邢博 周家平 王春陽 王小臣

摘 要：文章研究了電動汽車整車控制器硬件在環(huán)測試系統(tǒng)的整體測試流程，分析在環(huán)測試的關(guān)鍵技術(shù)，整合系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，具體闡述了硬件在環(huán)測試中電動汽車各系統(tǒng)的具體的軟件模型，并基于NI PXI/LabVIEW搭建了硬件在環(huán)測試系統(tǒng)的軟硬件測試平臺。以一款電動汽車整車控制器（VCU）為被測對象，搭建了電動汽車VCU硬件在環(huán)測試系統(tǒng)，通過測試序列實現(xiàn)對整車控制器功能策略的測試驗證試驗。試驗表明該硬件在環(huán)測試系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確全面檢測VCU各項功能，提高VCU產(chǎn)品性能，有效縮短開發(fā)周期。

關(guān)鍵詞：硬件在環(huán)測試;電動汽車;整車控制器;系統(tǒng)模型;LabVIEW

中圖分類號：U467 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）19-27-06

Design of Vehicle Controller Hardware in Loop Test System for Electric Vehicle*

Xing Bo， Zhou Jiaping， Wang Chunyang， Wang Xiaochen

（ China Automotive Technology and Research Center Co.， Ltd.， Beijing CATARC Science and

Technology Center Co.， Ltd.， Beijing 100070 ）

Abstract： Design of Vehicle Controller Hardware in Loop Test System for Electric Vehicle This paper studies the whole process of vehicle controller hardware in the loop test system design， and analyzes the critical technologies. Integrate the hardware and make a profound study for the software model of each part. Build hardware-in-loop test platform for electric vehicle controller based on NI PXI/LabVIEW. Taking a vehicle controller unit of electric vehicle as the test object， writing the test sequence verify the function and control strategy of vehicle controller. The experiment results show that the test system can accurately and comprehensively detect the functions of VCU， improve the performance of VCU products， and effectively shorten the development cycle.

Keywords： HIL; Electric vehicle; VCU; System models; LabVIEW

CLC NO.： U467 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）19-27-06

前言

近年來，隨著電動汽車產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，政府主管部門對生產(chǎn)廠商的研發(fā)能力要求逐步提高，國產(chǎn)汽車廠商開始加大電動汽車的研發(fā)建設(shè)投入。整車控制器作為電動汽車核心部件之一，其開發(fā)測試愈發(fā)受到關(guān)注。

硬件在環(huán)（HIL）仿真測試是控制器開發(fā)過程中重要的測試驗證方法。仿真測試系統(tǒng)接入被測控制器，通過運行仿真模型模擬受控對象的運行狀態(tài)，為被測控制器形成虛擬車輛測試環(huán)境，實現(xiàn)對被測控制器功能性能的測試驗證。硬件在環(huán)測試可以通過調(diào)整軟件模擬參數(shù)迅速更改研發(fā)測試需求，能夠高效快速驗證VCU的功能，可以充分模擬極限狀態(tài)的測試環(huán)境，大大提高了測試效率，縮短了控制器開發(fā)測試成本和周期。[1-5]

當(dāng)前整車控制器的開發(fā)過程中，部分國產(chǎn)汽車廠商仍然對硬件在環(huán)測試不夠重視。一方面由于設(shè)備及人員技術(shù)能力良莠不齊，汽車廠商雖然具備研發(fā)測試能力，但整車控制器的實際測試仍由控制器供應(yīng)商主要負(fù)責(zé);另一方面，車輛模型直接關(guān)系到仿真模擬的準(zhǔn)確性，目前多數(shù)車企搭建的車輛模型不夠完善，商業(yè)模型往往存在保密或不適用的問題，而不同型號車輛的控制器在測試中均需要對車輛模型進(jìn)行調(diào)整的，這需要測試人員對于車輛模型十分熟悉。這些都造成電動汽車整車控制器硬件在環(huán)測試往往不夠全面準(zhǔn)確，應(yīng)用有限。[6-13]

