插電式混合動力整車控制器硬件在環(huán)測試系統(tǒng)

李根深，王靜，田苗

（1.奇瑞汽車股份有限公司，安徽 蕪湖 241009；2.萬里揚(yáng)乘變公司，安徽 蕪湖 241006）

插電式混合動力整車控制器硬件在環(huán)測試系統(tǒng)

李根深1，王靜2，田苗1

（1.奇瑞汽車股份有限公司，安徽 蕪湖 241009；2.萬里揚(yáng)乘變公司，安徽 蕪湖 241006）

以dSPACE公司的仿真機(jī)柜——MidSize為基礎(chǔ)，從方案設(shè)計(jì)、設(shè)備連接、軟件應(yīng)用、系統(tǒng)配置、測試用例編制等方面詳細(xì)介紹了整個測試系統(tǒng)搭建過程。該測試系統(tǒng)具備CAN網(wǎng)絡(luò)測試、功能性測試、I/O測試，故障模擬、系統(tǒng)驗(yàn)證等功能。經(jīng)過系統(tǒng)測試，幫助解決了混合動力整車高壓系統(tǒng)故障，證明了該硬件在環(huán)測試系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)需求。

插電式混合動力；硬件在環(huán)；整車控制器； 測試

CLC NO.: U463.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)05-72-04

前言

隨著汽車技術(shù)的發(fā)展和普及，汽車保有量越來越多，其導(dǎo)致的環(huán)境問題也日益突出。同時排放法規(guī)對汽車排放性和經(jīng)濟(jì)性的要求越來越嚴(yán)格，新能源汽車被認(rèn)為是較好的發(fā)展方向，當(dāng)前，純電動汽車因電池技術(shù)等原因，還不能全面推廣，而兼具傳統(tǒng)燃油動力汽車和純電動汽車優(yōu)點(diǎn)的混合動力汽車是較好的一種新能源汽車。混合動力系統(tǒng)控制單元（HCU，Hybrid Vehicle Control Unit）作為混合動力整車動力系統(tǒng)的主控制器，HCU承擔(dān)了整個系統(tǒng)的能量分配、扭矩管理、高壓安全、故障診斷等功能，是混合動力整車的核心和大腦。

硬件在環(huán)仿真（HiL，Hardware in the Loop）測試為嵌入式控制器V字形開發(fā)流程中必不可少的環(huán)節(jié)，它是一種半實(shí)物仿真系統(tǒng)，以實(shí)時處理器運(yùn)行仿真模型來模擬受控對象的運(yùn)行狀態(tài)，通過I/O接口和被測控制器連接，對被測控制器進(jìn)行全面的、系統(tǒng)的測試。可以縮短測試周期，降低開發(fā)成本；同時還全面提高了測試的覆蓋性，提前發(fā)現(xiàn)軟件中隱藏的故障，從而確保整個系統(tǒng)的可靠性。

1、測試需求

在混合動力整車開發(fā)過程中，因控制器多，系統(tǒng)復(fù)雜,無論在開發(fā)階段還是測試階段，均需投入大量的人力物力才能完成。面對競爭越來越激烈的汽車市場以及汽車產(chǎn)品更新?lián)Q代周期加快，需車企以最短的開發(fā)周期和最低開發(fā)成本完成產(chǎn)品的開發(fā)工作。而硬件在環(huán)測試在縮短測試周期和降低測試成本方面發(fā)揮著不可替代的作用。

在一些混合動力項(xiàng)目中，因涉及到高壓（380V甚至更高）安全，在整車控制系統(tǒng)中，高壓的相關(guān)故障都會導(dǎo)致整車不上電，車輛無法行駛。項(xiàng)目開發(fā)過程中，高壓故障頻出現(xiàn)，嚴(yán)重影響了項(xiàng)目進(jìn)度。而針對該故障的測試，在整車上難以模擬，甚至有些無法模擬，因此急需搭建一個混合動力整車控制器硬件在環(huán)測試平臺，用以對HCU的高壓診斷、CAN通信、邊界控制條件、復(fù)雜工況等進(jìn)行測試，確保整車項(xiàng)目按時完成。

2、方案設(shè)計(jì)

