于蘭辛明華

（1.天津天瞳威勢電子科技有限公司；2.中國汽車技術(shù)研究中心）

硬件在環(huán)仿真又稱為半實物仿真。它除了用數(shù)學(xué)模型描述客觀事物外，還將部分實物硬件接入仿真系統(tǒng)，使仿真系統(tǒng)更逼近真實系統(tǒng)[1]。在新能源汽車領(lǐng)域中，硬件在環(huán)仿真測試對三大核心電控系統(tǒng)（整車控制系統(tǒng)、BMS電池管理系統(tǒng)及MCU電機控制器）非常重要，但其高精度的實時性要求、大電壓大電流的安全性、信號接口的特殊屬性以及系統(tǒng)的可擴展性等問題都使得傳統(tǒng)汽車電控系統(tǒng)的硬件在環(huán)仿真測試系統(tǒng)無法解決?；诖?，文章提出一種純電動汽車整車控制器硬件在環(huán)仿真測試系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)組成

硬件在環(huán)仿真測試系統(tǒng)是以實時處理器運行仿真模型來模擬受控對象的運行狀態(tài)，通過I/O接口、CAN接口、A/D轉(zhuǎn)換及D/A轉(zhuǎn)換與被測的整車控制器連接，對被測整車控制器進行全方面的、系統(tǒng)的測試。硬件在環(huán)系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1所示。PC上位機通過以太網(wǎng)與實時處理器通訊，實時處理器與外圍的I/O板通過ISA總線構(gòu)成多處理器系統(tǒng)。處理器之間的數(shù)據(jù)傳輸速率高達1 Gb/s以上。I/O板和處理器之間可通過共享內(nèi)存/光纖接口進行數(shù)據(jù)交換。用戶可以根據(jù)自己的需要擴展處理器模板，以構(gòu)建合適的仿真系統(tǒng)。在軟件方面，采用MATLAB/Simulink進行算法開發(fā)、系統(tǒng)建模及離線仿真[2]；利用實時接口（RTI）作為連接dSPACE實時系統(tǒng)與軟件開發(fā)工具MATLAB/Simulink間的紐帶；通過實時工作間（RTW）實現(xiàn)從Simulink模型到dSPACE實時運行硬件代碼的無縫自動下載[3]。另外，dSPACE還提供了綜合試驗環(huán)境ControlDesk，可以對試驗過程進行綜合管理。

圖1　硬件在環(huán)系統(tǒng)架構(gòu)

2　仿真模型搭建

MATLAB/Simulink仿真模型包括駕駛員模型、整車控制器信號調(diào)節(jié)模型、純電動整車模型以及參數(shù)觀測模型。整個仿真模型中，駕駛員模型發(fā)出駕駛需求，通過整車控制器向整車各部件發(fā)送控制信號，整車各部件根據(jù)整車控制器的控制信號完成相應(yīng)操作。整個模型組成閉環(huán)系統(tǒng)，模擬整車實際行駛工況，從而對整車控制器進行功能測試，驗證設(shè)計的控制策略是否能夠執(zhí)行，還可以實現(xiàn)在線的參數(shù)標(biāo)定，優(yōu)化整車控制器功能。

2.1　駕駛員模型

駕駛員模型用來模擬實際行駛過程中駕駛員的各種行為，包括汽車的起停、加速、制動及車用電器的開關(guān)等操作。除此之外，該駕駛員模型還可以根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的行駛工況以及模型仿真時反饋的車速進行閉環(huán)控制，計算出當(dāng)前的加速踏板和制動踏板開度并發(fā)送給整車控制器，從而使模型按照設(shè)定的工況行駛。控制駕駛員模型包括以下3個子模塊。

1）電器附件輸入模塊。電器附件開關(guān)模塊向整車控制器發(fā)送車用電器（例如：空調(diào)、暖風(fēng)和車燈）的開關(guān)信號，結(jié)合ControlDesk實時監(jiān)控界面進行功能測試。

2）數(shù)字量輸入模塊。數(shù)字量開關(guān)模塊用來模擬實際汽車行駛過程中的各種數(shù)字量信號，主要包括鑰匙開關(guān)信號、擋位信號、充電開關(guān)信號、制動踏板開關(guān)信號、倒車燈開關(guān)信號及制動能量回收開關(guān)信號。通過ControlDesk實時監(jiān)控界面可以改變開關(guān)量信號的狀態(tài)，并將控制信號發(fā)送給整車控制器，從而對其控制功能進行測試。

