HEV功率級硬件在環測試系統開發及試驗研究

趙夕長，薛奇成，鳳志遠，耿聰，耿麗珍，張欣

（1.奇瑞汽車股份有限公司，安徽，蕪湖 241009；2.北京交通大學新能源汽車動力總成技術北京市重點實驗室，北京 100044）

隨著能源短缺和環境污染問題日益加劇，新能源汽車成為當前汽車行業的主要發展方向。在新能源汽車中，HEV兼具續駛里程長和燃油消耗小的優點，是近年來國內外研究和發展的熱點方向。混合動力汽車的控制策略是汽車安全運行的重要保證，并且對汽車行駛過程的經濟性和舒適性等特性有重要影響。隨著汽車開發技術的發展，對于混合動力汽車控制策略和控制器的開發逐漸放棄了傳統的串行開發方法，目前通常采用“V”循環開發流程，其主要包括控制系統分析、控制策略開發、硬件在環測試和樣車標定等環節。硬件在環測試作為混合動力汽車控制策略開發過程中的重要環節，可以縮短控制策略開發時間，提高控制策略的控制性能和整車技術水平。

由于硬件在環測試技術的優勢，硬件在環測試在汽車開發過程中得到高度重視，國內外學者在該領域開展了一定的研究。范皓采用CANoe軟件作為上位機監控和管理硬件在環系統，VT System作為下位機運行被控對象模型，保證了仿真系統的實時性。熊溪在上位機中安裝了NI VeriStand軟件，采用基于NI PXI的硬件系統作為下位機，搭建了電池管理系統和整車控制器的硬件在環測試系統，并且進行了二者聯合的硬件在環測試。唐云根 據 動 力 總 成 控 制 模 塊（Power Control Module，PCM）的開發需求，采用NI PXI的硬件設備和VeriStand軟件搭建了PCM硬件在環測試系統。MAXWELL等針對通用汽車的雙模式混合動力汽車進行了硬件在環測試，將dSpace MicroAutobox作為控制器，實現了MicroAutobox和NI PXI通過CAN總線的相互通信。黃光健針對汽車自動變速器搭建了硬件在環測試系統，測試了自動變速器控制軟件的功能。LI Yang等利用快速原型的方法，使用dSPACE MicroAutoBox II組成的硬件實現了對于多個控制器的信號級別的硬件在環仿真測試。KAARTHIK等提出了一種用于并聯混合動力電動汽車的實時仿真器，使用傳動系統的電力電子功率級仿真器來實時測試和驗證控制策略，實現了功率級的仿真測試。趙治國等結合自主開發的TCU和臺架用雙離合器及其換擋執行機構，搭建了干式DCT控制系統硬件在環試驗平臺。JIANG Shugang等以高性能實時控制器為中心，設計了包含多個測功機的機械級硬件在環平臺。

綜上，硬件在環測試技術是一種廣泛用于汽車控制策略開發與測試的技術，其主要包含信號級別、功率級別和機械級別等3種方式。其中，信號級硬件在環測試系統通過建立實時運行的被控對象模型來模擬真實的測試環境，具有安全、簡單的優點，但其只能對控制算法和邏輯進行測試，無法對電力電子器件進行性能測試。而機械級硬件在環測試系統雖然可對控制系統進行多方位的測試和驗證，但該測試系統需要搭建包括測功機在內的大型機械設備，系統搭建和測試成本極高。隨著電力電子技術的發展，在測試系統中加入實物電子執行機構的功率級硬件在環測試系統，既可以對汽車功率級電子器件進行全面的測試，又可以減少試驗費用，因此具有十分重要的研究價值。

本文以一款新型混合動力汽車為研究對象，重點對其控制策略開發和測試過程中的硬件在環測試環節進行研究。為了提高硬件在環測試系統對控制策略驗證的準確性，使測試系統的真實度進一步提高，結合本文所研究的動力傳動系統的工作特點（離合器和同步器均為液壓驅動），設計并開發了考慮實物電磁閥在內的功率級硬件在環測試系統，并基于動態協調控制策略對所開發的功率級硬件在環系統的測試功能進行驗證。本文研究工作對提高混合動力汽車的控制技術具有一定的工程及理論意義。