本測試平臺，主要硬件設(shè)備為dSPACE公司的仿真機(jī)柜（MidSize）結(jié)合相對應(yīng)的操作系統(tǒng)、板卡，I/O，連接器等設(shè)備。軟件系統(tǒng)主要為利用MathWork公司的Matlab/Simulink工具搭建的HCU整車控制物理模型。采用硬件連接，軟件互通的方式，形成一個虛擬的整車控制器測試平臺。所有的輸入輸出都形成合理的閉環(huán)回路。其中，上位機(jī)用于建模、虛擬儀表界面控制以及整車控制器監(jiān)控，其與仿真機(jī)柜通訊連接，與標(biāo)定工具通過USB口連接；仿真機(jī)柜用于運(yùn)行仿真虛擬控制器和被控對象，與整車控制器（HCU）通過硬線連接；標(biāo)定工具用于實(shí)時監(jiān)控整車控制器數(shù)據(jù)，與整車控制器通過CAN口連接；使用dSPACE公司的RTICANMM工具對CAN報(bào)文數(shù)據(jù)庫文件進(jìn)行集成，在虛擬儀表（ControlDesk）中生成監(jiān)控和配置報(bào)文的界面，虛擬節(jié)點(diǎn)仿真，可接收或發(fā)送相應(yīng)的報(bào)文并且執(zhí)行相應(yīng)的觸發(fā)動作。

圖1清晰的描述了硬件在環(huán)測試的物理設(shè)計(jì)方案，包含上位機(jī)、仿真機(jī)柜、整車控制器、標(biāo)定工具以及I/O、通信等模塊。仿真機(jī)柜使用dSAPCE公司的Simulator，整車控制器(HCU)通過硬線線束連接到Simulator設(shè)備，Simulator設(shè)備通過光纖線與上位機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)Simulator的模型下載、信號采集、在線調(diào)參等。標(biāo)定工具與上位機(jī)通過USB口連接，標(biāo)定工具與整車控制器（HCU）通過CAN口連接，采用標(biāo)準(zhǔn)的CCP協(xié)議，可實(shí)時對整車控制器（HCU）進(jìn)行監(jiān)控。

圖1 HCU硬件在環(huán)測試平臺

3、系統(tǒng)搭建

dSPACE硬件在環(huán)系統(tǒng)分成硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分。硬件系統(tǒng)主要是dSPACE公司的產(chǎn)品Midsize Simulator仿真工具，該仿真工具包括DS1006處理板卡，DS2202 I/O板卡，傳感器與執(zhí)行器接口，角度處理單元，電源供給單元等部分組成（不同的項(xiàng)目，需適當(dāng)?shù)脑黾訙p少或更換不同的板卡或模塊）。軟件系統(tǒng)則由HCU仿真模型，操作軟件ControlDesk和AutomationDesk組成。

3.1硬件系統(tǒng)

3.1.1 仿真PC

PC是測試系統(tǒng)的控制界面操作工具，首先要安裝與dSPACE硬件在環(huán)系統(tǒng)相匹配的軟件，然后進(jìn)行仿真模型運(yùn)算以及仿真過程的實(shí)時控制。

3.1.2 傳感器與執(zhí)行器接口

根據(jù)HCU接口需求，配置相應(yīng)的傳感器與執(zhí)行器機(jī)構(gòu)，給 HCU提供各種需求的傳感器執(zhí)行器信號。

3.1.3 I/O信號板卡DS2202

DS2202板卡具有如下幾部分功能模塊：

多功能I/O接口：DS2202板卡提供A/D轉(zhuǎn)換通道、D/A轉(zhuǎn)換通道、數(shù)字信號I/O、PWM信號的生成和測量通道等。

通訊接口：除一系列標(biāo)準(zhǔn)接口外，DS2202板卡還提供一個可以接入兩路CAN的子系統(tǒng)。

供電系統(tǒng)：DS2202需從外部提供電源進(jìn)行工作。

3.1.4 DS1006處理器板卡

DS1006處理器板卡是基于皓龍?zhí)幚砥鞯膯魏嘶蚨嗪颂幚砥鳎@種實(shí)時處理器是主要的處理單元。可以通過PHS總線與模塊化I/O板卡連接。

3.1.5 供電單元

MidSize中配有一個遠(yuǎn)程控制供電單元，該供電單元可控制四路高電壓電源通道通斷。這四路通道中有一路是直接輸出電源電壓，另外三路配有開關(guān)進(jìn)行通斷控制。

