電動汽車整車控制器硬件在環測試系統設計

邢博 周家平 王春陽 王小臣

摘 要：文章研究了電動汽車整車控制器硬件在環測試系統的整體測試流程，分析在環測試的關鍵技術，整合系統硬件結構，具體闡述了硬件在環測試中電動汽車各系統的具體的軟件模型，并基于NI PXI/LabVIEW搭建了硬件在環測試系統的軟硬件測試平臺。以一款電動汽車整車控制器（VCU）為被測對象，搭建了電動汽車VCU硬件在環測試系統，通過測試序列實現對整車控制器功能策略的測試驗證試驗。試驗表明該硬件在環測試系統能夠準確全面檢測VCU各項功能，提高VCU產品性能，有效縮短開發周期。

關鍵詞：硬件在環測試;電動汽車;整車控制器;系統模型;LabVIEW

中圖分類號：U467 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）19-27-06

Design of Vehicle Controller Hardware in Loop Test System for Electric Vehicle*

Xing Bo， Zhou Jiaping， Wang Chunyang， Wang Xiaochen

（ China Automotive Technology and Research Center Co.， Ltd.， Beijing CATARC Science and

Technology Center Co.， Ltd.， Beijing 100070 ）

Abstract： Design of Vehicle Controller Hardware in Loop Test System for Electric Vehicle This paper studies the whole process of vehicle controller hardware in the loop test system design， and analyzes the critical technologies. Integrate the hardware and make a profound study for the software model of each part. Build hardware-in-loop test platform for electric vehicle controller based on NI PXI/LabVIEW. Taking a vehicle controller unit of electric vehicle as the test object， writing the test sequence verify the function and control strategy of vehicle controller. The experiment results show that the test system can accurately and comprehensively detect the functions of VCU， improve the performance of VCU products， and effectively shorten the development cycle.

Keywords： HIL; Electric vehicle; VCU; System models; LabVIEW

CLC NO.： U467 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）19-27-06

前言

近年來，隨著電動汽車產業的迅速發展，政府主管部門對生產廠商的研發能力要求逐步提高，國產汽車廠商開始加大電動汽車的研發建設投入。整車控制器作為電動汽車核心部件之一，其開發測試愈發受到關注。

硬件在環（HIL）仿真測試是控制器開發過程中重要的測試驗證方法。仿真測試系統接入被測控制器，通過運行仿真模型模擬受控對象的運行狀態，為被測控制器形成虛擬車輛測試環境，實現對被測控制器功能性能的測試驗證。硬件在環測試可以通過調整軟件模擬參數迅速更改研發測試需求，能夠高效快速驗證VCU的功能，可以充分模擬極限狀態的測試環境，大大提高了測試效率，縮短了控制器開發測試成本和周期。[1-5]

當前整車控制器的開發過程中，部分國產汽車廠商仍然對硬件在環測試不夠重視。一方面由于設備及人員技術能力良莠不齊，汽車廠商雖然具備研發測試能力，但整車控制器的實際測試仍由控制器供應商主要負責;另一方面，車輛模型直接關系到仿真模擬的準確性，目前多數車企搭建的車輛模型不夠完善，商業模型往往存在保密或不適用的問題，而不同型號車輛的控制器在測試中均需要對車輛模型進行調整的，這需要測試人員對于車輛模型十分熟悉。這些都造成電動汽車整車控制器硬件在環測試往往不夠全面準確，應用有限。[6-13]

本文以電動汽車VCU為被測對象，通過對當前硬件在環測試系統測試流程進行研究，梳理系統架構，分析關鍵技術，利用LabVIEW開發了測試管理軟件，基于NI PXI硬件平臺搭建了的硬件在環測試系統，主要在硬件集成、模型構建、軟件管理上進一步實現優化，并通過系統對電動汽車VCU進行了測試驗證工作。

1 系統方案

電動汽車VCU HIL測試系統主要由被測對象、HIL硬件系統、仿真模型、管理軟件4部分組成。系統總體架構如圖1所示。HIL硬件系統搭載實時仿真模型模擬車輛運行狀態，提供給待測VCU模擬車輛信息，同時接收相應狀態下被測VCU的響應輸出，根據響應調整模擬車輛狀態，形成被測VCU的測試環境，通過監測管理測試環境下的各部分輸入響應狀態，實現VCU的硬件在環測試。

