純電動汽車驅動控制策略快速集成研究

沈 峘,周福亮,毛建國,陳 偉,閆志偉

(南京航空航天大學 能源與動力學院, 南京 210016)

0 引言

純電動車控制器(VCU)作為純電動汽車的核心,擔任著兼顧全局、協調各方的統領角色:負責采集整車信息并解析駕駛員意圖來實現汽車驅動,管理整車狀態、整車部件、能量流向以及故障的診斷與處理[1]。隨著當前汽車功能的不斷豐富,汽車電控系統代碼體積也愈發龐大,“軟件定義汽車”已經成為未來汽車的發展趨勢[2]。目前,以VCU為代表的汽車電控單元開發多基于V模型開發,這種開發模式借助相關工具鏈可以自動生成應用層代碼,所以更多學者將研究重點放在復雜的算法上[3-5]。這種開發方式與傳統的手動軟件開發相比提高了開發效率,但對于底層代碼開發仍然需要手動編寫,且在與應用層代碼集成時需要預留接口變量,過程繁瑣,容易出錯,仍然沒有實現軟件開發的最優化[6-8]。為了進一步提高嵌入式軟件的開發效率,Math-Works公司和Ti、恩智浦以及ST等芯片公司聯合開發了相關芯片底層驅動支持包[9-11]。借助此類底層驅動支持包,即便用戶在不熟悉單片機外設和寄存器的條件下也可快速開發單片機。由于底層驅動模塊不支持在Simulink中進行數據仿真,其在模型輸入/輸出信號較多的情況下會進一步加大模型的復雜程度且容易出錯,故在一些復雜場景下底層驅動支持包未得到更廣泛的應用。

基于上述問題和啟示,對較為復雜的VCU軟件的全自動化集成問題展開研究:在Simulink中搭建整車控制策略應用層模型之后,借助ST官方提供的STM32底層驅動支持包——MAT/Target和STM32Cubemx軟件,研究外設驅動的配置、應用層模型的整合以及代碼生成等問題,以STM32F407ZGTE單片機為控制器搭建半物理仿真平臺驗證所提出開發方法的可行性。

1 整車控制系統架構概述

設計純電動汽車控制系統基本架構如圖1所示,將其簡單劃分為兩部分,即應用層軟件和底層驅動軟件。應用層軟件負責解析包括鑰匙、擋位、加速和制動在內的駕駛員操作指令,并結合行駛工況進行運算處理;底驅動層軟件負責采集控制器的硬線輸入信號,將相關輸出信號發送給電池管理系統(BMS)、電機控制器(MCU)、電源變換裝置(DC/DC)和其他附件。

圖1 純電動汽車控制系統基本架構框圖

2 整車控制系統應用層軟件

2.1 整車上下電

整車上下電作為純電動汽車控制器的功能之一,是保證汽車正常啟動和停機的必要流程,也是整車控制策略設計中的重要環節[12]。整車上下電主要根據駕駛員的鑰匙信號、電池管理系統、電機控制器以及其他設備發送來的狀態信號、故障信號等信息,按照一定的時序性控制相關繼電器的通斷,從而實現高低壓系統的通斷。為保證整車系統安全可靠地運行,必須充分考慮相關設備的工作特性和它們之間的相互作用關系。

整車上電策略遵循“先上低壓,后上高壓”的原則。當VCU接收到駕駛員的鑰匙ON擋信號之后,發送指令喚醒BMS并讓其自檢,當VCU確認BMS未發送故障碼后便可向BMS發送預充繼電器和主繼電器通斷指令,并根據VCU端電壓和電池端電壓的差值判斷是否完成預充電狀態,當3 s之內VCU端電壓和電池端電壓的差值小于15 V時低壓上電完成;當VCU接收到駕駛員的鑰匙START擋信號后,按上述類似邏輯喚醒MCU并完成自檢,確認自檢通過后激活DC/DC工作,此時高壓上電完成,可進入行車準備狀態。整車上電簡化流程如圖2所示。