3.2 軟件系統(tǒng)

dSPACE操作軟件主要包括實(shí)時控制手動測試的Control Desk軟件和編寫用例進(jìn)行大量反復(fù)測試的AutomationDesk軟件。

3.2.1 ControlDesk軟件

ControlDesk軟件將通過Matalb編譯HCU模型生成的SDF文件導(dǎo)入設(shè)備MidSize的處理器板卡中，通過建立一系列環(huán)境使軟件中的一些模塊與模型中的變量連接，從而可以實(shí)時修改模型中的變量，模擬各種需求的工況進(jìn)行硬件在環(huán)仿真測試。ControlDesk的操作界面如圖2所示。

3.2.2 AutomationDesk軟件

AutomationDesk軟件的作用是讓用戶利用已有的模塊以及python語言按照用戶需求編寫測試用例，用例編寫完成后，可以自動化運(yùn)行，采集用例中所設(shè)置的參數(shù)生成報(bào)告。AutomationDesk軟件可以與INCA和Matlab鏈接，可以利用AutomationDesk已有模塊讓INCA自動采集數(shù)據(jù)或讓Matlab執(zhí)行相應(yīng)指令，對于大量重復(fù)性測試，AutomationDesk軟件非常的實(shí)用和方便。

圖2 ControlDesk軟件界面

3.2.3 HCU線束制作

HCU線束設(shè)計(jì)是系統(tǒng)供電、各類信號傳輸、通訊傳輸?shù)年P(guān)鍵。根據(jù)HCU所需要采集和發(fā)生的信號數(shù)量種類不同，每款HCU的線束也有不同。在線束制作過程中，因信號種類數(shù)量繁多，在確保每個針腳對應(yīng)的信號與HCU針腳的信號一一對應(yīng)的前提下，還需多次測試，確保信號可靠性。

3.3 dSPACE系統(tǒng)配置

dSPACE系統(tǒng)配置的主要任務(wù)是在硬件平臺完成搭建和線束連接正確的基礎(chǔ)上進(jìn)行軟件配置，保證各通道的信號按照設(shè)計(jì)需求與HCU正常交互。dSPACE Peripheral I/O模塊是dSPACE軟件中對各類信號通道進(jìn)行配置的模塊，其中MappingToHardware模塊中配置模型輸出傳給HCU的信號通道，MappingFromHardware則是用ECU采集的信號通道的配置。Midsize上I/O板卡的通道和模塊中的通道存在對應(yīng)關(guān)系，此關(guān)系在購買設(shè)備時會提供。因此信號通道的匹配只需在相應(yīng)模塊中修改即可。部分I/O板卡通道信號如表1所示。

表1 I/O通道信號展示

圖3 信號通道配置

這些通道的一些屬性在DS2202_SETUP模塊中設(shè)置，以圖3所示的DIG_OUT頁面為例說明。該頁面為16個DIG_OUT通道的高低電壓選擇，高電壓分為VBAT1和VBAT2兩種類型，根據(jù)信號的不同從中選取一個高電壓即可。其他頁面分別有對應(yīng)的通道屬性選項(xiàng)，可根據(jù)測試需求進(jìn)行設(shè)置。

3.4 測試用例編寫

在HIL測試中，如測試對象數(shù)目較多或者重復(fù)性高，如反復(fù)測試某工況或者采集一系列工況下某一個或幾個變量的數(shù)據(jù)，則可以利用dSPACE硬件在環(huán)測試系統(tǒng)中的AutomationDesk軟件根據(jù)測試需求編寫一個自動化測試用例。

在編寫一個自動化測試用例前，需要根據(jù)測試需求制作一份測試需求文檔。測試需求文檔的格式和類型可以自行定義，但是需求文檔需要具備以下基本要求：1.需求文檔能體現(xiàn)出每一個測試的步驟，2.每個測試步驟對應(yīng)的目標(biāo)期望值。根據(jù)步驟逐步用AutomationDesk軟件中的Write等模塊來編寫自動測試用例，并在每一步的最后插入Read等模塊來讀取相應(yīng)的變量，觀察生成的報(bào)告中的該變量值是否符合期望部分的期望值。