上位機管理軟件運行在PC端上，使用LabVIEW編寫，具備人機交互功能，通過軟件界面調整系統參數、編寫測試序列、顯示結果數據，通過與實時處理器的通信實現對整個測試流程的管理。

HIL硬件系統主要包含實時處理器、信號調理、故障注入、仿真負載、電阻模擬、輸入輸出接口等模塊。實時處理器通過IO及CAN與待測VCU連接。處理器內部搭載實時仿真模型，運行仿真模型輸出給被測VCU，提供模擬仿真測試環境，同時接收被測VCU在該測試環境下的輸出響應，形成完整的閉環測試。

實時仿真模型通過運算仿真提供被測VCU運行的整車環境。模型接收管理軟件輸入控制，經實時處理器運算求得整車各部分運行狀態信息并輸出，被測VCU接收模型輸出的車輛運行狀態信息，經過內部軟件控制策略進行響應，輸出對應環境下響應的控制命令及需求狀態，模型根據控制器輸出進行模擬車輛狀態更新，為測試系統提供實時車輛模擬。

2 系統硬件系統方案

電動汽車VCU硬件在環測試系統硬件共包含8部分，分別是實時處理器、I/O板卡、CAN通信板卡、信號調理單元、故障模擬單元、負載模擬單元、電阻模擬單元和供電單元，各部分連接如圖2所示。

上位機通過網線和PXI機箱，機箱包含實時處理器、IO板卡及CAN通信板卡。CAN通信板卡通過CAN線與故障模擬單元及被測單元連接，其中一路CAN負責控制故障模擬信號，其余路CAN與被測單元通信;IO板卡輸出信號經信號調理單元、故障注入單元與被測VCU連接。被測VCU與連接負載單元及電阻模擬單元。

本文采用的是NI PXIe8840控制器作為硬件在環測試系統的計算平臺，IO板卡選取了PXI-6624、PXI-6738、PXI-6612，CAN卡選取了PXI-8512，共4路CAN。

2.1 信號調理單元

信號調理單元負責將數字量IO板卡的信號進行調理，DI由0-5V調理為0-12V，DO相反。調理電路見圖3所示，其中閾值可調分壓電路可以滿足不同電壓轉換的調理。

閾值可調分壓電路通過多位開關切換不同位置實現輸出電壓的輸出，再將輸入與線性比較器相連，實現可調電壓輸出的信號調理模式。具體的實施方式如下：二極管陰極處作為輸出采樣點，與地之間設置電阻，在輸出點處串聯多段電阻，通過二極管陽極及多段電阻不同位置作為多個輸入點，通過繼電器操縱單刀多擲開關切換，輸出點可以得到1/2、2/3等多種規格的輸出電壓，再通過比較、隔離、穩壓實現使用方便、高電平可調的信號調理裝置。

2.2 故障模擬單元

故障注入單元負責給被測單元的信號線路制造故障，包括斷路，對電源、對地斷路，自定義通道短接，支持手動和自動控制。

故障模擬單元控制分為主板和從板，從板可進行擴展以實現故障路數的擴展。通過故障主板接收CAN報文信號控制可擴展從板，從板輸出電路串有斷路開關，從板輸入接線端與總電源之間可串入電源短路開關。從板主控可由主板報文和手動開關雙重控制，可通過驅動繼電器也可以通過手動實現短路和斷路故障模擬，通過從板擴展以實現大量的故障注入。

2.3 負載及電阻模擬單元

負載單元裝有繼電器板卡，用于模擬被測對象的繼電器負載。電阻模擬單元裝有電阻板卡，可通過總線設置電阻輸出，用于仿真溫度傳感器等。兩部分單元均可以通過CAN報文設置管理。