本文以電動汽車VCU為被測對象，通過對當(dāng)前硬件在環(huán)測試系統(tǒng)測試流程進(jìn)行研究，梳理系統(tǒng)架構(gòu)，分析關(guān)鍵技術(shù)，利用LabVIEW開發(fā)了測試管理軟件，基于NI PXI硬件平臺搭建了的硬件在環(huán)測試系統(tǒng)，主要在硬件集成、模型構(gòu)建、軟件管理上進(jìn)一步實現(xiàn)優(yōu)化，并通過系統(tǒng)對電動汽車VCU進(jìn)行了測試驗證工作。

1 系統(tǒng)方案

電動汽車VCU HIL測試系統(tǒng)主要由被測對象、HIL硬件系統(tǒng)、仿真模型、管理軟件4部分組成。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。HIL硬件系統(tǒng)搭載實時仿真模型模擬車輛運行狀態(tài)，提供給待測VCU模擬車輛信息，同時接收相應(yīng)狀態(tài)下被測VCU的響應(yīng)輸出，根據(jù)響應(yīng)調(diào)整模擬車輛狀態(tài)，形成被測VCU的測試環(huán)境，通過監(jiān)測管理測試環(huán)境下的各部分輸入響應(yīng)狀態(tài)，實現(xiàn)VCU的硬件在環(huán)測試。

上位機管理軟件運行在PC端上，使用LabVIEW編寫，具備人機交互功能，通過軟件界面調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)、編寫測試序列、顯示結(jié)果數(shù)據(jù)，通過與實時處理器的通信實現(xiàn)對整個測試流程的管理。

HIL硬件系統(tǒng)主要包含實時處理器、信號調(diào)理、故障注入、仿真負(fù)載、電阻模擬、輸入輸出接口等模塊。實時處理器通過IO及CAN與待測VCU連接。處理器內(nèi)部搭載實時仿真模型，運行仿真模型輸出給被測VCU，提供模擬仿真測試環(huán)境，同時接收被測VCU在該測試環(huán)境下的輸出響應(yīng)，形成完整的閉環(huán)測試。

實時仿真模型通過運算仿真提供被測VCU運行的整車環(huán)境。模型接收管理軟件輸入控制，經(jīng)實時處理器運算求得整車各部分運行狀態(tài)信息并輸出，被測VCU接收模型輸出的車輛運行狀態(tài)信息，經(jīng)過內(nèi)部軟件控制策略進(jìn)行響應(yīng)，輸出對應(yīng)環(huán)境下響應(yīng)的控制命令及需求狀態(tài)，模型根據(jù)控制器輸出進(jìn)行模擬車輛狀態(tài)更新，為測試系統(tǒng)提供實時車輛模擬。

2 系統(tǒng)硬件系統(tǒng)方案

電動汽車VCU硬件在環(huán)測試系統(tǒng)硬件共包含8部分，分別是實時處理器、I/O板卡、CAN通信板卡、信號調(diào)理單元、故障模擬單元、負(fù)載模擬單元、電阻模擬單元和供電單元，各部分連接如圖2所示。

上位機通過網(wǎng)線和PXI機箱，機箱包含實時處理器、IO板卡及CAN通信板卡。CAN通信板卡通過CAN線與故障模擬單元及被測單元連接，其中一路CAN負(fù)責(zé)控制故障模擬信號，其余路CAN與被測單元通信;IO板卡輸出信號經(jīng)信號調(diào)理單元、故障注入單元與被測VCU連接。被測VCU與連接負(fù)載單元及電阻模擬單元。

本文采用的是NI PXIe8840控制器作為硬件在環(huán)測試系統(tǒng)的計算平臺，IO板卡選取了PXI-6624、PXI-6738、PXI-6612，CAN卡選取了PXI-8512，共4路CAN。

2.1 信號調(diào)理單元

信號調(diào)理單元負(fù)責(zé)將數(shù)字量IO板卡的信號進(jìn)行調(diào)理，DI由0-5V調(diào)理為0-12V，DO相反。調(diào)理電路見圖3所示，其中閾值可調(diào)分壓電路可以滿足不同電壓轉(zhuǎn)換的調(diào)理。