1 混合動力汽車結構及工作原理分析

本文所研究的混合動力汽車，其結構如圖1所示。由圖1可知，該混合動力汽車動力傳動系統由1臺發動機、兩臺電機和1個3擋混合動力變速器組成。其中，電機1為輔助驅動電機；電機2為驅動電機，可以單獨驅動車輛行駛；G1、G2和G3分別為不同傳動比的3組齒輪對。

圖1 混合動力汽車動力傳動系統結構

本構型通過3個離合器和1個同步器的協調配合可以得到不同的動力傳遞路線，從而實現純電動驅動模式、混合動力驅動模式等多種工作模式，也可以在特定工作模式下實現不同擋位的工作狀態。通過離合器1的接合控制可以實現發動機與電機1輸出轉矩的耦合。通過同步器、離合器2以及離合器3的接合（或分離）控制可以實現混合動力變速器在3個擋位間的切換。

對于本文所研究的動力傳動系統而言，離合器和同步器是實現模式切換和擋位切換的關鍵部件。而此構型中，離合器和同步器的控制方式均為液壓驅動，即通過控制比例電磁閥調節液壓系統中液壓支路的油壓，從而實現對離合器和同步器的工作狀態的控制。混合動力變速器液壓系統中的電磁閥采用直驅式比例壓力電磁閥，該電磁閥可以根據控制器發出的電流大小，按線性比例調節液壓系統的油壓大小。比例電磁閥控制信號的類型是功率級的驅動信號，比例電磁閥的最大控制電流為1.5 A。

2 功率級硬件在環測試系統開發

2.1 功率級硬件在環測試系統方案設計

為了更加全面真實地驗證控制策略的正確性和控制信號的交互情況，本文在傳統的硬件在環測試系統的基礎上加入混合動力變速器液壓系統內的執行機構——比例電磁閥，由控制器發出真實的功率驅動信號對比例電磁閥進行控制，從而搭建功率級的硬件在環測試系統。本文所設計的功率級硬件在環測試系統總體方案如圖2所示。

圖2 功率級硬件在環測試系統總體方案

硬件在環測試系統中使用快速原型控制器發出功率級的驅動信號對比例電磁閥進行控制；并開發比例電磁閥的電流檢測模塊，將比例電磁閥的實際電流采集至仿真平臺，與混合動力汽車模型進行信號交互，從而實現功率級的硬件在環測試。

由圖2可知，本文設計的功率級硬件在環測試系統主要包含5部分：控制器、混合動力汽車模型仿真平臺、比例電磁閥、信號處理模塊和實時監控管理系統。其中，控制器采用快速原型控制器，以便于控制策略程序和底層信號接口軟件的開發。通過硬件在環測試系統的仿真平臺對混合動力汽車整車模型進行實時處理和計算，模擬車輛的實際運行情況。比例電磁閥和混合動力汽車整車模型共同組成硬件在環測試系統中的被控對象，由硬件在環測試系統中的控制器進行控制。電流檢測模塊負責對比例電磁閥的信號進行處理，實現實物執行機構與虛擬仿真模型之間的信號交互。通過電流檢測模塊和仿真平臺，控制器和被控對象之間可以進行數據交換和信息傳遞，模擬控制器實際的工作環境，從而對控制器進行硬件在環測試。實時監控管理系統是整個系統的指揮中心，可實現測試參數的調整和數據記錄通道的添加等功能。

2.2 硬件系統開發

根據本文提出的功率級硬件在環測試系統總體方案，其硬件系統主要包括NI PXI平臺、控制器、比例電磁閥、電流檢測模塊、電源模塊和計算機等設備，如圖3所示。本文重點對比例電磁閥電流檢測模塊和I/O信號硬件接口模塊的開發進行研究。

圖3 測試系統的硬件系統

2.2.1 比例電磁閥電流檢測模塊開發

比例電磁閥是混合動力變速器液壓系統中的重要執行機構，其驅動控制效果直接影響整車行駛的舒適性和經濟性。比例電磁閥的工作電壓為12 V，工作電流0～1.5 A。NI PXIe 6341多功能I/O模塊模擬電壓采集通道支持輸入的最大電壓值為11V，最大電流值為20 mA。NI PXIe 6341模塊無法直接采集并讀取比例電磁閥的電流值。為防止NI PXIe 6341多功能I/O模塊出現燒損等故障，并且實現對比例電磁閥電流的采集，本文在比例電磁閥和NI PXIe 6341模塊之間加入電流檢測模塊，將比例電磁閥線圈的實際電流按線性比例轉換成NI PXIe 6341多功能I/O模塊可以直接采集的模擬電壓量。本文搭建的包含負載電路的調試環境平臺如圖4所示。

