陳 亮，朱 浩，楊 林，閆 斌，胡艷青，鄢 挺

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

為適應(yīng)汽車節(jié)能減排的要求，混合動(dòng)力汽車技術(shù)在全球得到了快速發(fā)展。相對(duì)于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)，混合動(dòng)力系統(tǒng)不僅包含發(fā)動(dòng)機(jī)，還包含有電機(jī)、動(dòng)力電池、機(jī)電耦合傳動(dòng)等子系統(tǒng)［1］，是一種典型的多能源系統(tǒng)，其控制比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)復(fù)雜很多。傳統(tǒng)道路測(cè)試費(fèi)用高、周期長(zhǎng)，測(cè)試安全性難以保證，難以實(shí)現(xiàn)某些極限條件下的測(cè)試［2－3］。因此，有必要采用基于硬件在環(huán)仿真（HIL）測(cè)試系統(tǒng)的混合動(dòng)力控制器開發(fā)、測(cè)試流程，其中的關(guān)鍵技術(shù)是HIL系統(tǒng)的架構(gòu)與模型。

對(duì)于現(xiàn)有成熟的混合動(dòng)力系統(tǒng)，由于其機(jī)電耦合模式方面的不足，節(jié)能減排的實(shí)際表現(xiàn)大多還難以達(dá)到人們期望的水平。為此，本研究擬針對(duì)一種新型的四?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)，進(jìn)行混合動(dòng)力控制器（Hybrid Control Unit，HCU）硬件在環(huán)仿真測(cè)試系統(tǒng)研究，并通過對(duì)HCU的控制策略測(cè)試，驗(yàn)證該HIL系統(tǒng)的有效性。

1 四?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)

本研究的四模混合動(dòng)力系統(tǒng)為典型的混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型（見圖1），其中包括發(fā)動(dòng)機(jī)ICE、電控離合器C、電動(dòng)／發(fā)電機(jī)MG1、行星齒輪系、2個(gè)擋位的耦合箱齒輪傳動(dòng)系 Gear－Box、電動(dòng)／發(fā)電機(jī)MG2、后橋速比Fd及輸出軸Out－shaft。通過對(duì)Gear－Box和離合器的控制，可以實(shí)現(xiàn)單電機(jī)純電驅(qū)動(dòng)、雙電機(jī)純電驅(qū)動(dòng)、串聯(lián)驅(qū)動(dòng)和混聯(lián)驅(qū)動(dòng)等4種驅(qū)動(dòng)模式。通過對(duì)MG2電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，利用行星齒輪系的工作原理，可實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速控制。因此，該系統(tǒng)對(duì)城市客車、城際客車都具有顯著的節(jié)油效果，不僅可用作動(dòng)力電池電量維持型的常規(guī)混合動(dòng)力汽車，還可用于插電混合動(dòng)力汽車。前期的仿真研究表明，基于該系統(tǒng)的電量維持型客車，按城市公交工況運(yùn)行的節(jié)油率可達(dá)35%以上，按高速公路工況運(yùn)行的節(jié)油率也可達(dá)20%以上。

