晏江華，劉全周，劉鐵山

（中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300130）

2020年中國新能源汽車發(fā)展預計將會達到145萬輛，而純電動汽車作為新能源汽車發(fā)展的主力軍，必將是今后發(fā)展過程中關(guān)注的重點。在整車V型研發(fā)過程中，為了更全面地完善設計需求以及問題反饋，硬件在環(huán)（Hardware in the Loop，HIL）仿真測試貫穿于研發(fā)的各個階段，已成為研發(fā)過程中不可缺少的部分［1］，尤其在如今電控技術(shù)高速發(fā)展的狀態(tài)下，HIL仿真測試能夠盡早地發(fā)現(xiàn)設計當中存在的問題，幫助工程師解決ECU開發(fā)過程中的問題，提升整車開發(fā)品質(zhì)和穩(wěn)定性。

整車控制器是電動汽車的核心部件，主要對整車上、下電，車輛模式切換、扭矩分配、故障檢測以及網(wǎng)絡管理等方面進行控制和管理。VCU在電動汽車控制系統(tǒng)中扮演著重要角色，因此在VCU開發(fā)流程中需要納入嚴格的測試保證其開發(fā)品質(zhì)。HIL仿真測試能夠仿真VCU在極限工況以及故障狀態(tài)下的車輛運行工況，提升了VCU測試驗證的廣度和深度，實現(xiàn)系統(tǒng)全面測試。由于HIL仿真測試的靈活性以及便利性，大大縮減了研發(fā)周期，節(jié)省了開發(fā)成本，具有較高的經(jīng)濟效益。

本文基于MATLAB/Simulink建立整車模型，以某純電動車型控制器為測試對象，利用dSPACE軟硬件搭建純電動汽車VCU硬件在環(huán)仿真測試環(huán)境，對整車控制器進行測試驗證工作。

1 VCU HIL測試系統(tǒng)基本原理

1.1 VCU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1為純電動汽車VCU結(jié)構(gòu)示意圖。整車控制器包括微控制器、模擬量采集和輸出、開關(guān)量采集、數(shù)字量驅(qū)動輸出、繼電器驅(qū)動、高速CAN總線接口、供電系統(tǒng)等模塊。VCU對純電動汽車動力系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)進行協(xié)調(diào)管理和監(jiān)控，提升整車動力性和經(jīng)濟性。

整車控制器獲取駕駛員駕駛意圖，結(jié)合CAN總線采集的動力電池和驅(qū)動電機的狀態(tài)信息，進行數(shù)據(jù)分析和計算，發(fā)送電機控制和電池管理以及其他控制指令，實現(xiàn)整車驅(qū)動控制、能量管理控制、制動回饋控制、空調(diào)系統(tǒng)控制以及顯示控制。整車控制器還具備故障診斷和故障處理功能，實現(xiàn)整車故障保護以及安全處理。

1.2 VCU HIL系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖2所示，VCU HIL系統(tǒng)主要包含以下幾個部分：待測VCU、HIL測試機柜、上位機軟件、整車模型。

HIL機柜根據(jù)VCU接口特性與VCU建立映射連接關(guān)系，一方面對VCU進行供電控制以及傳感器信號仿真，另一方面對VCU控制信號進行采集監(jiān)測。上位機軟件主要基于dSPACE ControDesk軟件環(huán)境，實現(xiàn)測試界面開發(fā)以及測試實施管理工作。整車模型包括IO接口模型和車輛模型兩部分，IO模型實現(xiàn)機柜IO資源的配置管理，車輛模型主要建立VCU運行控制的虛擬整車環(huán)境。車輛模型包括電機模型、電池模型、車輛動力學模型、道路環(huán)境模型、Soft ECU等模塊。

2 仿真測試環(huán)境的搭建

硬件在環(huán)測試平臺搭建主要包含3大部分：硬件系統(tǒng)開發(fā)、整車模型開發(fā)、測試軟件開發(fā)［2］。利用MATLAB/Simulink搭建整車模型，基于dSPACE軟硬件平臺對VCU仿真測試環(huán)境進行搭建。

圖1 純電動汽車VCU結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 VCU HIL系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 硬件系統(tǒng)開發(fā)

整車控制器硬件在環(huán)測試平臺基于dSPACE仿真系統(tǒng)，dSPACE硬件采用SCALEXIO硬件平臺，SCALEXIO Realtime PC 采用 Intel XEON E-1275v3 處理器，運算主頻高達 3.5GHz，擁有 4GB RAM 內(nèi)存。資源板卡采用DS2680-2672板卡，該板卡為 SCALEXIO 中的多功能 IO 板卡，具有ADC、DI、DAC、PWM、RES、CAN、LIN多類型資源仿真通道。該硬件平臺與Matlab/Simulink無縫集成，支持實施在線仿真測試。

根據(jù)VCU接口資源類型及其接口參數(shù)特性，進行HIL接口資源分配，并完成機柜和VCU之間的物理連接。

2.2 整車模型開發(fā)

