基于硬件在環仿真系統的整車經濟性仿真

李特定

摘 要：硬件在環仿真系統已經成為發動機控制器開發過程中非常重要的工具和平臺，對于提高控制器開發效率發揮著重要的作用。分析某發動機硬件在環仿真臺架結構及如何使用仿真臺架進行整車發動機經濟性仿真計算，并通過實例體現硬件在環仿真系統在汽車整車經濟性仿真的應用及相比傳統實體臺架的優勢。

關鍵詞：硬件在環仿真（Hardware in-the-loop simulation）HILs 實時系統 ECU

Economic Simulation of Vehicle Based on Hardware-in-the-Loop Simulation System

Li Teding

Abstract：The hardware-in-the-loop simulation system has become an important tool and platform in the development of engine controllers， and it plays an important role in improving the efficiency of controller development. The article analyzes the structure of a hardware-in-the-loop simulation bench for an engine and how to use the simulation bench to calculate the economics of the entire vehicle engine and demonstrate the application of the hardware-in-the-loop simulation system in the simulation of vehicle economy and the advantages compared with traditional physical benches through examples.

Key words：hardware in-the-loop simulation HILs， real-time system， ECU

1 硬件在環仿真系統簡介

汽車發動機控制技術飛速發展，電控單元ECU軟件功能日趨復雜，集成度不斷提高，傳統的測試臺架不能在產品制造之前完成對ECU的綜合測試，而硬件在環仿真系統可滿足此類測試需求，通過在虛擬環境里對被測發動機及車輛進行建模仿真，與ECU組成閉環測試環境，實現ECU的功能測試，無需真實的汽車及發動機，模擬發動機及汽車極限工況測試。

通過Simulink對發動機、傳感器、執行器及車輛進行建模，編譯成動態鏈接庫（DLL）文件，與實時仿真硬件處理器和仿真信號板卡，組成完整的硬件在環仿真系統。

在構建臺架前，需要明確被測對象、測試內容及預期目標。收集發動機萬有特性曲線圖、車輛特征參數、傳感器特性參數、待測硬件控制器及關鍵執行器。

2 硬件在環仿真系統設計

硬件在環仿真系統設計包含硬件和軟件設計，硬件設計包括硬件選型、匹配等，軟件設計包括被控對象模型設計及上位機控制界面設計。

2.1 硬件系統設計

本文使用NI品牌的硬件，主要包括： PXIe-8135RT實時處理器;I/O板卡（模擬量輸入輸出，數字量輸入輸出，PWM輸入輸出），FPGA板卡（輪速/轉速信號模擬、噴油點火信號采集）。真實硬件主要是各種執行機構：噴油器、高壓油泵、節氣門、點火線圈、繼電器等。

在被測ECU和實時硬件板卡之間增加信號調理和故障注入板卡、負載模擬模塊等，整個系統的信號定義及連接端口通過信號列表設計，將ECU真實物理接口和仿真模型之間的IO接口逐個匹配并完成物理連接。

2.2 軟件系統設計

本文硬件在環仿真系統主要使用軟件Veristand和Matlab&simulink，完成上位機控制界面設計和模型設計。四缸渦輪增壓汽油發動機Simulink模型基于Tesis enDyna商業模型搭建，模型需要的參數通過實際臺架確定或供應商提供的技術參數。包括發動機基礎特征數據（缸數、進氣類型、缸徑、沖程、壓縮比、連桿比、壓縮比）、萬有特性數據以及節氣門特性、冷卻系統和排氣系統特性、曲軸凸輪軸相位、傳感器（氧傳感器等）特性。通過enDyna模型提供的試驗數據預處理接口及模型參數化工具對發動機建模。

2.3 硬件在環仿真系統調試

系統集成調試主要包括激勵測試、開環測試及閉環調試。激勵測試和開環測試主要是確定ECU可以正確接收仿真系統生成的模擬信號，仿真系統可以正確響應ECU的控制信號，ECU與仿真系統信號正確交互。閉環調試是確認ECU可以在仿真系統中正常運行，各項功能正常執行，發動機油路、氣路、扭矩調試，通過測功機模式按照發動機的萬有特性表逐項調試，將測試結果與實際試驗數據比對，確保臺架模擬出的所有的扭矩、點火效率、充氣效率等數據與真實數據誤差滿足要求，調試過程中使用INCA軟件監控ECU在線調試，排除ECU故障及更改ECU軟件標定，實現不同版本軟件標定數據的測試。