圖2 整車上電簡化流程框圖

整車下電流程遵循“先下高壓,后下低壓”的原則。當VCU檢測到鑰匙OFF擋信號,且車速小于設定安全閾值便會發送DC/DC禁止信號,然后向BMS發送主繼電器斷開指令,等待BMS反饋主繼電器斷開狀態。主繼電器斷開后,高壓下電完成,但電機控制器直流側端電容存儲的電荷仍需泄放,延遲數秒后,低壓下電自動完成。整車下電簡化流程如圖3所示。

圖3 整車下電簡化流程框圖

2.2 鑰匙信號解析

設計純電動汽車鑰匙信號有3種狀態,即ON、OFF和START。由于3種狀態之間存在互斥關系,所以采用真值表判斷鑰匙信號,如圖4所示。當鑰匙處在ON狀態,即ON為高電平(ON==1)時,定義鑰匙狀態Key_State=1,當START為高電平(START==1)時,定義鑰匙狀態Key_State=2,當OFF為高電平(OFF==1)時,定義鑰匙狀態Key_State=0。

圖4 鑰匙信號真值表截圖

2.3 擋位管理

純電動汽車擋位一般設有P、N、D、R 共4種基本擋位。在擋位管理控制策略中未考慮P擋,只研究D、N、R這 3個擋位信號的處理和它們之間的狀態切換。由于擋位信號之間存在互斥關系,同樣采用前述類似的真值表對擋位信號進行判斷。考慮到駕駛過程中存在擋位的頻繁切換,為保證安全性,必須滿足相應的條件才允許跳擋。跳擋策略默認上電之后為N擋,然后根據擋位硬線傳來的信號和車速信號判斷此時是否符合跳擋條件。由于電動汽車的電機具有反拖制動的功能,在不影響駕駛感受的前提下,設計在車速絕對值小于8 km/h的低速情況下,跳擋策略允許進行D擋和R擋之間的切換,具體實現邏輯如圖5所示。

圖5 換擋邏輯示意圖

2.4 扭矩解析

整車控制器根據整車上電狀態、擋位信號、加速踏板信號、制動踏板信號等通過扭矩需求計算模塊,將已知信息轉換成對應的駕駛員需求扭矩并將其作為整車控制器下發給電機控制器扭矩請求的基準值。目前,主流的純電動汽車控制器扭矩解析開發方案是根據轉矩MAP查表得到電機目標轉矩[13-14]。

根據電機轉矩輸出方程,電機轉速和輸出轉矩存在如下關系:

(1)

式中:L為電機扭矩系數;Tmax為電機峰值扭矩,N·m;Pmax為電機峰值功率,kW;n為電機轉速,r/min;nb為電機基速,r/min。

根據電機轉矩特性,可定義加速踏板與電機扭矩系數之間的函數關系為線性關系或非線性。本文中加速踏板開度與電機驅動轉矩系數之間的關系定義為線性直線,即:

L=Acc

(2):

式中:Acc代表加速踏板開度。

根據式(1)和式(2),可以得到加速踏板扭矩解析策略,即只需將二維 MAP 固化到控制器中,車輛運行時根據加速踏板開度和電機轉速2個參數,通過二維查表的形式得到電機需求轉矩。基于上述描述,基礎扭矩MAP如圖6所示。

圖6 基礎扭矩MAP

2.5 扭矩仲裁

為保證行車安全,在加速踏板信號和制動信號均大于0時,必須將制動信號置于最高優先級。當檢測到制動信號后將期望扭矩指令清零,當駕駛員未踩下制動踏板時則根據擋位狀態和加速踏板信號輸出期望扭矩令。

3 整車控制系統底層驅動軟件

STM32單片機配套的STM32-MAT/Target工具包提供了STM32系列主控芯片的全部外設驅動庫,并將它們封裝成了Simulink模塊。用戶在使用這些驅動庫前需要在STM32Cubemx中配置好單片機時鐘、外設驅動的類型和引腳等信息。底層驅動庫和STM32Cubemx配置如圖7所示。