圖4 電流檢測模塊調試平臺

電流檢測模塊供電電壓為7～12 V，電流檢測范圍為0～2 A，適用于感性負載、容性負載和阻性負載等不同類型的負載電流檢測。電流檢測模塊的輸入為待測電路的電流，輸出為0～5 V的模擬電壓，同時支持串口輸出信息，可以通過USB轉TTL模塊與計算機進行連接。

通過改變負載電路中的電流大小，可對電流檢測模塊的信號轉換功能進行檢驗。在調試過程中，通過負載電源讀取負載電路中實際電流值，通過示波器讀取電流檢測模塊工作時輸出的模擬電壓值。模擬電壓值與實際電流值的對應關系曲線和線性擬合曲線如圖5所示。

由圖5可知，模擬電壓值與實際電流值的線性擬合曲線線性度較高，擬合優度判定系數為0.995 8。電流檢測模塊的調試結果表明電流檢測模塊測量電流值精確度較高，可以按固定的線性比例將實際電流值轉換為NI PXIe設備能夠采集的模擬電壓值。

圖5 電流檢測模塊調試結果

2.2.2 比例電磁閥電流檢測模塊開發

混合動力汽車模型在NI PXI實時處理器中運行，NI PXI平臺將轉速傳感器信號和踏板開度傳感器信號發送給控制器，控制器根據輸入的傳感器信號，發出轉矩控制信號和混合動力變速器的控制信號。具體而言，NI PXI平臺將4路轉速傳感器信號（頻率量信號）和兩路踏板開度傳感器信號（模擬電壓量信號）傳遞給控制器，其中包括：電機1轉速傳感器、電機2轉速傳感器和發動機轉速傳感器，頻率范圍為0～10 000 Hz；車輛速度傳感器，頻率范圍為0～200 Hz；加速踏板傳感器信號和制動踏板傳感器信號，電壓范圍0～5 V。

本文利用NI PXI平臺中的PXIe-6341多功能I/O模塊、PXIe-6738模擬輸出模塊進行功率級硬件在環測試系統的信號I/O硬件接口開發。由于PXIe-6738模擬輸出模塊的四路通用計時器通道不能同時輸出，所以采用PXIe-6341多功能I/O模塊的四路通用計時器產生轉速傳感器信號。踏板開度傳感器信號類型為模擬電壓信號，由PXIe-6738模擬輸出模塊產生。信號接口分配見表1。

表1 傳感器信號接口

NI PXI平臺需要采集的電壓模擬量信號包括控制3個離合器和兩擋同步器的5個比例電磁閥電流檢測模塊輸出的模擬電壓量信號，其電壓范圍為0～5 V。電流檢測模塊的模擬電壓信號采集只能通過PXIe-6341多功能I/O模塊的電壓采集通道實現，電壓采集方式分為差分采集和單端采集，為保證采集電壓的精度，本文采用差分通道采集。NI PXIe-6341模塊的模擬電壓差分采集信號接口見表2。

將控制器信號引腳線、電流檢測模塊信號輸出線和NI PXIe-6341、NI PXIe-6738模塊的信號引腳按照表1和表2信號接口列表進行連接，并通過VeriStand軟件確定實際硬件接口與I/O信號的映射關系，從而完成功率級硬件在環測試系統I/O信號硬件接口的開發，實現硬件在環測試系統中NI PXI平臺信號的接收與發送功能。

表2 電磁閥電流采集信號接口

2.3 軟件系統開發

根據本文提出硬件在環測試系統總體方案，確定了該硬件在環測試系統的軟件系統組成，主要包括混合動力汽車整車模型、控制策略和信號接口軟件等模塊，如圖6所示。

圖6 測試系統的軟件系統

2.3.1 整車及動力傳動系統建模

本文所研究的混合動力汽車模型中涉及到了機械系統、液壓系統、電磁系統、控制系統等多個子系統，因此，選擇AMESim軟件來搭建混合動力汽車整車模型。整車主要參數見表3。基于AMESim軟件搭建的混合動力汽車整車模型如圖7所示。