2.3.1 發動機萬有特性曲線繪制

發動機萬有特性曲線數據來源于實際臺架試驗，反映待測發動機性能，采集到的數據需要進行可視化處理。整合外特性試驗數據負荷特性試驗數據（截取等節氣門開度燃油消耗曲線）：

a.Matlab一維插值函數Interp1（），用插補效果較好的spline（樣條型）插值：T_N=interp1（n，T，n0，'spline'）。

b.公式Pe=Ttq*n/9550，建立等功率模型曲線數據，使用三維繪圖Mesh（X，Y，Z）函數，繪制等燃油和等功率曲線。

c.調用Matlab函數Contour（n，Ttq，Pe，V）繪制等高線，增加發動機外特性曲線，如圖1。

3 硬件在環仿真系統測試

硬件在環仿真系統可驗證ECU控制算法、ECU標定、診斷功能測試及經濟性驗證等。將測試過程從汽車的真實試驗過程中分離出來，模擬被控車輛的各種工況及復雜的故障模式，快速重現故障。

整車經濟性驗證時，可根據試驗條件快速調整模型參數，通過更改軟件模型來模擬硬件的變更，在樣件制造之前提供仿真數據作為產品設計的參考。如車輛寒區/熱區啟動測試，對發動機熱傳遞模型進行精確建模，模擬環境及發動機溫度變化，實現常溫下進行部分熱區/寒區試驗。發動機冷啟動測試靜置等待時間長，通過硬件在環仿真臺架，隨時通過軟件設置試驗起始條件，快速反復進行測試，為企業節省可觀的試驗成本。

4 某車型發動機及整車Simulink模型

4.1 發動機及整車模型

發動機仿真模型主要包括兩部分：發動機模型開發，用于模擬真實的電控單元ECU，燃油噴射系統、進排氣系統、燃燒模擬系統、傳動系統、TCU及冷卻系統等;I/O模型開發，將ECU的輸入輸出信號與模型精確匹配，確保機柜與ECU接口正確連接。

使用上位機軟件進行系統定義時，同步開發人機交互界面Workspace，方便各項數據的監控和參數實時修改。

4.2 燃油消耗計算模型

整車經濟性仿真分析，即通過模擬測試工況，實時采集發動機真實噴油量，經過計算得到累積油耗，如圖2。

a.通過Workspace啟動MVEG工況循環，同步觸發速度和噴油量積分，計算行駛距離和燃油消耗總量，將實際結果換算為常用單位（L/100KM）。

b.噴油量采集，根據噴油時間計算噴油量為每循環的噴油量，折算對應發動機轉速（轉/秒），每個循環噴油一次曲軸720度，輸入噴油量除2折算為發動機每轉噴油量。

c.實際噴油體積的計算來自經過參數化后的Tesis endyna模型[1]，其數據準確性通過模型閉環調試來保證。可調整采集門限電壓值與INCA數據對比，確保采集結果準確性。

4.3 硬件在環仿真系統經濟性驗證流程

4.3.1 車型及發動機參數準備

輸入目標車型特性參數（4缸渦輪增壓汽油機+AT6，1470kg，整車慣量10.2315kgm2，主減速比3.683，輪胎半徑0.3m）、coastdown曲線（118.23/0.1751/0.0338）、變速箱換擋曲線等參數。Coastdown參數是汽車速度變量的綜合阻力曲線二次擬合函數（F=F0+F1*V+F2*V2），整車慣量kg*m2計算：

4.3.2 MVEG循環工況建模

通過Simulin對MVEG循環建模并設計駕駛員控制模型，調節速度控制PID參數，達到實際車速跟隨循環目標車速，真實模擬實際駕駛過程，確保試驗數據可靠。

4.3.3 啟動MVEG循環

循環啟動后全程無需試驗人員值守，通過多次試驗不同車型并與實際臺架測試結果比較，誤差保持正負3%以內，六次試驗平均值6.59L/100KM，試驗結果一致性較好。通過上位機軟件可以更改整車經濟性驗證相關參數，可以實現多次快速仿真。使用TestStand軟件，設計編寫自動化測試序列，自動測試并生成報告，實現一鍵啟動、無人值守測試，降低試驗成本，提高測試效率。

4.4 與實物臺架經濟性驗證對比

目前很多公司采用實物臺架完成驗證，與硬件在環仿真系統相比，實物臺架建設周期長，人力資源投入多，且輔助系統投入大，如臺架燃油供給系統、通風系統、溫度控制系統、專業車輛駕駛員等。仿真臺架配置方便快捷，普通實驗室環境即可布置，在成本和效率上明顯優于傳統實物臺架。更換變速箱或車輛基礎參數后，只需修改模型即可開始試驗模擬，通過比對變更對最終經濟性的影響，為設計變更提供參考。

5 結語

硬件在環仿真系統在汽車企業技術研發領域應用廣泛，通過系統仿真方法，分析模擬車輛經濟性，為實際設計提供有價值的參考數據，可大幅縮短設計開發及測試周期，降低能源消耗和開發成本，符合國家節能減排方針政策，提高企業在新技術競賽中的核心競爭力。

參考文獻：

[1]TESIS DYNAware enDYNA 2.04 Block Reference Manual.

[2]GB 18352.5-2013 輕型汽車污染物排放限值及測量方法.