閾值可調(diào)分壓電路通過多位開關(guān)切換不同位置實現(xiàn)輸出電壓的輸出，再將輸入與線性比較器相連，實現(xiàn)可調(diào)電壓輸出的信號調(diào)理模式。具體的實施方式如下：二極管陰極處作為輸出采樣點，與地之間設(shè)置電阻，在輸出點處串聯(lián)多段電阻，通過二極管陽極及多段電阻不同位置作為多個輸入點，通過繼電器操縱單刀多擲開關(guān)切換，輸出點可以得到1/2、2/3等多種規(guī)格的輸出電壓，再通過比較、隔離、穩(wěn)壓實現(xiàn)使用方便、高電平可調(diào)的信號調(diào)理裝置。

2.2 故障模擬單元

故障注入單元負(fù)責(zé)給被測單元的信號線路制造故障，包括斷路，對電源、對地斷路，自定義通道短接，支持手動和自動控制。

故障模擬單元控制分為主板和從板，從板可進(jìn)行擴展以實現(xiàn)故障路數(shù)的擴展。通過故障主板接收CAN報文信號控制可擴展從板，從板輸出電路串有斷路開關(guān)，從板輸入接線端與總電源之間可串入電源短路開關(guān)。從板主控可由主板報文和手動開關(guān)雙重控制，可通過驅(qū)動繼電器也可以通過手動實現(xiàn)短路和斷路故障模擬，通過從板擴展以實現(xiàn)大量的故障注入。

2.3 負(fù)載及電阻模擬單元

負(fù)載單元裝有繼電器板卡，用于模擬被測對象的繼電器負(fù)載。電阻模擬單元裝有電阻板卡，可通過總線設(shè)置電阻輸出，用于仿真溫度傳感器等。兩部分單元均可以通過CAN報文設(shè)置管理。

3 車輛模型方案

整車控制器硬件在環(huán)測試系統(tǒng)的車輛模型分為輸入輸出模塊、駕駛員模型、整車動力學(xué)模型、變速器減速器模型、MCU及電機模型、BMS及電池模型。各部分模型關(guān)系如圖4所示。通過上位機軟件調(diào)整模型的輸入?yún)?shù)，被測VCU根據(jù)輸入命令進(jìn)行反饋，在Ready狀態(tài)下根據(jù)輸入加速制動響應(yīng)需求轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)速，反饋至模型控制電機模型轉(zhuǎn)動，電機狀態(tài)反饋至電池模型影響電池狀態(tài)，同時電機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩經(jīng)變速減速箱輸出至整車動力學(xué)模型，經(jīng)計算得出車速，電池參數(shù)及車速參數(shù)經(jīng)儀表顯示或經(jīng)車速傳感器至被測VCU。

3.1 車輛動力學(xué)模型

車輛動力學(xué)模型主要求解車輛在行駛過程中的驅(qū)動力與阻力，然后求解車輛狀態(tài)。分為車輪模型和車速模型。

車輪模型接收主減速器傳遞的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，根據(jù)路面附著系數(shù)及車輛參數(shù)，輸出驅(qū)動整車的牽引力和車輪的滑移率。整車實際受到的牽引力最大不超過車輪與地面最大附著力，相應(yīng)計算公式如下：

式中：Ft為牽引力;Fb為機械制動力;Ta為減速器傳遞力矩;Ti為慣性力矩;Td為拖拽力矩;Fmax為最大附著力;W為軸荷;φ為路面附著系數(shù)。

車速模塊根據(jù)驅(qū)動力和汽車行駛收到的阻力，計算出車輛加速度和速度。汽車行駛過程中受到的總阻力：

（3）

式中：∑F——總阻力;Ff——滾動阻力;Fw——空氣阻力;Fi——坡度阻力;Fj——加速阻力。

根據(jù)以上分析構(gòu)建車輛動力學(xué)模型如圖5所示：

3.2 電機模型

電機模型根據(jù)輸入轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速計算電機輸出功率，然后在計算實際輸出的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。電機模型受到電池模型輸出能力的限制。電機模型主要分為轉(zhuǎn)矩計算模型、機械效率模型和和熱管理模型3部分。轉(zhuǎn)矩計算模型計算加速慣性轉(zhuǎn)矩為變速器當(dāng)前檔位的轉(zhuǎn)動慣量與其轉(zhuǎn)動角加速度的乘積。電機機械效率等于直流側(cè)功率和軸功率的比值，根據(jù)實際測試得到電機機械效率MAP圖，然后根據(jù)測試數(shù)據(jù)在模型中建立二維查表。圖6是某品牌電機的機械效率圖。電機熱管理根據(jù)經(jīng)驗公式計算得到。電機系統(tǒng)整體模型如圖7所示。