表3 整車主要參數

由圖7可知，混合動力汽車整車模型主要包括發動機模型、電機模型、混合動力變速器模型、整車縱向動力學模型、駕駛員模型、電池模型和AMESim_VeriStan接口模型等。AMESim_VeriStand接口模型一方面可以將硬件在環測試系統中NI PXI平臺采集到的控制信號傳遞給模型，另一方面可以將模型內的參數變化情況輸出到NI PXI平臺。

圖7 混合動力汽車整車模型

2.3.2 快速原型控制器驅動信號接口軟件開發

混合動力變速器中有5個比例電磁閥用于調節液壓支路油壓，因此，本文需開發5路比例電磁閥驅動信號的接口軟件，以其中一路為例，對驅動信號接口軟件進行說明。

比例電磁閥需要0～1.5 A的恒流功率驅動信號才能正常工作，本文基于Matlab/Simulink和ECUCoder開發了快速原型控制器中的恒流功率驅動信號接口軟件，如圖8所示。

圖8 比例電磁閥驅動信號接口軟件模型

由圖8可知，恒流功率驅動信號接口軟件包括Constant Current Driver和Current Read兩部分。61：O_CURRENT14_LS3A是由控制算法模型所得到的比例電磁閥目標電流的輸入端口，單位為mA。Dither Enable是顫振模式的設置端口，可以設置是否開啟顫振模式。Dither Frequency和Dither Amplitude是顫振頻率和顫振幅值的設置端口。KP和KI是比例電磁閥目標電流的控制參數，該參數直接影響電流變化的動態性能和穩態誤差。合理的KP、KI參數可以提高電磁閥的控制效果，本文采用經驗公式確定KP和KI的數值，具體公式如下。

式中：為比例電磁閥自然頻率，Hz；為驅動信號PWM頻率，Hz；為精度系數，一般取5；為阻尼比，一般取0.4～0.707；為比例電磁閥電阻，Ω；為比例電磁閥電感值，H；為比例電磁閥供電電壓，V。

Current Read模塊可以實時讀取快速原型控制器所發出的控制電流的大小并將其輸出。在KP和KI取值合理的情況下，該模塊的輸出值與Constant Current Driver的目標電流輸入量基本相同。

Matlab/Simulink中所示的數據類型默認都是double類型，因此，在Constant Current Driver和Current Read所有的輸入、輸出端口都添加了數據類型轉換模塊，以匹配驅動信號接口軟件所需的數據類型。

2.3.3 快速原型控制器模擬信號接口軟件開發

本文開發的模擬信號接口軟件如圖9所示。硬件在環測試系統中共有兩路電壓信號和4路頻率信號作為快速原型控制器的輸入信號。因此，模擬信號接口軟件主要包括模擬電壓信號接口軟件和模擬頻率信號接口軟件兩部分。

圖9 模擬信號接口軟件模型

模擬電壓信號接口軟件中，28：I_AN09_5V/SW10_H是加速踏板開度傳感器信號對應的輸入接口，29：I_AN10_5V/SW10_H是制動踏板開度傳感器信號對應的輸入接口。其中，28代表了控制器信號引腳編號，I代表輸入，AN代表模擬電壓量，5 V代表可輸入的模擬量電壓最大值為5 V，SW10_H代表該引腳可以兼容開關量輸入。模擬頻率信號接口軟件中，18：I_HALL1是車速傳感器信號對應的輸入接口，19：I_HALL2是電機1轉速傳感器信號對應的輸入接口，35：I_HALL3是電機2轉速傳感器信號對應的輸入接口，36：I_HALL4是發動機轉速傳感器信號對應的輸入接口。其中，18代表了控制器信號引腳編號，I代表輸入，HALL代表頻率量。

Matlab/Simulink中所搭建控制算法中的數據類型均為double類型，因此，在上述模擬信號輸出端口都添加了數據類型轉換模塊，以匹配應用層控制算法所需的數據類型。

3 功率級硬件在環測試系統試驗研究

本文所搭建的功率級硬件在環測試系統試驗臺如圖10所示，其主要包括NI PXI平臺、快速原型控制器、計算機（人機交互界面）、比例電磁閥、電流檢測模塊和電源等部分。基于本文提出的動態協調控制策略（包含換擋控制策略和模式切換控制策略），進一步對功率級硬件在環測試系統試驗臺開展測試試驗。