整車模型主要包括IO模型和車輛模型，其中車輛模型最主要的模塊是電機模型、電池模型、車輛動力學模型。

2.2.1 IO模型開發(fā)

IO模型其主要作用是對實時仿真器硬件輸入輸出接口進行配置以及所有信號的信號調(diào)理，根據(jù)控制器引腳定義確定信號類型來配置接口［3］，采用dSPACE配置軟件ConfigurationDesk實現(xiàn)IO模型的配置（圖3），配置其中的A/D、D/A、PWM、DIGIN等信號，并生成IO接口模型，同時通過RTICANMM模塊對總線通信進行配置，完成IO模型開發(fā)。

圖3 IO模型配置

2.2.2 電池模型

本文電池模型主要以試驗數(shù)據(jù)建模為主，根據(jù)查表法建立相關(guān)的特性，結(jié)合等效電路法的理論指導建立電池模型。利用電池OCV特性曲線可以得到電池開路電壓和內(nèi)阻，采用安時積分法求得電池SOC［4］。

式中：SOC0——初始SOC；I——電流；Qn——電池組額定容量；η——電池充放電庫倫效率。

2.2.3 電機模型

基于試驗數(shù)據(jù)搭建的電機模型主要包含3部分，分別是扭矩計算模型、效率特性模型和熱模型。在VCU測試中主要關(guān)心電機轉(zhuǎn)速扭矩的輸出，因此忽略熱模型對電機整體輸出的影響。通過建立與電機轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關(guān)系式T=f（n），可以確定電機輸出扭矩，電機的效率可以通過PMG=TMGωMGηMG來表示［5］。其中：PMG為電機功率；TMG為電機扭矩；ωMG為電機轉(zhuǎn)速；ηMG為電機效率。圖4為電機效率曲線。

2.2.4 車輛動力學模型

車輛動力學模型是將前端傳遞過來的力矩經(jīng)過等效變換轉(zhuǎn)化成車輪處的速度。車輛在行駛過程中需要克服阻力，主要包括：滾動阻力、空氣阻力、坡道阻力、加速阻力。汽車行駛的驅(qū)動方程為：Ft=Ff+FW+Fi+Fj，式中：Ft為汽車驅(qū)動力，F(xiàn)f為汽車滾動阻力，F(xiàn)W為空氣阻力，F(xiàn)i為坡道阻力，F(xiàn)j為加速阻力?？梢缘玫杰囕v行駛過程中的加速度：Ma=Ff-Ff-FW-Fi，利用積分可以得到車輛的速度。按照車輛動力學傳遞原理，結(jié)合各部件特性可以得到整車縱向動力傳動模型，如圖5所示。

圖4 電機效率曲線

圖5 車輛動力學模型

2.2.5 整車模型參數(shù)化與閉環(huán)調(diào)試

IO模型和車輛模型在Simulink環(huán)境下進行整車模型集成，模型集成后進行整車模型參數(shù)化以及閉環(huán)調(diào)試工作。VCU測試系統(tǒng)整車模型參數(shù)包括車輛阻力模型參數(shù)、電機模型參數(shù)、電池參數(shù)、逆變器模型參數(shù)。模型參數(shù)化采用dSPACE專用參數(shù)化軟件ModelDesk（圖6），參數(shù)化后設置不同的測試工況對整車模型進行閉環(huán)校正，通過閉環(huán)反饋結(jié)果對整車參數(shù)進行修正，最終虛擬整車環(huán)境達到接近于實車測試環(huán)境的效果。

圖6 模型參數(shù)化環(huán)境

2.3 測試軟件開發(fā)

通過dSPACE ControlDesk軟件創(chuàng)建測試管理界面，對整個測試過程進行控制和管理，能夠進行硬件管理、虛擬儀表顯示、數(shù)據(jù)監(jiān)控、變量及參數(shù)設置，并進行模型的下載。

根據(jù)VCU測試需求，將測試管理界面進行模塊化設計，分為電源控制模塊、駕駛員操作模塊、電機控制模塊、電池控制模塊、空調(diào)控制模塊等，在不同的模塊下面，設置對應的VCU輸入控制控件，同時設置VCU對應的信號顯示控件。 根據(jù)通信網(wǎng)絡配置生成CAN通信管理界面，實現(xiàn)CAN通信的仿真以及監(jiān)控。通過Plotter顯示模型變量實時變化曲線，定義硬件觸發(fā)和時間觸發(fā)條件來開始和結(jié)束曲線顯示。圖7為測試軟件開發(fā)。

圖7 測試軟件開發(fā)

3 VCU硬件在環(huán)測試開發(fā)及驗證

3.1 VCU測試開發(fā)

依據(jù)VCU功能規(guī)范及診斷規(guī)范進行測試開發(fā)工作，設計相應的測試用例進行VCU功能邏輯測試及診斷功能測試。測試用例設計采用等價類劃分法、邊界值分析法、決策表法、狀態(tài)轉(zhuǎn)移測試法、經(jīng)驗測試法等多種方法融合互補。