3.3 電池模型

電池模型主要用于模擬電池外特性，本研究以磷酸鐵鋰電池為例，基于單體構(gòu)建電池模型，充分反映電池單體及電池總成的工作特性。模型需要能夠模擬電池包充放電過程SOC、電壓、溫升的變化，還要模擬電池老化情況。電池整體模型主要包含電池外特性模型、熱力學(xué)模型、老化模型、充放電模型。各模型之間的聯(lián)系如圖8所示。SOC、單體參數(shù)、充放電電流共同影響SOH及發(fā)熱，發(fā)熱及加熱冷卻影響溫度，溫度影響單體參數(shù)，單體參數(shù)、溫度、充放電共同影響電池狀態(tài)。

電池模型外特性模型模擬不同激勵下的外特性響應(yīng)情況，基于二階RC動力電池模型，其等效電路模型如圖9所示。

采用安時法計算求取電池SOC。計算公式如下：

式中：SOC0為初始SOC;C為電池容量;η為庫倫效率。

電池老化模塊用于模擬電池在不同工況下的老化程度以及計算電池自身發(fā)熱。電池老化SOH是通過試驗獲取電池充放電容量與SOH之間的數(shù)據(jù)關(guān)系，然后在模型中通過充放電獲取電池充放電容量，然后根據(jù)試驗數(shù)據(jù)查表得到電池SOH。電池發(fā)熱根據(jù)電池充放電電流與電池極化及歐姆電阻計算得到發(fā)熱功率。

4 測試平臺軟件

測試軟件基于LabVIEW軟件創(chuàng)建測試管理界面。軟件基于隊列的動態(tài)多引擎生產(chǎn)者消費者架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。軟件能夠進(jìn)行配置硬件及模型輸入輸出接口，可以導(dǎo)入通信協(xié)議報文，支持常用數(shù)據(jù)庫訪問，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集、界面刷新、流程控制、數(shù)據(jù)回訪等核心功能。

測試軟件根據(jù)實際測試流程進(jìn)行了模塊化設(shè)計。分為測試界面、模型管理、通道配置、自動化測試、傳感器配置和用戶管理6部分，整體軟件結(jié)構(gòu)圖如圖10所示。

測試界面包含虛擬儀表界面、CAN報文界面和IO狀態(tài)界面和故障注入4部分。虛擬儀器界面是測試主界面，包含車輛信息顯示，常用手動測試操作等;IO界面包含控制器引腳狀態(tài)顯示和模型輸入輸出兩部分，控制器引腳部分用于查看設(shè)置被測控制器的所有引腳狀態(tài)，模型輸入輸出用于設(shè)置模型輸入?yún)?shù)和查看當(dāng)前模型輸出情況，可以更為清晰的了解模型狀態(tài);CAN通信界面包含測試系統(tǒng)CAN和車輛CAN兩部分，測試系統(tǒng)CAN用于管理測試系統(tǒng)自身，例如故障注入及電阻模擬就是通過測試系統(tǒng)CAN來進(jìn)行控制的，車輛CAN指的是模擬被測控制器所處車輛的CAN通信，路數(shù)根據(jù)實際模擬車輛進(jìn)行調(diào)整，可以直接明了的查看當(dāng)前車輛通信信息;故障注入界面可以進(jìn)行故障注入操作，主要包含通道的短路及開路，也可以在自動測試序列中通過程序及報文實現(xiàn)。模型管理界面用于導(dǎo)入模型，導(dǎo)入后可以看到模型所有的輸入輸出，可以將模型輸入輸出引腳進(jìn)行綁定至通道或儀表控件。通道配置指的是測試系統(tǒng)的所有測試通道的管理配置，包含測試系統(tǒng)模擬量輸入輸出、數(shù)字量輸入輸出和CAN通信的配置，通過通道配置，將測試系統(tǒng)的通道和被測VCU及上位機進(jìn)行關(guān)聯(lián)。傳感器配置可以配置被測VCU部分采集數(shù)據(jù)，例如通過調(diào)節(jié)電阻模擬溫度采集等。用戶管理界面用于測試軟件用戶的權(quán)限信息配置。

