整車控制器硬件在環仿真系統設計

于蘭辛明華

（1.天津天瞳威勢電子科技有限公司；2.中國汽車技術研究中心）

硬件在環仿真又稱為半實物仿真。它除了用數學模型描述客觀事物外，還將部分實物硬件接入仿真系統，使仿真系統更逼近真實系統[1]。在新能源汽車領域中，硬件在環仿真測試對三大核心電控系統（整車控制系統、BMS電池管理系統及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的可擴展性等問題都使得傳統汽車電控系統的硬件在環仿真測試系統無法解決。基于此，文章提出一種純電動汽車整車控制器硬件在環仿真測試系統。

1　系統組成

硬件在環仿真測試系統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，通過I/O接口、CAN接口、A/D轉換及D/A轉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、系統的測試。硬件在環系統架構，如圖1所示。PC上位機通過以太網與實時處理器通訊，實時處理器與外圍的I/O板通過ISA總線構成多處理器系統。處理器之間的數據傳輸速率高達1 Gb/s以上。I/O板和處理器之間可通過共享內存/光纖接口進行數據交換。用戶可以根據自己的需要擴展處理器模板，以構建合適的仿真系統。在軟件方面，采用MATLAB/Simulink進行算法開發、系統建模及離線仿真[2]；利用實時接口（RTI）作為連接dSPACE實時系統與軟件開發工具MATLAB/Simulink間的紐帶；通過實時工作間（RTW）實現從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境ControlDesk，可以對試驗過程進行綜合管理。

圖1　硬件在環系統架構

2　仿真模型搭建

MATLAB/Simulink仿真模型包括駕駛員模型、整車控制器信號調節模型、純電動整車模型以及參數觀測模型。整個仿真模型中，駕駛員模型發出駕駛需求，通過整車控制器向整車各部件發送控制信號，整車各部件根據整車控制器的控制信號完成相應操作。整個模型組成閉環系統，模擬整車實際行駛工況，從而對整車控制器進行功能測試，驗證設計的控制策略是否能夠執行，還可以實現在線的參數標定，優化整車控制器功能。

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等操作。除此之外，該駕駛員模型還可以根據預先設定好的行駛工況以及模型仿真時反饋的車速進行閉環控制，計算出當前的加速踏板和制動踏板開度并發送給整車控制器，從而使模型按照設定的工況行駛。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。電器附件開關模塊向整車控制器發送車用電器（例如：空調、暖風和車燈）的開關信號，結合ControlDesk實時監控界面進行功能測試。

2）數字量輸入模塊。數字量開關模塊用來模擬實際汽車行駛過程中的各種數字量信號，主要包括鑰匙開關信號、擋位信號、充電開關信號、制動踏板開關信號、倒車燈開關信號及制動能量回收開關信號。通過ControlDesk實時監控界面可以改變開關量信號的狀態，并將控制信號發送給整車控制器，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駕駛需求向整車控制器發送加速踏板開度和制動踏板開度，整車控制器根據踏板開度向電動機發送轉矩命令從而驅動汽車行駛。本模塊中，既可以人為實時調節踏板開度，也可以根據行駛工況自動控制踏板開度。通過ControlDesk實時監控界面可以進行自動工況循環和人為實時操作切換。

2.2　整車控制器信號調節模型

整車控制器模型分為輸入信號調理模塊和輸出信號調理模塊，通過該模塊可以實現真實整車控制器與仿真模型的信號交互，并通過ControlDesk實時監控界面和CANoe監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模型；電器部分包括電動機系統、電池系統、電器附件及低壓蓄電池等。機械部分各模塊之間傳遞轉矩，反饋轉速；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矩驅動汽車行駛。

2.4　參數觀測模型

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

圖2　純電動汽車整車參數觀測模型截圖

3　實時監控界面搭建

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

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、制動能量回收開關信號、汽車驅動力、傳統汽車制動力、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、各種電器附件開關指令及其對應的繼電器工作狀態。

3）電動機系統。電動機轉速、輸出轉矩、運行狀態及故障信息。

4）動力電池系統。電池電壓、電池電流、SOC、電池運行狀態及故障信息。

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）鑰匙開關動作；2）模型開關；3）駕駛模式轉換；4）制動開關；5）加速踏板和制動踏板的開度變化；6）電器附件（包括空調、暖風等附件）的開關；7）動力電池SOC、電壓及溫度的實時標定；8）功率需求的標定；9）電動機轉速、溫度及其散熱器溫度的標定；10）車速的標定；11）電池故障信息和電動機故障信息的產生。

圖3　整車控制器硬件在環仿真測試實時交互界面

4　結論

文章主要介紹了純電動汽車整車控制器硬件在環仿真測試系統的設計，論述了整車控制器硬件在環仿真測試系統的硬件架構以及基于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，從而實現參數的實時監控以及標定匹配。在仿真測試過程中還通過CANoe對CAN總線信號進行監控，驗證整車控制器是否按照要求實現了駕駛員的目的。該系統減少了實車路試的次數，縮短了開發時間和降低了成本，同時提高了整車控制器的軟件質量，降低了整車廠的風險。在以后的研究中將建立更準確和復雜的整車模型，使硬件在環仿真測試系統更接近實際情況。