圖10 功率級硬件在環測試系統試驗臺

3.1 換擋控制策略測試試驗

3.1.1 換擋控制策略研究

當車輛工作于電機2單獨驅動的純電動工作模式下，以1擋切換至3擋為例，所設計的控制策略流程圖如圖11所示。按照換擋過程中同步器和電機動作順序及工作狀態的改變，換擋過程分為：保持原擋位行駛階段、電機2轉矩卸載階段、摘空擋階段、掛擋階段和電機2轉矩恢復階段5個階段。

圖11 基于同步器動作的換擋控制策略流程

3.1.2 換擋控制策略試驗結果分析

基于3.1.1中設計的換擋控制策略對硬件在環系統的控制策略測試功能進行試驗驗證。在快速原型控制器載入換擋控制策略模塊進行硬件在環測試，測試結果如圖12所示。由圖12可知，硬件在環測試過程中，主要有兩種信號類型，一類是通過CAN總線傳遞的CAN信號（電機轉矩信號）；另一類是通過硬線線束傳遞的模擬量信號（車速、踏板開度信號）。車速和加速踏板開度是測試過程中NI PXI平臺所產生并發送給快速原型控制器的模擬信號值，電機轉矩是NI PXI平臺所收到的CAN信號值。在圖12中，加速踏板開度信號作為換擋控制策略的測試輸入信號，保持不變。在車輛換擋過程中，電機轉矩先減小后增大。A點是換擋開始點，此時NI PXI平臺運行的混合動力汽車整車模型產生的車速和加速踏板開度信號滿足了控制器中控制策略的換擋條件，控制器發出了電機轉矩控制信號進行換擋，電機的轉矩逐漸卸載至0。B點為換擋結束點，電機轉矩恢復至需求轉矩值。由硬件在環試驗測試結果可知，本文所搭建的功率級硬件在環測試系統通過CAN信號與模擬信號的信號交互，實現了換擋控制策略的硬件在環測試。

圖12 換擋控制策略的硬件在環測試結果

3.2 模式切換控制策略測試試驗

3.2.1 模式切換控制策略研究

當控制器發出由純電動切換至并聯驅動的模式切換指令后，混合動力汽車將由雙電機驅動階段進入啟動發動機的階段。本文設計了一種雙電機純電動驅動模式切換至并聯驅動模式切換過程的控制策略，其控制策略流程圖如圖13所示。該模式切換過程分為雙電機純電動驅動、啟動發動機、發動機調速和轉矩協調4個階段。

圖13 純電動至并聯驅動的模式切換控制策略流程

3.2.2 模式切換控制策略試驗結果分析

對3.2.1中提出的模式切換控制策略進行功率級硬件在環測試試驗研究，試驗測試結果如圖14和圖15所示。由圖14可知，發動機轉矩從0變為負值再變為正值。發動機轉矩為0時，表明發動機還未啟動；發動機轉矩變為負值是由于電機帶動發動機曲軸轉動，發動機產生倒拖轉矩；發動機轉矩變為正值說明發動機啟動成功并對外輸出轉矩。發動機啟動后，進入調速階段，在17.1 s時，發動機和電機達到了相同的速度，調速完成。由圖15可知，隨著控制離合器動作的比例電磁閥電流的上升，離合器油壓隨之上升并達到最大值2 000 kPa，離合器所傳遞的摩擦轉矩也逐漸上升直至穩定值。試驗結果說明，本文所提出的模式切換控制策略在功率級硬件在環試驗平臺中實現了預期的動態切換功能。

圖14 發動機和電機調速功能測試結果

圖15 離合器接合功能測試結果

4 結論

本文以一款新型混合動力汽車為研究對象，結合其動力傳動系統的工作原理，開展了功率級硬件在環測試系統的開發與試驗研究。

（1）設計并搭建了一種混合動力汽車的功率級硬件在環測試系統平臺。在硬件系統方面，開發了比例電磁閥的電流檢測模塊，該模塊可以實現對比例電磁閥電流的檢測和轉換；基于NI平臺開發了功率級硬件在環測試系統的I/O信號硬件接口。在軟件系統方面，重點開展了混合動力汽車整車模型、換擋控制策略模塊、快速原型控制器信號接口軟件和人機交互界面軟件的開發研究。

（2）基于本文提出的動態協調控制策略（換擋控制策略和模式切換控制策略）進行了功率級硬件在環測試試驗研究。結果表明，本文搭建的功率級硬件在環測試系統可以完成對動態協調控制策略的測試，實現了功率級硬件在環系統的測試功能。