增程式混合動力系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真測試研究

王德軍 王文霞 楊業(yè)振 許成林

【摘? 要】文章分析增程式混合動力系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)，基于dSPACE實時仿真系統(tǒng)構(gòu)建仿真物理模型，主要包括發(fā)動機模型、發(fā)電機模型、鋰電池模型、電機模型、變速器模型、車輛動力學(xué)模型等，并連接真實HCU和TCU進行功能聯(lián)調(diào)。經(jīng)驗證可提前發(fā)現(xiàn)軟件存在Bug，提升軟件品質(zhì)，避免問題產(chǎn)品流向市場。

【關(guān)鍵詞】增程式混合動力;硬件在環(huán);dSPACE;HCU;TCU

中圖分類號：U469.72? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1003-8639（ 2024 ）05-0073-03

Research on HIL of Extended Range Hybrid Power System

WANG Dejun，WANG Wenxia，YANG Yezhen，XU Chenglin

（Weichai Power Co.，Ltd.，WeiFang 261041，China）

【Abstract】This paper analyzes the principle structure of extension-range hybrid power system，and builds simulation physical models based on dSPACE real-time simulation system，including engine model，generator model，lithium battery model，motor model，transmission model，vehicle dynamics model，etc.，and connects real HCU and TCU for functional coordination.The verification can detect software bugs in advance，improve software quality，and prevent faulty products from flowing to the market.

【Key words】extended range hybrid;hardware-in-the-loop（HIL）;dSPACE;HCU;TCU

作者簡介

王德軍（1984—），男，高級工程師，碩士，研究方向為新能源電控系統(tǒng)開發(fā)和測試;王文霞（1987—），女，高級工程師，碩士，研究方向為傳動系統(tǒng)開發(fā)和測試;楊業(yè)振（1995—），男，助理工程師，碩士;許成林（1998—），男，助理工程師，研究方向為新能源電控系統(tǒng)開發(fā)和測試。

增程式混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，主要部件國內(nèi)均有成熟供應(yīng)商，發(fā)動機工作在高效率區(qū)，隨著變速器技術(shù)逐漸成熟，增程式混合動力系統(tǒng)也能匹配變速器，解決了無變速器動力不足問題，在礦卡、公交等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文基于dSPACE的SCALEXIO實時仿真系統(tǒng)，提取主要部件數(shù)學(xué)表達式，在MATLAB/Simulink搭建發(fā)動機、發(fā)電機、電機、鋰電池、變速器等的HIL模型，通過Configuration Desk軟件生成SDF文件，在ControlDesk軟件搭建硬件在環(huán)測試環(huán)境，連接HCU、TCU控制器進行聯(lián)調(diào)，并驗證HCU、TCU主要功能，能夠有效加快研發(fā)進度。

1? HIL資料準備

HIL模型主要用來滿足控制器軟件測試需求，并不是越復(fù)雜越好，搭建合適的HIL模型需要熟悉被控對象結(jié)構(gòu)原理，熟悉主要部件相互關(guān)系，才能提取出合適的數(shù)學(xué)表達式。增程式混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。發(fā)動機和發(fā)電機組成了輔助動力系統(tǒng)（Auxiliary Power Unit，APU），發(fā)動機只作為APU系統(tǒng)動力來源驅(qū)動發(fā)電機工作，同驅(qū)動電機沒有機械連接，發(fā)動機的運行在很大程度上擺脫了行駛工況的影響[1]。

為解決換擋動力中斷問題，提出了雙電機4擋雙變速器結(jié)構(gòu)，如圖2所示。例如當驅(qū)動電機1換擋時驅(qū)動電機2不換擋，電機2可繼續(xù)驅(qū)動車輛行走;當電機1換完擋后，電機2再換擋，電機1在電機2換擋時可以繼續(xù)驅(qū)動車輛行走。A2換擋電機帶動撥叉A2實現(xiàn)變速器2在1擋和2擋切換，A1換擋電機可實現(xiàn)3擋和4擋切換，同理B2、B1電機可以實現(xiàn)不同擋位切換。

搭建HIL工程時需要準備相關(guān)材料（表1）才能搭建HIL模型，如果關(guān)鍵參數(shù)缺失，可以利用經(jīng)驗賦值，不會影響控制器功能測試，但在某些工況下同實車數(shù)據(jù)會存在誤差[2]。

