基于dSPACE的純電動汽車整車HIL建模及測試

江南雨，武冬梅，杜常清，熊建昌

（1.武漢理工大學 現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室，武漢430070；2.武漢理工大學 汽車零部件技術湖北省協同創新中心，武漢430070）

新能源汽車是解決環境污染和車用能源問題的有效途徑，其中純電動汽車是新能源汽車產業化的主攻方向之一[1-3]。純電動汽車中的整車控制系統是電動汽車的頂層控制中樞，能夠有效保證車輛的高效協調運行[4]。在純電動汽車整車控制系統的開發過程中，傳統的實車測試方法存在測試成本高、測試周期長等不足之處[5]，而整車控制系統HIL 測試前期采用模型層級驗證，后期結合實時仿真系統和被控對象模型，可以在實車測試之前對系統大部分功能進行驗證，降低實車測試的工作量，縮短開發周期。

目前針對純電動汽車整車控制系統的HIL 測試，在學術和產業都得到越來越廣泛的應用。文獻[6]提出基于HIL 仿真測試技術，并利用多體動力學理論建立更為精確的電動汽車部件仿真模型。文獻[7]基于MATLAB/Simulink 的交互式駕駛模擬器，對車輛的傳動系統部件在實際條件下進行了HIL 測試。文獻[8]基于V 流程開發，采用基于模型的設計方法對純電動汽車動力控制系統進行關鍵需求定義和邏輯定義，并搭建硬件在環整車環境仿真模型。

在純電動汽車整車控制系統在環測試中，開發可用于HIL 測試的被控對象模型是關鍵，目前也有不少學者進行相關研究。文獻[9]開發了用于模擬整車控制器控制對象的整車模型，并基于實時系統xPC-Target 目標機進行了硬件在環測試。文獻[10]根據整車及部件參數，在MATLAB 中開發了整車模型，并基于NI-PXI 平臺對整車控制模型進行硬件在環仿真測試。文獻[11]開發了用于電動汽車整車控制系統硬件在環測試的整車模型，并對整車模型的關鍵參數進行了選擇和設計。但是上述研究中，主要側重于整車物理系統的建模，對于模型在HIL 應用中的相關配置和測試涉及較少。

除了相關學者開發整車模型，近年來也有越來越多的商業仿真軟件和工具支持HIL 測試應用。其中硬件平臺如NI、dSPACE、RT-Lab 等[12]，軟件有Carsim、dSPACE ASM、RT-lab 等[13-14]。基于這些商業仿真軟件和實時工具平臺，可以快速進行整車建模和控制策略開發。但由于車輛類型和結構形式多種多樣，對于不同車型的控制系統開發，都要建立對應的被控對象模型。本文將基于dSPACE ASM 整車模型數據庫建立一款純電動商用車的整車被控對象模型，結合相關硬件平臺，進行HIL 測試應用。

本文首先依據所研究的純電動汽車結構和參數，建立整車各子系統模型；然后，為了能夠實現和整車控制系統的閉環測試，進行模型和整車控制系統之間的接口配置；最后，基于dSPACE 公司的SCALEXIO 仿真模擬器和MicroAutobox 快速原型控制器，建立硬件在環測試平臺，進行整車被控對象模型和控制策略之間的開環和閉環測試。

1 純電動汽車系統結構與組成

本文基于一款純電動商用車進行整車建模，動力系統采用單電機后軸驅動，配置減速器和二檔變速器。整車系統布置如圖1所示。

圖1 純電動汽車系統結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of pure electric vehicle structure

從圖1 可以看出，純電動汽車的整體結構主要包括整車控制器、動力電池、電池管理系統、DCDC、驅動電機、電機控制器、傳動裝置以及車輛附件等部分，其中傳動裝置主要包括變速器、減速器和差速器，車輛附件主要包括空調系統、PTC 系統和冷卻系統等。

2 純電動汽車整車HIL 建模和配置

針對上述純電動汽車構型，基于dSPACE 實時車輛仿真平臺ASM（automotive simulation models）進行整車建模。ASM 是dSPACE 公司開發的一套汽車仿真模型數據庫，包含了車輛各組成部件模型，可以充分利用模型庫中的部件模塊搭建整車模型。

