純電動汽車VCU硬件在環測試技術研究

晏江華，劉全周，劉鐵山

（中國汽車技術研究中心，天津 300130）

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

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、故障檢測以及網絡管理等方面進行控制和管理。VCU在電動汽車控制系統中扮演著重要角色，因此在VCU開發流程中需要納入嚴格的測試保證其開發品質。HIL仿真測試能夠仿真VCU在極限工況以及故障狀態下的車輛運行工況，提升了VCU測試驗證的廣度和深度，實現系統全面測試。由于HIL仿真測試的靈活性以及便利性，大大縮減了研發周期，節省了開發成本，具有較高的經濟效益。

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硬件在環仿真測試環境，對整車控制器進行測試驗證工作。

1 VCU HIL測試系統基本原理

1.1 VCU系統結構

圖1為純電動汽車VCU結構示意圖。整車控制器包括微控制器、模擬量采集和輸出、開關量采集、數字量驅動輸出、繼電器驅動、高速CAN總線接口、供電系統等模塊。VCU對純電動汽車動力系統的各個環節進行協調管理和監控，提升整車動力性和經濟性。

整車控制器獲取駕駛員駕駛意圖，結合CAN總線采集的動力電池和驅動電機的狀態信息，進行數據分析和計算，發送電機控制和電池管理以及其他控制指令，實現整車驅動控制、能量管理控制、制動回饋控制、空調系統控制以及顯示控制。整車控制器還具備故障診斷和故障處理功能，實現整車故障保護以及安全處理。

1.2 VCU HIL系統結構

如圖2所示，VCU HIL系統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VCU接口特性與VCU建立映射連接關系，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測。上位機軟件主要基于dSPACE ControDesk軟件環境，實現測試界面開發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、道路環境模型、Soft ECU等模塊。

2 仿真測試環境的搭建

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

圖1 純電動汽車VCU結構示意圖

圖2 VCU HIL系統結構示意圖

2.1 硬件系統開發

整車控制器硬件在環測試平臺基于dSPACE仿真系統，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VCU接口資源類型及其接口參數特性，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

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

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理，根據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。

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據建模為主，根據查表法建立相關的特性，結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

基于試驗數據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測試中主要關心電機轉速扭矩的輸出，因此忽略熱模型對電機整體輸出的影響。通過建立與電機轉速之間的函數關系式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過等效變換轉化成車輪處的速度。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。汽車行駛的驅動方程為：Ft=Ff+FW+Fi+Fj，式中：Ft為汽車驅動力，Ff為汽車滾動阻力，FW為空氣阻力，Fi為坡道阻力，Fj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 整車模型參數化與閉環調試

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

圖6 模型參數化環境

2.3 測試軟件開發

通過dSPACE ControlDesk軟件創建測試管理界面，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、數據監控、變量及參數設置，并進行模型的下載。

根據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。 根據通信網絡配置生成CAN通信管理界面，實現CAN通信的仿真以及監控。通過Plotter顯示模型變量實時變化曲線，定義硬件觸發和時間觸發條件來開始和結束曲線顯示。圖7為測試軟件開發。

圖7 測試軟件開發

3 VCU硬件在環測試開發及驗證

3.1 VCU測試開發

依據VCU功能規范及診斷規范進行測試開發工作，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、狀態轉移測試法、經驗測試法等多種方法融合互補。

從功能、故障診斷、網絡通信、整車集成幾個模塊出發，測試內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網絡應用層及節點交互式網絡驗證；⑧網絡通信與休眠喚醒；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網絡通信故障模擬（Invalid，高負載、CRC錯誤、滾碼計數器錯誤、丟幀模擬、節點丟失等）；14VCU診斷故障碼DTC記錄策略驗證以及診斷功能測試。

3.2 測試驗證結果

硬件在環測試系統主要包括功能測試、網絡通信測試、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主要是與車身系統相關的網絡通信，例如AC、IC等與VCU的信息交互；P-CAN主要是與動力相關的控制器與VCU之間的通信。利用ControlDesk當中的CAN Monitor監控各個節點之間的通信信息。參考通信協議可以測試接收和發送的報文是否正確。圖8為P-CAN上MCU發送給VCU的一幀報文。通過圖8對比通信協議可以看出，該幀報文與協議設計報文的ID、數據長度、信號位分布等信息均保持一致，符合測試要求。

圖8 CAN網絡通信測試

3.2.2 高壓上電測試

車輛電源管理系統共有4個狀態，分別是：OFF（-1）、ACC（0）、ON（1）和Start（2），圖9記錄了鑰匙從OFF 旋轉到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。由圖9可知在鑰匙由ACC旋轉至ON的過程中，主負繼電器先閉合，然后12V低壓繼電器閉合，最后主正繼電器結合，檢測無故障時預充繼電器結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。從測試結果可以發現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?？梢园l現當踩下加速踏板后，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，電機扭矩變為負，車輛進入制動能量回收狀態。由圖10b可以觀測到電池電流變為負，電池開始充電。最后踩制動踏板，車速迅速下降，電機輸出扭矩變為0，電流變為0。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 結論

本文基于dSPACE硬件在環測試平臺，從硬件系統開發、整車模型開發、測試軟件開發到VCU的測試實施，闡述了整車控制器硬件在環測試驗證的技術和方法。通過實際測試結果發現，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開發工作縮短了設計周期，降低了VCU開發成本，同時為后續實車驗證提供了反饋驗證的條件。