從功能、故障診斷、網(wǎng)絡通信、整車集成幾個模塊出發(fā)，測試內(nèi)容覆蓋如下幾個方面：①VCU正向及逆向功能控制邏輯驗證；②實車工況模擬，例如NEDC工況；③電氣接口測試：輸入、輸出的電氣特性測試；④邊界測試：針對各功能及性能邊界條件的測試；⑤交互式功能測試：針對各功能的交互式測試；⑥電壓適應性、電源管理功能測試；⑦網(wǎng)絡應用層及節(jié)點交互式網(wǎng)絡驗證；⑧網(wǎng)絡通信與休眠喚醒；⑨掉電復位工況；⑩極限工況性能測試；11電氣故障工況模擬（開路、短路到電、短路到電源、線束間互短）；12功能性故障模擬；13網(wǎng)絡通信故障模擬（Invalid，高負載、CRC錯誤、滾碼計數(shù)器錯誤、丟幀模擬、節(jié)點丟失等）；14VCU診斷故障碼DTC記錄策略驗證以及診斷功能測試。

3.2 測試驗證結(jié)果

硬件在環(huán)測試系統(tǒng)主要包括功能測試、網(wǎng)絡通信測試、故障診斷測試［6］以及整車集成測試，本文主要對通信和功能測試進行了闡述。

3.2.1 CAN網(wǎng)絡通信測試

待測VCU中包含兩路CAN通信：B-CAN與P-CAN。B-CAN主要是與車身系統(tǒng)相關(guān)的網(wǎng)絡通信，例如AC、IC等與VCU的信息交互；P-CAN主要是與動力相關(guān)的控制器與VCU之間的通信。利用ControlDesk當中的CAN Monitor監(jiān)控各個節(jié)點之間的通信信息。參考通信協(xié)議可以測試接收和發(fā)送的報文是否正確。圖8為P-CAN上MCU發(fā)送給VCU的一幀報文。通過圖8對比通信協(xié)議可以看出，該幀報文與協(xié)議設計報文的ID、數(shù)據(jù)長度、信號位分布等信息均保持一致，符合測試要求。

圖8 CAN網(wǎng)絡通信測試

3.2.2 高壓上電測試

車輛電源管理系統(tǒng)共有4個狀態(tài)，分別是：OFF（-1）、ACC（0）、ON（1）和Start（2），圖9記錄了鑰匙從OFF 旋轉(zhuǎn)到Start的過程中車輛主、負繼電器，預充繼電器，12V低壓繼電器、DCDC繼電器的狀態(tài)。由圖9可知在鑰匙由ACC旋轉(zhuǎn)至ON的過程中，主負繼電器先閉合，然后12V低壓繼電器閉合，最后主正繼電器結(jié)合，檢測無故障時預充繼電器結(jié)合對電機進行預充電，預充完成后當鑰匙到達Start擋時，整車Ready，完成高壓上電。從測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)VCU能夠正常識別輸入命令完成整車高壓上電過程。

圖9 VCU高壓上電測試

3.2.3 整車性能測試

整車性能測試主要是當車輛在加速、制動等過程中觀察VCU能否將駕駛員命令準確解析傳遞給MCU、BMS等，使車輛按照設計目標運行。

當車輛處于Ready狀態(tài)后，踩下制動踏板，掛到D擋位，松開制動踏板，踩下加速踏板。圖10a為從起步到加速的過程，在第12 s時VCU收到加速踏板增大至65%的信號，向MCU進行扭矩請求，MCU給電機輸出扭矩命令，紅色為加速踏板，藍色為電機扭矩輸出。可以發(fā)現(xiàn)當踩下加速踏板后，電機迅速響應輸出大扭矩，隨著車速的增大，電機輸出扭矩降低，當車速穩(wěn)定的時候電機輸出扭矩同樣比較平緩，符合電機輸出特性。在第70 s時，松開加速踏板，此時車輛處于滑行階段，車速開始降低，電機扭矩變?yōu)樨摚囕v進入制動能量回收狀態(tài)。由圖10b可以觀測到電池電流變?yōu)樨摚姵亻_始充電。最后踩制動踏板，車速迅速下降，電機輸出扭矩變?yōu)?，電流變?yōu)?。車輛整個運行過程中電池輸出電壓幾乎不變，維持在402V左右，符合設計的功能要求。

圖10 車輛加速及制動測試

4 結(jié)論

本文基于dSPACE硬件在環(huán)測試平臺，從硬件系統(tǒng)開發(fā)、整車模型開發(fā)、測試軟件開發(fā)到VCU的測試實施，闡述了整車控制器硬件在環(huán)測試驗證的技術(shù)和方法。通過實際測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，利用該HIL測試仿真平臺可以迅速有效驗證VCU基本功能是否滿足設計要求，為VCU開發(fā)工作縮短了設計周期，降低了VCU開發(fā)成本，同時為后續(xù)實車驗證提供了反饋驗證的條件。