作，提高開發(fā)效率。

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（編輯" 凌" 波）

收稿日期：2023-12-06

作者簡介

董朝聞（1979—），男，副總經(jīng)理、高級工程師，研究方向為燃油車商用車平臺化與模塊化應(yīng)用研究、商用車輕量化設(shè)計及發(fā)展方向、新能源純電動商用車研究開發(fā)、智能化商用車研究開發(fā)、新能源汽車關(guān)鍵技術(shù)、汽車智能化控制技術(shù)（整車綜合控制、動力傳動控制、行駛控制技術(shù)）；於德奎（1985—），男，工程師，研究方向為商用車輕量化創(chuàng)新設(shè)計與開發(fā)、基于參數(shù)化與性能仿真的商用車整車設(shè)計、商用車核心零部件CAE分析、測試與評價；張慧泉（1999—），男，碩士在讀，主要研究方向為智能網(wǎng)聯(lián)汽車控制關(guān)鍵技術(shù)。