2? HIL模型搭建

2.1? HIL測試平臺搭建

搭建基于SCALEXIO系統(tǒng)的HIL測試平臺，包含有SCALEXIO S i m u l a t o r、負載箱、電腦主機及所需測試的HCU、TCU，如圖3所示。

SCALEXIO Simulator通過網(wǎng)線與主機相連，通過ConfigurationDesk軟件將在MATLAB/Simulink中的HIL模型編譯生成SDF文件，通過ControlDesk軟件下載到SCALEXIO Simulator中運行。根據(jù)提供的HCU和TCU針腳定義結(jié)合DS2680板卡的針腳搭建IO信號列表，并通過ConfigurationDesk進行接口配置來實現(xiàn)IO信號交互。HCU和TCU之間的報文通過CAN線連接，不需要通過RTICANMM模塊來仿真，發(fā)動機、發(fā)電機、電機、變速器、手柄、儀表等的CAN報文通過RTICANMM模塊仿真[3]。

HCU和TCU與電腦主機通過CANape或INCA標定設(shè)備進行相連，可實時讀取控制器中的信息，并對其進行標定檢測來驗證相關(guān)功能，通過ControlDesk搭建仿真測試環(huán)境，可以對HIL模型進行實時標定修改，并且仿真駕駛員的不同操作來驗證增程混合動力系統(tǒng)的主要功能[4]。

2.2? HIL模型介紹

本文基于MATLAB/Simulink搭建HIL模型，其架構(gòu)如圖4所示，主要由IO模型、CAN模型和HIL模型組成。HIL模型最基本要求是滿足HCU、TCU控制器聯(lián)調(diào)需求，搭建太簡單不能滿足功能測試需求，太復(fù)雜對精度要求過高需要花費大量時間，需要合理分析提取出各部件主要數(shù)學(xué)表達式來搭建合適的HIL模型驗證功能[5]。

IO模型主要是HIL機柜和HCU、TCU的硬線接口，主要為HCU的電源信號（供電信號、使能信號）、開關(guān)信號（PTO開關(guān)、手剎開關(guān)）、傳感器信號（油門踏板信號、制動踏板信號）、TCU的電源信號（供電信號、使能信號）、傳感器信號（輸出軸轉(zhuǎn)速、4個換擋位置傳感器、變速器溫度等）、驅(qū)動信號（4個換擋電機H橋）和CAN信號（發(fā)動機、發(fā)電機、電池、電機、儀表、換擋手柄等），HCU和TCU之間CAN信號通過真實CAN線連接[6]。

HIL模型包含發(fā)動機和發(fā)電機組成的APU模型、電池模型、雙電機模型、變速器模型、車輛動力學(xué)模型，其中APU和電池HIL模型架構(gòu)如圖5所示。

APU模型包含發(fā)動機簡易模型，不包括噴油、燃燒、后處理等仿真，其輸入信號有鑰匙上電、起動信號、發(fā)動機需求模式、需求扭矩、需求轉(zhuǎn)速、發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速、油門開度。通過輸入信號可以仿真發(fā)動機在待命、上電、起動中、起動完成、運行、停止中、停止等不同發(fā)動機狀態(tài)，再結(jié)合發(fā)動機的外特性，可仿真HCU對發(fā)動機控制需求，進而計算出發(fā)動機凈扭矩。另外，可根據(jù)轉(zhuǎn)速和發(fā)動機溫度查MAP得到發(fā)動機摩擦扭矩。

發(fā)電機模型不需要仿真id、iq軸電流，主要是仿真發(fā)電機電壓、電流、發(fā)電機轉(zhuǎn)速、發(fā)電機扭矩。發(fā)電機的電壓在完成上高壓繼電器閉合后同電池電壓相等;發(fā)電機和發(fā)動機兩者轉(zhuǎn)速一樣，可通過對角速度積分獲得;發(fā)電機扭矩可以根據(jù)轉(zhuǎn)速模式或扭矩模式獲得;根據(jù)能量守恒，通過轉(zhuǎn)速和扭矩計算得到機械功率，機械功率除以轉(zhuǎn)換效率（例如：0.96）得到電功率，電功率除以發(fā)電機電壓就得到發(fā)電機電流。