2 硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)及功能

HIL系統(tǒng)的主要功能要求：

1）能對(duì)控制策略進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化；

2）能用于控制器軟硬件調(diào)試和測(cè)試；

3）能用于控制參數(shù)標(biāo)定；

4）能用于故障模擬和OBD測(cè)試；

5）能用于整車運(yùn)行工況模擬測(cè)試與能耗、排放、動(dòng)力性等性能仿真測(cè)試；

6）能進(jìn)行傳感器、執(zhí)行器模擬和CAN通信測(cè)試；

7）結(jié)果自動(dòng)保存和測(cè)試報(bào)表自動(dòng)生成。

圖2示出所設(shè)計(jì)的HIL系統(tǒng)架構(gòu)，包括宿主機(jī)、目標(biāo)機(jī)、HIL處理器、接口系統(tǒng)、待測(cè)控制器等。宿主機(jī)建立的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可對(duì)HIL模型中的重要參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)或?qū)σ褬?biāo)定好的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化標(biāo)定；目標(biāo)機(jī)用于存放HIL模型、實(shí)時(shí)代碼轉(zhuǎn)換與下載。為便于模型開發(fā)和系統(tǒng)架構(gòu)驗(yàn)證，HIL處理器采用了AutoBox中的DS1006處理器板進(jìn)行系統(tǒng)模型實(shí)時(shí)仿真運(yùn)行，DS2202CAN、AD與DA接口完成數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)的交互。特別地，為了克服現(xiàn)有大多HIL系統(tǒng)由于缺乏執(zhí)行器模擬功能而不能滿足對(duì)控制器硬件可靠性、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性測(cè)試要求的問題，本研究設(shè)計(jì)了執(zhí)行器等效電路模擬器，主要包括電控離合器執(zhí)行器、換擋機(jī)構(gòu)執(zhí)行器、電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理執(zhí)行器。

3 HIL模型

為了能給整車控制器（HCU）提供更加真實(shí)的測(cè)試環(huán)境，本研究測(cè)試系統(tǒng)通過 Matlab／Simulink軟件建立實(shí)時(shí)仿真模型來模擬包括駕駛員在內(nèi)的整車真實(shí)部件。各模型的輸入輸出參數(shù)分別代表著駕駛員的駕駛習(xí)慣及整車在實(shí)際環(huán)境中各部件的運(yùn)行狀態(tài)。整車HIL模型包括駕駛員模型、發(fā)動(dòng)機(jī)模型、電機(jī)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(jī)電耦合動(dòng)力傳動(dòng)模型等。

3.1 駕駛員模型

為了自動(dòng)跟隨測(cè)試動(dòng)態(tài)工況，駕駛員模型主要由一個(gè)PID控制器組成（見圖3）。以目標(biāo)車速與實(shí)際車速作為輸入量，駕駛員踏板（油門踏板或制動(dòng)踏板）開度為輸出量：

式中：PAcc／Brk為駕駛員模型產(chǎn)生的油門或制動(dòng)踏板開度；P，I，D為PID調(diào)節(jié)器中比例項(xiàng)、積分項(xiàng)及微分項(xiàng)系數(shù)；ΔV，VActual，VDmnd分別為車速偏差、實(shí)際車速以及目標(biāo)車速。

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)模型

考慮到真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)及其燃燒過程的復(fù)雜性以及混合動(dòng)力系統(tǒng)控制中對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)抑制，本研究對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，如圖4所示。以試驗(yàn)計(jì)算得到的發(fā)動(dòng)機(jī)外特性、萬有特性、起動(dòng)油耗、拖轉(zhuǎn)扭矩等數(shù)據(jù)建立表格，通過一維或二維插值方法來獲取發(fā)動(dòng)機(jī)油門控制、轉(zhuǎn)速控制、轉(zhuǎn)矩控制等不同控制模式下發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)、燃油消耗率。在轉(zhuǎn)速控制模式下，通過整車控制器的指令轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前實(shí)際轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)節(jié)輸出發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前實(shí)際扭矩，同時(shí)通過發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速與實(shí)際扭矩的二維插值查表得到發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率。

3.3 排放模型

對(duì)于混合動(dòng)力汽車而言，尾氣排放也是衡量混合動(dòng)力汽車性能的重要指標(biāo)。本研究的硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)增添了一個(gè)車輛排放模型，以便在仿真測(cè)試時(shí)對(duì)控制策略進(jìn)行優(yōu)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(yīng)理論的模型難以滿足HIL系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，因此本研究基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以二維插值的方式得到尾氣排放量（見圖5），其輸入為發(fā)動(dòng)機(jī)模型輸出的扭矩與轉(zhuǎn)速。