按照測試需求文檔中的描述，利用AutomationDesk軟件和python編程語言，可以編寫如圖4所示的自動測試化用例。

圖4 自動化測試用例

4、系統(tǒng)測試

HCU硬件在環(huán)測試平臺可以對混合動力整車控制功能、CAN網(wǎng)絡(luò)、I/O、故障模擬等進(jìn)行測試和驗(yàn)證。HiL測試的主要作用分為兩個方面：一是根據(jù)設(shè)計(jì)需求，正向的對控制器進(jìn)行系統(tǒng)覆蓋性測試，以期找出系統(tǒng)中隱藏故障；另一方面就是根據(jù)項(xiàng)目面臨的實(shí)際困難，進(jìn)行針對性的工況測試，復(fù)現(xiàn)故障現(xiàn)象，以便快速有效的解決問題。

對某插入式混動動力整車的HCU測試中，利用HiL獨(dú)有的測試能力和方法，幫助項(xiàng)目解決了許多故障，其中以解決高壓系統(tǒng)故障尤為明顯。在項(xiàng)目前期驗(yàn)證中，試驗(yàn)車發(fā)生高壓故障的比例超過90%，因?qū)嵻嚋y試，故障難以模擬甚至有些無法模擬，該難題嚴(yán)重困擾著項(xiàng)目組，也使整車的SOP時間變得遙遙無期。當(dāng)硬件在環(huán)測試介入之后，許多問題都可簡單復(fù)現(xiàn)，一旦找到故障原因，問題便迎刃而解。例如一起功能安全故障，故障發(fā)生后，整車無法運(yùn)行。而且故障工況則是高車速（80km/h以上），大角度打方向盤并且還要深踩油門，基于實(shí)際情況，該工況極難模擬，但是通過HiL測試平臺，經(jīng)過軟件配置，快速的復(fù)現(xiàn)了該工況，從而找到故障原因，徹底解決故障。測試工況數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)測試效果

經(jīng)過一系列的HIL測試，在極短時間內(nèi)解決了之前困擾許久的高壓系統(tǒng)故障，也達(dá)到了HCU硬件在環(huán)測試平臺搭建的目的。

5、結(jié)束語

經(jīng)由方案設(shè)計(jì)到系統(tǒng)搭建，最后通過測試表明，本文所研究的HCU硬件在環(huán)測試系統(tǒng)搭建成功。完全滿足了系統(tǒng)需求，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的，同時也幫助該混合動力整車項(xiàng)目解決了故障，確保了項(xiàng)目的順利SOP。

本文所研究的硬件在環(huán)測試系統(tǒng)僅能對HCU一個控制器進(jìn)行測試，但實(shí)際上插入式混合動力整車具有十多個控制器，系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜，下一步的工作將開展混合動力平臺全控制器的硬件在環(huán)測試系統(tǒng)搭建。

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Hardware in the Loop Test System of Hybrid Control Unit for Plug-in Hybrid Electric Vehicle

Li Genshen1, Wang Jing2, Tian Miao1
（1.Chery Automobile Co., Ltd, Anhui Wuhu 241009; 2.Wuhu Wanliyang Transmission Co., Ltd., Anhui Wuhu 241009）

Base on the MidSize of dSPACE company, This article introduces the building process of hareware in the loop test system, including designing, equipment connecting, software application, system configuration, test case writing and so on. This system can do the CAN test, function test, I/O test, fault simulation test, system validation and so on. It has helped to solve the high voltage system fault of PHEV successfully. It is proved that this test system satisfied the requirement of design.

PHEV; HiL; HCU; TEST

U463.7

A

1671-7988 (2017)05-72-04

李根深（1985-），男，工程師，就職于奇瑞汽車股份有限公司。主要研究方向?yàn)閯恿偝煽刂葡到y(tǒng)開發(fā)。基金項(xiàng)目：安徽省自主創(chuàng)新項(xiàng)目課題12z0101017資助。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.05.024