根據表1列出的VCU輸入信號,對于加速踏板和制動踏板這類模擬量選取ADC_Read作為底層驅動,對于開關量選用GPIO_Read作為底層驅動,而對于一些反饋量例如車速和電機轉速則建立汽車和電機動力學模型進行反饋。為簡化后續實驗過程,對于個別信號直接在VCU模型中定義為常量。對需監控的信號以UART方式統一發送到上位機并進行實時解析。

表1 VCU輸入信號

4 代碼集成與測試驗證

4.1 代碼生成、編譯

將所需的底層驅動模塊和應用層模型搭建在一起,配置好相關環境后利用Simulink的RTW功能可一鍵生成所有代碼[15-16]。在代碼生成過程中,Matlab通過ActiveX技術和相應的COM接口調用STM32Cubemx軟件,自動生成Keil工程文件,進一步提高了整個開發過程的自動化程度。生成的代碼通過Keil5調試編譯無誤后即可下載至單片機開發板進行實時性驗證。代碼生成模型如圖8所示。

圖8 代碼生成模型示意圖

4.2 測試驗證

為模擬駕駛工況,搭建圖9所示的半物理仿真平臺,對于加速踏板這類信號采用旋鈕電位器模擬,對于擋位、鑰匙則采用按鍵模擬。將所需的信號以串口方式發送到Labview上位機并進行實時解析。

圖9 半物理仿真平臺實物

1) 車上電信號測試:如圖10(a)和圖10(b)所示,在1.3 s鑰匙狀態Key_State從0跳變成1,即鑰匙打到On,整車開始低壓上電。由于前文程序設計中已將所有故障代碼均設置成0,所以檢測到無故障后,VCU_Enable和BMS_Enable均置1,表明VCU和BMS被喚醒,同時PreRelay置1表明預充繼電器閉合。此時,手動調節電位器來模擬控制器端電壓Controller_Vol的變化情況,當其值達到85 V,即與電池端電壓Battery_Vol差值為15 V時,表明此刻預充電完成,如第2 s所示,PreRelay置0表示預充繼電器關閉,MainRelay置1表示主繼電器開啟;第3.9 s當鑰匙Start信號到來,整車開始高壓上電,MCU_Enable置1表明MCU開始工作,無任何故障后DC/DC被激活,整車高壓上電完成,車輛進入Ready行車狀態。

圖10 整車上電測試信號曲線

2) 車行駛測試:如圖11(a)和圖11(b)所示,在1.2 s擋位狀態Gear_state從0跳變為1,即擋位從N掛到D擋;1.4 s加速踏板開度從0開始增大到30%,同時扭矩逐漸增大,汽車開始起步;第2.3 s直接從D擋跳到R擋,由于此時車速只有5 km/h,滿足前文設計的換擋條件,所以扭矩變成負值車速逐漸降低為0并進行倒車行駛;第5 s踩下制動踏板,扭矩立刻清0,車速逐漸降低為0;在第11.6 s擋位重新掛到D擋,之后加速踏板不斷變化,扭矩呈現同一變化趨勢且車速快速提高;第18.2 s又踩下制動踏板,扭矩立刻清0,隨即車速下降,在此期間,無論加速踏板如何變化,扭矩始終為0,符合前文設計的“制動優先級最高”原則。

圖11 汽車行駛測試信號曲線

5 結論

基于Matlab/Simulink設計VCU的應用層軟件,并利用ST的相關工具鏈配置VCU的底層驅動軟件,實現了Matlab/Simulink環境下與應用層軟件在同一界面下建模。利用Simulink實現了由模型向代碼的一鍵轉化,調試編譯后下載到目標單片機并模擬幾種典型駕駛工況進行數據監測。研究結果表明,生成的代碼可以按照設計的邏輯運行,相比于手動集成代碼,該方法可實現自動化集成,不僅能避免人工輸入的bug,而且模型復用率更高。本文研究的開發方式可為復雜控制算法的嵌入式實現提供參考,具有較強的工程價值。

本研究主要是對生成代碼進行宏觀上的邏輯驗證,后續可將半物理仿真數據與Matlab離線仿真數據進行對比分析,進一步驗證生成代碼的實時性和有效性。