3.4 電機(jī)模型

電機(jī)模型的輸入主要包括來自HCU的指令、電機(jī)的當(dāng)前轉(zhuǎn)速及電機(jī)輸入電壓。其中，來自HCU的指令包括電機(jī)的控制狀態(tài)指令、轉(zhuǎn)速指令和扭矩指令。電機(jī)模型的輸出主要包括電機(jī)實(shí)際扭矩、電機(jī)直流母線電流等。其中，按電動(dòng)模式運(yùn)行時(shí)電機(jī)模型輸出的扭矩為正，按發(fā)電模式運(yùn)行時(shí)電機(jī)扭矩為負(fù)。所建立的電機(jī)模型見圖6。電機(jī)扭矩TMG、轉(zhuǎn)速ωMG、ηMG、電機(jī)需求功率PMGE、電機(jī)電流IMG、電壓VMG滿足如下關(guān)系：

3.5 電池模型

混合動(dòng)力客車中的動(dòng)力電池主要用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)、在整車制動(dòng)過程中回收能量以及給車載空調(diào)、空氣電泵等電力附件提供能量。動(dòng)力電池的充放電過程是一個(gè)受溫度、電流、電壓等多參數(shù)影響的化學(xué)反應(yīng)過程［4］，該過程具有很強(qiáng)的非線性度和時(shí)變特性，實(shí)際中通過電池理論模型難以準(zhǔn)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(jiǎn)化后的電池模型可視為由一個(gè)理想開路電壓源與一個(gè)內(nèi)阻組成的系統(tǒng)［5－6］，兩者均受電池SOC與溫度的影響。硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)中電池模型主要用于模擬實(shí)際電池系統(tǒng)在滿足當(dāng)前電機(jī)功率需求前提下，計(jì)算出電池荷電狀態(tài)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(jì)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(jī)電耦合動(dòng)力傳動(dòng)與整車動(dòng)力學(xué)模型

為滿足不同混合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型的需要，HIL系統(tǒng)中，機(jī)電耦合動(dòng)力傳動(dòng)模型設(shè)計(jì)有幾種典型的構(gòu)型供選用，同時(shí)也可通過二次開發(fā)界面建立新系統(tǒng)模型。圖1所示的四模系統(tǒng)采用以行星齒輪系［7］（見圖8）為主的機(jī)電耦合機(jī)構(gòu)：

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

根據(jù)圖1，當(dāng)離合器分離時(shí)行星輪系的外齒圈只與MG1相連，可實(shí)現(xiàn)整車的純電驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)能量全部由動(dòng)力電池系統(tǒng)提供；當(dāng)離合器結(jié)合時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)和MG1均與外齒圈相聯(lián)，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率除了用于驅(qū)動(dòng)車輛外，還可通過MG1對(duì)動(dòng)力電池組進(jìn)行充電。整個(gè)行星齒輪系的太陽輪與MG2相連，行星架則與整車驅(qū)動(dòng)軸相連。

以離合器結(jié)合為例，圍繞行星輪系建立的動(dòng)力學(xué)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(fā)動(dòng)機(jī)、外齒圈以及行星架各自的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；TMG2，TMG1，Te，TBrake分別為 MG2、MG1、發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的扭矩以及整車制動(dòng)產(chǎn)生的制動(dòng)扭矩；F為行星輪系中產(chǎn)生的內(nèi)力；rtire為輪胎半徑；ρ為空氣密度；A為迎風(fēng)面積；Cd為空氣阻力系數(shù)；fd為整車后橋傳動(dòng)比；f為輪胎滾動(dòng)阻力系數(shù)。式（4）～式（6）的矩陣形式表達(dá)為

4 人機(jī)交互系統(tǒng)