5 驗證測試試驗

本研究采用某款純電動客車整車控制器為被測對象，開發(fā)電動汽車VCU硬件在環(huán)測試系統(tǒng)，對控制器功能進(jìn)行測試。測試內(nèi)容包括控制器通信、高壓上下電管理、驅(qū)動及工況測試、能量優(yōu)化、故障處理和其他管理6部分。測試界面如圖11所示。

其中高壓上下電測試了正常上電、下電與異常上電、下電兩種情況。驅(qū)動及工況測試了最高車速、需求扭矩、蠕行驅(qū)動等幾方面。故障處理做了BMS及MCU掉線、附件故障、接觸器保護(hù)、高壓主動斷電控制的測試。能量優(yōu)化包含電池放電及能量回饋兩部分。其他管理包含了充電管理、檔位、DCDC、除霜、空調(diào)、水泵、氣泵、檔位電源等控制的測試。

控制器高壓上電測試結(jié)果如圖12所示，鑰匙信號由OFF依次變化為ACC、ON和START，測試過程中VCU狀態(tài)值反饋正常，MCU使能正常，高壓繼電器吸合，整車進(jìn)入READY狀態(tài)，完成高壓上電。

驅(qū)動能力最高車速測試結(jié)果如圖13所示，加速踏板開度為100%，因測試用控制器為公交車用控制器，從測試結(jié)果可以看到，最高車速限制在70km/h，最大需求扭矩在2800NM左右。

能量回饋測試結(jié)果如圖14所示，車輛正常上電后加速至60km/h以上，然后停止加速踏板，可以看到需求轉(zhuǎn)矩變化為負(fù)值，此時進(jìn)入能量回饋狀態(tài)，當(dāng)再次加速之后踩下制動踏板，同樣進(jìn)入能量回饋狀態(tài)，可以看到不同制動狀態(tài)下，能量回饋效果不同。此時電池電流為負(fù)，電池進(jìn)入充電狀態(tài)。

為了更好的在實驗中體現(xiàn)車輛性能和運行狀況，許多汽車工況被開發(fā)應(yīng)用，本實驗以歐洲NEDC進(jìn)行工況測試，因為被測VCU最高速度為70km/h，所以只做市區(qū)運轉(zhuǎn)循環(huán)測試。以駕駛員模型中NEDC工況執(zhí)行自動測試序列。測試結(jié)果如圖15所示。其中下圖為對應(yīng)的加速及制動信號，加速信號由兩路信號共同控制，上圖為車速和需求轉(zhuǎn)矩，藍(lán)色為實際車速，可以看到共完成了4個循環(huán)，工況最高車速52.4km/ h，與實際測試較為符合。

6 結(jié)論

本文基于NI PXI硬件，完成了從硬件系統(tǒng)開發(fā)、整車模型優(yōu)化、測試軟件開發(fā)到具體VCU的實際測試驗證。通過試驗表明該HIL系統(tǒng)軟硬件能夠支持電動汽車VCU的硬件在環(huán)測試，模型能夠準(zhǔn)確反映車輛狀態(tài)，為其他電動汽車VCU硬件在環(huán)測試系統(tǒng)的開發(fā)測試提供參考借鑒。利用該HIL系統(tǒng)可以較為迅速有效在開發(fā)測試階段對VCU基本功能進(jìn)行驗證，縮短開發(fā)周期，為后續(xù)實車試驗提供參考數(shù)據(jù)。下一步的工作需要根據(jù)控制器實車情況對硬件在環(huán)測試系統(tǒng)進(jìn)行反向驗證，進(jìn)一步提高完善測試系統(tǒng)的完整性。

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