作為被控對象模型，為了實現在HIL 測試中與整車控制系統的閉環測試，除了由各部件模型建立整車模型，還需要進行相關接口定義和硬件資源分配。因此純電動汽車整車HIL 建模包括兩部分：①建立各子系統模型和整車模型，主要包括電機系統模型、電池系統模型、傳動系統模型、車輛動力學模型、車輛附件模型和駕駛員模型；②進行與整車控制器之間的相關接口和資源配置。

2.1 電機系統模型

本文研究的純電動汽車采用永磁同步電機，基于ASM 模型庫，建立永磁同步電機數學模型。為了實現電機模型在整車模型中的應用，還建立了永磁同步電機矢量控制算法[15-16]。永磁同步電機在d 軸和q 軸上的等效電路如圖2所示。永磁同步電機矢量控制框圖如圖3所示。電機系統模型主要參數如表1所示。

圖2 電機系統等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit diagram of electric motor system

圖3 永磁同步電機矢量控制框圖Fig.3 Vector control block diagram of permanent magnet synchronous motor

表1 電機系統基本參數Tab.1 Basic parameters of electric motor system

2.2 電池系統模型

本文研究的純電動汽車采用磷酸鐵鋰電池，電池系統模型主要包括3 個模塊：①端電壓模型，用于計算電池端電壓；②電池熱力學模型，用于計算動力電池組的各個單體的溫度；③電池的荷電狀態（state of charge，SOC）估算模型，用于估計電池荷電狀態。電池端電壓模型等效電路如圖4所示。電池模型基本參數如表2所示。

圖4 電池等效電路模型Fig.4 Equivalent circuit diagram of battery

表2 電池系統基本參數Tab.2 Basic parameters of battery system

2.3 傳動系統模型

本文研究的純電動汽車采用兩檔變速器加減速器的傳動形式，傳動系統模型由變速器模型、減速器模型和差速器模型組成。

變速器和減速器輸出軸上的齒輪箱慣量由一個查表模塊參數化，查表時將當前的變速器擋位作為輸入。變速器的效率也使用相應的查表模塊進行建模，變速箱效率可以簡單考慮為關于擋位的函數，此效率僅用于扭矩的計算，即忽略與速度相關的效率。差速器中各元件的運動關系可以用差速原理表示。傳動系統模型所需的基本參數如表3所示。

表3 傳動系統基本參數Tab.3 Basic parameters of driveline system

2.4 車輛動力學模型

本文所建立的整車模型只考慮車輛縱向動力學特性，即主要考慮縱向牽引力和各項縱向阻力。車輛動力學模型將傳動系統傳遞而來的轉矩等效轉化，利用汽車驅動力-行駛阻力平衡運動方程，計算汽車驅動所需的牽引力和輪胎阻力矩，并求解車輛速度和車輪轉速。汽車在行駛過程中的縱向動力學受力示意簡圖如圖5所示。整車系統物理模型所需的車輛基本參數如表4所示。

圖5 車輛縱向動力學受力示意圖Fig.5 Schematic diagram of longitudinal dynamics of vehicle

表4 純電動汽車整車基本參數Tab.4 Basic parameters of pure electric vehicles

2.5 車輛附件模型

電動汽車的附件系統對整車能量消耗也有重要影響，在整車控制系統中也是重要的控制對象，因此需要建立電動車附件模型，包括空調系統模型、PTC 系統模型、DCDC 模型、冷卻水泵模型和冷卻風扇模型。

2.6 駕駛員模型

駕駛員模型的主要作用是模擬駕駛員的操作行為，如踩加速踏板和制動踏板，以及接收期望車速和實際車速的反饋信號等。駕駛員模型采用PID控制算法對車速差值進行控制，產生加速踏板開度和制動踏板開度信號。

2.7 整車HIL 模型接口配置

為了實現整車控制策略和整車模型的HIL 閉環測試，需要分別對模型進行接口配置。整車模型模擬的是車輛被控對象，因此其應該配置相應的輸出信號，以作為控制器的輸入信號。同時應接收控制器的輸出信號，以實現相應的控制指令。