3 車輛模型方案

整車控制器硬件在環測試系統的車輛模型分為輸入輸出模塊、駕駛員模型、整車動力學模型、變速器減速器模型、MCU及電機模型、BMS及電池模型。各部分模型關系如圖4所示。通過上位機軟件調整模型的輸入參數，被測VCU根據輸入命令進行反饋，在Ready狀態下根據輸入加速制動響應需求轉矩或轉速，反饋至模型控制電機模型轉動，電機狀態反饋至電池模型影響電池狀態，同時電機轉速轉矩經變速減速箱輸出至整車動力學模型，經計算得出車速，電池參數及車速參數經儀表顯示或經車速傳感器至被測VCU。

3.1 車輛動力學模型

車輛動力學模型主要求解車輛在行駛過程中的驅動力與阻力，然后求解車輛狀態。分為車輪模型和車速模型。

車輪模型接收主減速器傳遞的轉速和轉矩，根據路面附著系數及車輛參數，輸出驅動整車的牽引力和車輪的滑移率。整車實際受到的牽引力最大不超過車輪與地面最大附著力，相應計算公式如下：

式中：Ft為牽引力;Fb為機械制動力;Ta為減速器傳遞力矩;Ti為慣性力矩;Td為拖拽力矩;Fmax為最大附著力;W為軸荷;φ為路面附著系數。

車速模塊根據驅動力和汽車行駛收到的阻力，計算出車輛加速度和速度。汽車行駛過程中受到的總阻力：

（3）

式中：∑F——總阻力;Ff——滾動阻力;Fw——空氣阻力;Fi——坡度阻力;Fj——加速阻力。

根據以上分析構建車輛動力學模型如圖5所示：

3.2 電機模型

電機模型根據輸入轉矩和轉速計算電機輸出功率，然后在計算實際輸出的轉矩和轉速。電機模型受到電池模型輸出能力的限制。電機模型主要分為轉矩計算模型、機械效率模型和和熱管理模型3部分。轉矩計算模型計算加速慣性轉矩為變速器當前檔位的轉動慣量與其轉動角加速度的乘積。電機機械效率等于直流側功率和軸功率的比值，根據實際測試得到電機機械效率MAP圖，然后根據測試數據在模型中建立二維查表。圖6是某品牌電機的機械效率圖。電機熱管理根據經驗公式計算得到。電機系統整體模型如圖7所示。

3.3 電池模型

電池模型主要用于模擬電池外特性，本研究以磷酸鐵鋰電池為例，基于單體構建電池模型，充分反映電池單體及電池總成的工作特性。模型需要能夠模擬電池包充放電過程SOC、電壓、溫升的變化，還要模擬電池老化情況。電池整體模型主要包含電池外特性模型、熱力學模型、老化模型、充放電模型。各模型之間的聯系如圖8所示。SOC、單體參數、充放電電流共同影響SOH及發熱，發熱及加熱冷卻影響溫度，溫度影響單體參數，單體參數、溫度、充放電共同影響電池狀態。

電池模型外特性模型模擬不同激勵下的外特性響應情況，基于二階RC動力電池模型，其等效電路模型如圖9所示。

采用安時法計算求取電池SOC。計算公式如下：

式中：SOC0為初始SOC;C為電池容量;η為庫倫效率。

電池老化模塊用于模擬電池在不同工況下的老化程度以及計算電池自身發熱。電池老化SOH是通過試驗獲取電池充放電容量與SOH之間的數據關系，然后在模型中通過充放電獲取電池充放電容量，然后根據試驗數據查表得到電池SOH。電池發熱根據電池充放電電流與電池極化及歐姆電阻計算得到發熱功率。

4 測試平臺軟件

測試軟件基于LabVIEW軟件創建測試管理界面。軟件基于隊列的動態多引擎生產者消費者架構進行設計。軟件能夠進行配置硬件及模型輸入輸出接口，可以導入通信協議報文，支持常用數據庫訪問，能夠實現數據采集、界面刷新、流程控制、數據回訪等核心功能。