3）模擬量輸入模塊。模擬量輸入模塊主要是根據(jù)駕駛需求向整車控制器發(fā)送加速踏板開度和制動踏板開度，整車控制器根據(jù)踏板開度向電動機發(fā)送轉(zhuǎn)矩命令從而驅(qū)動汽車行駛。本模塊中，既可以人為實時調(diào)節(jié)踏板開度，也可以根據(jù)行駛工況自動控制踏板開度。通過ControlDesk實時監(jiān)控界面可以進行自動工況循環(huán)和人為實時操作切換。

2.2　整車控制器信號調(diào)節(jié)模型

整車控制器模型分為輸入信號調(diào)理模塊和輸出信號調(diào)理模塊，通過該模塊可以實現(xiàn)真實整車控制器與仿真模型的信號交互，并通過ControlDesk實時監(jiān)控界面和CANoe監(jiān)控界面進行仿真測試。

2.3　整車模型

在模型搭建過程中，將整車分為機械部分和電器部分兩大類，其中機械部分包括變速器、主減速器及整車動力學(xué)模型；電器部分包括電動機系統(tǒng)、電池系統(tǒng)、電器附件及低壓蓄電池等。機械部分各模塊之間傳遞轉(zhuǎn)矩，反饋轉(zhuǎn)速；電器部分各模塊傳遞電壓、電流和功率，并最終由電動機輸出轉(zhuǎn)矩驅(qū)動汽車行駛。

2.4　參數(shù)觀測模型

搭建參數(shù)觀測模型，為ControlDesk實時監(jiān)控界面對于各個參數(shù)觀測提供信號采集，具體框圖，如圖2所示。

圖2　純電動汽車整車參數(shù)觀測模型截圖

3　實時監(jiān)控界面搭建

實時監(jiān)控界面是基于dSPACE的ControlDesk進行搭建的，通過該界面可以實時監(jiān)測整車狀態(tài)，主要包括以下關(guān)鍵部件的信息：

1）整車。車速、蓄電池信息、整車控制器輸出車速、動力電池信息、制動信號、制動能量回收信號、鑰匙狀態(tài)、制動能量回收開關(guān)信號、汽車驅(qū)動力、傳統(tǒng)汽車制動力、道路阻力、空氣阻力、制動回收能量、制動能量回收率及續(xù)駛里程。

2）整車控制器。整車控制器輸出車速、加速踏板和制動踏板開度、各種電器附件開關(guān)指令及其對應(yīng)的繼電器工作狀態(tài)。

3）電動機系統(tǒng)。電動機轉(zhuǎn)速、輸出轉(zhuǎn)矩、運行狀態(tài)及故障信息。

4）動力電池系統(tǒng)。電池電壓、電池電流、SOC、電池運行狀態(tài)及故障信息。

除此之外，通過該交互界面（如圖3所示）可以對整車進行實時操作，通過控制真實的整車控制器達到對其功能的測試，基于該界面可進行的操作如下：1）鑰匙開關(guān)動作；2）模型開關(guān)；3）駕駛模式轉(zhuǎn)換；4）制動開關(guān)；5）加速踏板和制動踏板的開度變化；6）電器附件（包括空調(diào)、暖風(fēng)等附件）的開關(guān)；7）動力電池SOC、電壓及溫度的實時標(biāo)定；8）功率需求的標(biāo)定；9）電動機轉(zhuǎn)速、溫度及其散熱器溫度的標(biāo)定；10）車速的標(biāo)定；11）電池故障信息和電動機故障信息的產(chǎn)生。

圖3　整車控制器硬件在環(huán)仿真測試實時交互界面

4　結(jié)論

文章主要介紹了純電動汽車整車控制器硬件在環(huán)仿真測試系統(tǒng)的設(shè)計，論述了整車控制器硬件在環(huán)仿真測試系統(tǒng)的硬件架構(gòu)以及基于Simulink的仿真模型的搭建。測試人員通過ControlDesk操作界面與整車控制器進行實時交互，從而實現(xiàn)參數(shù)的實時監(jiān)控以及標(biāo)定匹配。在仿真測試過程中還通過CANoe對CAN總線信號進行監(jiān)控，驗證整車控制器是否按照要求實現(xiàn)了駕駛員的目的。該系統(tǒng)減少了實車路試的次數(shù)，縮短了開發(fā)時間和降低了成本，同時提高了整車控制器的軟件質(zhì)量，降低了整車廠的風(fēng)險。在以后的研究中將建立更準(zhǔn)確和復(fù)雜的整車模型，使硬件在環(huán)仿真測試系統(tǒng)更接近實際情況。