針對所測試的控制策略，整車模型建立的輸出信號，即控制器的輸入信號如表5所示。整車模型配置的輸入信號，即控制器的輸入信號如表6所示。

表5 整車HIL 模型主要輸出信號Tab.5 Main output signal of the vehicle HIL model

表6 整車HIL 模型主要輸入信號Tab.6 Main input signal of the vehicle HIL model

本文所建立的HIL 測試系統是基于dSPACE SCALEXIO 硬件平臺，被控對象模型的接口和資源配置可以通過上位機軟件ConfigurationDesk 實現。整車HIL 模型的接口配置如圖6所示。

圖6 整車HIL 模型接口配置Fig.6 Vehicle HIL model interface configuration

3 基于dSPACE 的整車HIL 模型在環測試

基于dSPACE 公司的SCALEXIO 實時仿真模擬器和MicroAutobox 快速原型控制器，建立硬件在環測試平臺。將建立的純電動汽車整車模型下載到dSPACESCALEXIO 實時仿真器硬件中，模擬被控對象，對MicroAutobox 快速原型控制器中的控制策略進行閉環測試。

3.1 基于dSPACE 的硬件在環（HIL）平臺

整車控制系統HIL 測試平臺示意圖如圖7所示。SCALEXIO 是dSPACE 實時仿真系統的核心板卡組件，系統中運行整車被控對象系統。MicroAutoBox II 是dSPACE 快速原型控制器，運行整車控制策略。由于本文重點是建立整車被控對象模型，以實現對現有整車控制策略的測試。因此對于整車控制策略并不作詳細介紹。圖8所示為基于快速原型的整車控制系統在環測試平臺實物圖。

圖7 整車控制系統HIL 測試平臺結構示意圖Fig.7 Structure diagram of HIL test platform for vehicle control system

圖8 整車控制系統HIL 測試平臺實物圖Fig.8 Physical map of HIL test platform for vehicle control system

3.2 整車HIL 模型閉環測試結果

采用全球輕型汽車測試循環（WLTC）標準行駛工況，進行整車模型和控制系統的閉環測試。測試結果如圖9~圖12所示。

圖9 是純電動汽車在WLTC 行駛工況下的車速跟隨情況。圖10所示為純電動汽車在WLTC 行駛工況下的加速踏板開度和制動踏板開度結果。由圖中的測試結果可知，整個測試過程中，駕駛員模型根據車速差值為PI 閉環控制的加速踏板開度和制動踏板開度，車輛能較好的跟隨目標車速，期望車速與實際車速的差值總體控制在-0.1～0.5 km/h之間。

圖9 WLTC 行駛工況車速跟隨結果Fig.9 Vehicle speed follow result of WLTC driving condition

圖10 WLTC 行駛工況測試中踏板開度Fig.10 Pedal position of WLTC driving condition

圖11 和圖12所示為純電動汽車在WLTC 行駛工況下的電機轉矩變化和電池SOC 變化的測試結果。由圖中的測試結果可知，驅動電機能夠按照行駛工況的要求輸出車輛的需求轉矩，保證車輛的正常行駛。由于整個行駛工況減速工況較多，故驅動電機充分發揮再生制動功能以充當發電機。電機轉矩表現為負的再生制動轉矩，充分進行制動能量回收，將車輛制動時的機械能轉化為電能。

圖11 WLTC 行駛工況電機轉矩結果Fig.11 Electric motor torque of WLTC driving condition

圖12 WLTC 行駛工況電池SOC 結果Fig.12 Battery SOC of WLTC driving condition

4 結語

本文針對純電動汽車整車控制系統HIL 測試中應用的被控對象模型，基于dSPACE ASM 整車建模數據庫，建立了整車模型，并進行了與整車系統之間的接口配置。基于dSPACE 公司的SCALEXIO實時仿真工具和MicroAutobox 快速原型控制器，建立硬件在環測試平臺，進行了整車被控對象模型和控制策略之間的開環和閉環測試，結果表明，本文所建的整車HIL 模型能夠實現基于dSPACE 仿真平臺的實時仿真，用于對整車控制系統的在環測試。基于本文建立的模型結構，后續可以進行其它純電動汽車的整車控制系統開發和測試。