測試軟件根據實際測試流程進行了模塊化設計。分為測試界面、模型管理、通道配置、自動化測試、傳感器配置和用戶管理6部分，整體軟件結構圖如圖10所示。

測試界面包含虛擬儀表界面、CAN報文界面和IO狀態界面和故障注入4部分。虛擬儀器界面是測試主界面，包含車輛信息顯示，常用手動測試操作等;IO界面包含控制器引腳狀態顯示和模型輸入輸出兩部分，控制器引腳部分用于查看設置被測控制器的所有引腳狀態，模型輸入輸出用于設置模型輸入參數和查看當前模型輸出情況，可以更為清晰的了解模型狀態;CAN通信界面包含測試系統CAN和車輛CAN兩部分，測試系統CAN用于管理測試系統自身，例如故障注入及電阻模擬就是通過測試系統CAN來進行控制的，車輛CAN指的是模擬被測控制器所處車輛的CAN通信，路數根據實際模擬車輛進行調整，可以直接明了的查看當前車輛通信信息;故障注入界面可以進行故障注入操作，主要包含通道的短路及開路，也可以在自動測試序列中通過程序及報文實現。模型管理界面用于導入模型，導入后可以看到模型所有的輸入輸出，可以將模型輸入輸出引腳進行綁定至通道或儀表控件。通道配置指的是測試系統的所有測試通道的管理配置，包含測試系統模擬量輸入輸出、數字量輸入輸出和CAN通信的配置，通過通道配置，將測試系統的通道和被測VCU及上位機進行關聯。傳感器配置可以配置被測VCU部分采集數據，例如通過調節電阻模擬溫度采集等。用戶管理界面用于測試軟件用戶的權限信息配置。

5 驗證測試試驗

本研究采用某款純電動客車整車控制器為被測對象，開發電動汽車VCU硬件在環測試系統，對控制器功能進行測試。測試內容包括控制器通信、高壓上下電管理、驅動及工況測試、能量優化、故障處理和其他管理6部分。測試界面如圖11所示。

其中高壓上下電測試了正常上電、下電與異常上電、下電兩種情況。驅動及工況測試了最高車速、需求扭矩、蠕行驅動等幾方面。故障處理做了BMS及MCU掉線、附件故障、接觸器保護、高壓主動斷電控制的測試。能量優化包含電池放電及能量回饋兩部分。其他管理包含了充電管理、檔位、DCDC、除霜、空調、水泵、氣泵、檔位電源等控制的測試。

控制器高壓上電測試結果如圖12所示，鑰匙信號由OFF依次變化為ACC、ON和START，測試過程中VCU狀態值反饋正常，MCU使能正常，高壓繼電器吸合，整車進入READY狀態，完成高壓上電。

驅動能力最高車速測試結果如圖13所示，加速踏板開度為100%，因測試用控制器為公交車用控制器，從測試結果可以看到，最高車速限制在70km/h，最大需求扭矩在2800NM左右。

能量回饋測試結果如圖14所示，車輛正常上電后加速至60km/h以上，然后停止加速踏板，可以看到需求轉矩變化為負值，此時進入能量回饋狀態，當再次加速之后踩下制動踏板，同樣進入能量回饋狀態，可以看到不同制動狀態下，能量回饋效果不同。此時電池電流為負，電池進入充電狀態。

為了更好的在實驗中體現車輛性能和運行狀況，許多汽車工況被開發應用，本實驗以歐洲NEDC進行工況測試，因為被測VCU最高速度為70km/h，所以只做市區運轉循環測試。以駕駛員模型中NEDC工況執行自動測試序列。測試結果如圖15所示。其中下圖為對應的加速及制動信號，加速信號由兩路信號共同控制，上圖為車速和需求轉矩，藍色為實際車速，可以看到共完成了4個循環，工況最高車速52.4km/ h，與實際測試較為符合。

6 結論

本文基于NI PXI硬件，完成了從硬件系統開發、整車模型優化、測試軟件開發到具體VCU的實際測試驗證。通過試驗表明該HIL系統軟硬件能夠支持電動汽車VCU的硬件在環測試，模型能夠準確反映車輛狀態，為其他電動汽車VCU硬件在環測試系統的開發測試提供參考借鑒。利用該HIL系統可以較為迅速有效在開發測試階段對VCU基本功能進行驗證，縮短開發周期，為后續實車試驗提供參考數據。下一步的工作需要根據控制器實車情況對硬件在環測試系統進行反向驗證，進一步提高完善測試系統的完整性。

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