電池模型主要仿真電池SOC、電池電壓、電池電流、電池高壓繼電器狀態(tài)，不需要仿真電池均衡、電池熱管理、電池活化和濃差極化損耗等。電池SOC可通過安時積分法獲得;可通過SOC、電池溫度查MAP得到單體理論電壓，再通過SOC和溫度查MAP得到電池內(nèi)阻，乘以電流就得到歐姆損耗，單體電壓即為理論電壓減去歐姆損耗，再乘以單體個數(shù)即為電池電壓;電池電流可由發(fā)電機電流和2個驅(qū)動電機電流相加得到，當相加為正時電池放電，當相加為負時給電池充電。

2個電機模型和發(fā)電機建模原理一樣，主要也是仿真電機電壓、電流、電機轉(zhuǎn)速、電機扭矩，其中電機1的轉(zhuǎn)速和變速器1輸入軸轉(zhuǎn)速一樣，電機2的轉(zhuǎn)速和變速器2輸入軸轉(zhuǎn)速一樣。

變速器模型為整個物理模型的關(guān)鍵部分，其輸入包含換擋執(zhí)行機構(gòu)H橋、變速器當前擋位（TCU根據(jù)反饋位置計算，通過CAN報文給HIL）等，輸出包含變速器輸入軸轉(zhuǎn)速計算、輸出軸轉(zhuǎn)速計算、換擋實際位置等。

車輛動力學(xué)模型為仿真輪胎的滾動阻力、迎風(fēng)阻力、坡度阻力、加速阻力以及制動阻力，其輸入為差速器的轉(zhuǎn)速、坡度、制動開度，輸出為車速。

2.3? HIL工程閉環(huán)調(diào)試

模型搭建完后，根據(jù)提供的整車、發(fā)動機、變速器參數(shù)進行模型參數(shù)化，并在MATLAB中進行離線運行調(diào)試，調(diào)試通過后通過ConfigurationDesk軟件把模型和IO接口、CAN接口生成SDF文件，并導(dǎo)入ControlDesk進行HIL模型的標定[7]。ControlDesk閉環(huán)測試界面如圖6所示。

HIL開環(huán)調(diào)試是閉環(huán)調(diào)試基礎(chǔ)，通過對IO和CAN報文的測試確保TCU與HIL之間信號交互無誤，從而確保控制器和被控對象之間進行正確的信號傳遞，再進行閉環(huán)調(diào)試。HIL主要開閉環(huán)功能測試條目見表2，其中閉環(huán)調(diào)試核心是換擋功能（驗證擋位決策和換擋時序）。通過調(diào)試電機、變速器等參數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)閉環(huán)，實際擋位響應(yīng)需求擋位，選換擋位置和實際位置變化趨勢一致，如圖7所示。

3? 結(jié)論

基于SCALEXIO的增程式混合動力系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真及調(diào)試是一個系統(tǒng)工程，首先需要相關(guān)資料準備，然后在MATLAB環(huán)境下搭建HIL模型，其次需要熟悉增程式混合動力系統(tǒng)的工作原理和增程控制策略，最后才能完成整個工程閉環(huán)調(diào)試，后期基于臺架和實車數(shù)據(jù)持續(xù)迭代優(yōu)化HIL模型，提高模型仿真精度。通過試驗結(jié)果分析，該系統(tǒng)能夠滿足軟件測試需求，基于該系統(tǒng)的軟件測試可以提前發(fā)現(xiàn)存在的問題，大大提高研發(fā)進度。

參考文獻：

[1] 宋嘉健. 增程式輔助動力系統(tǒng)匹配與仿真研究[D]. 北京：北京理工大學(xué)，2017.

[2] 房永強. 增程式電動客車動力系統(tǒng)集成與匹配分析[J]. 汽車實用技術(shù)，2023，48（20）：20-25.

[3] 李彥晶，魏宏進，李萬敏，等. 兩擋變速器增程式電動汽車動力性研究[J]. 機械工程與自動化，2023（2）：22-24，28.

[3] 馮瀚. 電動汽車增程器控制策略研究[D]. 武漢：華中科技大學(xué)，2022.

[4] 趙光勇. 增程器發(fā)動機性能開發(fā)仿真分析[J]. 兵工自動化，2022，4（8）：81-85.

[5] 高龍，強同磊. 增程式電動汽車的整車控制系統(tǒng)研究[J]. 汽車制造業(yè)，2022（2）：24-25.

[6] 吳志偉. 增程式電動客車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配與運行優(yōu)化研究[D]. 杭州：浙江大學(xué)，2021.

[7] 宋金龍. 增程式電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配與仿真分析[J]. 裝備機械，2021（2）：40-43，67.

（編輯? 楊凱麟）

收稿日期：2024-02-19