人機(jī)交互系統(tǒng)作為混合動(dòng)力整車控制器硬件在環(huán)仿真測(cè)試的重要環(huán)節(jié)，不但可與實(shí)時(shí)程序進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、實(shí)時(shí)曲線跟蹤、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（如發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)轉(zhuǎn)速）記錄，還能滿足測(cè)試者對(duì)重要標(biāo)定參數(shù)反復(fù)的調(diào)節(jié)和修正［8］。其中，標(biāo)定功能基于CCP協(xié)議。用于HCU控制策略測(cè)試的監(jiān)控界面見圖9。基于該監(jiān)控界面，可以設(shè)置參數(shù)、注入故障，選擇實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的各項(xiàng)功能，還可以通過在線或離線的方式對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，功能齊全，容易維護(hù)，具有良好的擴(kuò)展性和可移植性。

5 測(cè)試驗(yàn)證與結(jié)果分析

本研究以用于城市公交客車（見表1）的四?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)控制器為對(duì)象，測(cè)試驗(yàn)證了硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)的各種功能。

對(duì)于車輛行駛工況模擬測(cè)試，HIL系統(tǒng)可以通過監(jiān)控界面輸入任意待測(cè)工況。圖10示出典型城市公交工況的測(cè)試情況，仿真步長(zhǎng)設(shè)置為0.001s。實(shí)際車速很好地跟隨了目標(biāo)車速，在整個(gè)循環(huán)工況中的車速跟隨誤差僅1%～5%。這說明被測(cè)HCU的動(dòng)力控制策略是正確的，也驗(yàn)證了本研究HIL系統(tǒng)的駕駛員模型具有較高精度。

表1 車輛參數(shù)

圖11示出動(dòng)力電池SOC和發(fā)動(dòng)機(jī)、MG1電機(jī)、MG2電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩以及機(jī)電耦合機(jī)構(gòu)擋位變化歷程。由圖可見：被測(cè)HCU能將SOC控制在設(shè)定窗口內(nèi)；能準(zhǔn)確控制自動(dòng)換擋，在車輛低速與起步時(shí)主要采用1擋，高速時(shí)主要采用2擋；能合理分配控制發(fā)動(dòng)機(jī)、2個(gè)電機(jī)的扭矩和轉(zhuǎn)速，能實(shí)現(xiàn)有效的制動(dòng)能量回收控制、四種驅(qū)動(dòng)模式控制、自動(dòng)起?？刂频瓤刂乒δ?；發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速處于高效運(yùn)行區(qū)間，即能正確實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速控制功能。驗(yàn)證結(jié)果表明，HCU能量控制策略是正確、可靠的，與實(shí)際系統(tǒng)的臺(tái)架模擬測(cè)試結(jié)果相當(dāng)，也驗(yàn)證了HIL系統(tǒng)模型具有較高精度。

6 結(jié)束語

本研究所設(shè)計(jì)的四?；旌蟿?dòng)力汽車控制器硬件在環(huán)仿真測(cè)試HIL系統(tǒng)，將傳感器和執(zhí)行器實(shí)際模擬與模型模擬相結(jié)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(cè)試、參數(shù)標(biāo)定、故障模擬和OBD測(cè)試、傳感器和執(zhí)行器模擬、CAN通信測(cè)試及整車工況模擬與能耗、排放等性能分析。通過對(duì)被測(cè)HCU的硬件在環(huán)仿真測(cè)試，表明HIL系統(tǒng)準(zhǔn)確可靠地實(shí)現(xiàn)了所設(shè)計(jì)的功能，滿足控制器在環(huán)測(cè)試的實(shí)時(shí)性要求，具有較高的精度。

HIL系統(tǒng)雖以四?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)控制器為對(duì)象進(jìn)行設(shè)計(jì)和測(cè)試驗(yàn)證，但系統(tǒng)架構(gòu)確保了該HIL也可用于其他各類混合動(dòng)力系統(tǒng)控制器的HIL測(cè)試。下一步，將通過采用自主開發(fā)的HIL ECU和接口系統(tǒng)硬件降低系統(tǒng)成本，以促進(jìn)系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。

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