陳福云 花春梅

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院淮安生物工程分院，江蘇 淮安 223200）

與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車相比，新能源汽車有更高的能源利用率、更低的運(yùn)營成本和更少（甚至為零）的尾氣排放，因此受到政府、行業(yè)和學(xué)術(shù)研究界的重點關(guān)注。作為新能源汽車的代表之一，PHEV利用多動力源作為動力輸入，在與外界負(fù)載功率相平衡的約束條件下，通過調(diào)節(jié)多動力源間的輸出功率使系統(tǒng)工作在高效區(qū)間，并結(jié)合制動能量回收，顯著提高能量利用率。為了使PHEV的儲能系統(tǒng)同時具有高能量密度和高功率密度,由動力電池和超級電容組成的混合儲能系統(tǒng)HESS受到各界青睞。由于HESS系統(tǒng)存在一定程度能量/功率耦合，超級電容和發(fā)動機(jī)具有截然不同的物理特性和數(shù)學(xué)模型，因此對HESS系統(tǒng)的能量管理需要開展更為針對性的研究。首先需對動力電池進(jìn)行建模，同時建立超級電容模型以及基于效率圖的DC/DC轉(zhuǎn)換器模型，還需對駕駛員需求功率和最優(yōu)能量管理策略建模，并找到最優(yōu)控制策略的求解，最后對能量管理策略進(jìn)行仿真和硬件在環(huán)驗證。

硬件在環(huán)仿真是指仿真試驗中包括一部分硬件系統(tǒng)，有別于完全采用代碼模型的虛擬仿真。硬件在環(huán)試驗是檢驗控制策略正確性的重要手段之一，也是車輛控制器V型開發(fā)流程中的關(guān)鍵一環(huán)。本文將通過MotoTron快速開發(fā)平臺和RTLAB實時仿真平臺的聯(lián)合調(diào)試，完成對能量管理最優(yōu)控制策略的校驗。

1 HESS系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真平臺

本文所指的硬件在環(huán)是指控制器在環(huán)，即將控制策略寫入硬件控制器MotoTron中，側(cè)重于檢查控制策略的正確性和實時性。同時為了實現(xiàn)對被控對象模型的校驗及調(diào)準(zhǔn)，在RT-LAB中建立HESS系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。因此本文的硬件在環(huán)仿真主要依賴于兩大部分：基于RT-LAB的HESS模型建立以及基于MotoTron控制器的控制硬件實現(xiàn)。

1.1 基于RT-LAB的HESS模型建立

RT-LAB在實時仿真計算方面具有強(qiáng)大功能，具有分布式實時結(jié)構(gòu)特點，能夠短時間、低成本地實現(xiàn)對工程應(yīng)用動態(tài)系統(tǒng)的建模仿真；其數(shù)據(jù)記錄及反饋功能可非常方便地應(yīng)用于計算化的仿真場景；其可伸縮的靈活性及自由度可滿足對高度復(fù)雜仿真控制問題的建模。RT-LAB的應(yīng)用范圍既涵蓋實時硬件在環(huán)回路，也包括快速模型的建立、開發(fā)、控制和測試。因此，基于RTLAB的HESS模型可以實時地、較為精確地模擬系統(tǒng)的真實響應(yīng)，為控制策略的校驗提供模型基礎(chǔ)。

本文中的RT-LAB模型仿真平臺的主要功能是：HESS模型通過接受MotoTron控制器發(fā)送的目標(biāo)車速信號（即修正的WLTC工況），實現(xiàn)車速跟隨；同時將真實的動力電池SOC和超級電容SOV狀態(tài)回傳給MotoTron控制器。

基于RT-LAB的模型建立一般包括如下四個步驟：

步驟一：在Simulink中建立系統(tǒng)的物理模型。本文中主要包括動力電池的一階RC模型、超級電容的電壓源串聯(lián)歐姆內(nèi)阻模型以及DC/DC的效率圖模型；

步驟二：定義模型的輸入及輸出接口。本文中模型的輸入，即為控制策略的控制變量，是動力電池的電流；模型的輸出，即為控制策略所需的狀態(tài)量，包括動力電池SOC和超級電容SOV；

步驟三：基于Matlab的自動代碼生成技術(shù)，將Simulink模型直接轉(zhuǎn)換為C代碼，必要時對C代碼進(jìn)行自定義修改及優(yōu)化；

步驟四：將模型的C代碼刷寫入RT-LAB中，并最終設(shè)置CAN通訊模塊的波特率等通信參數(shù)，完成模型的建立。

基于RT-LAB的實時仿真平臺開發(fā)流程如圖1所示。

圖1 基于RT-LAB的實時仿真平臺開發(fā)流程

1.2 基于MotoTron控制器的控制硬件實現(xiàn)

傳統(tǒng)車輛控制單元的開發(fā)流程具有周期長、成本高、復(fù)雜度強(qiáng)等特征，通常包括功能概念定義、算法開發(fā)、軟件編程、硬件設(shè)計、底層操作系統(tǒng)和驅(qū)動程序開發(fā)、硬件在環(huán)仿真測試、匹配標(biāo)定及驗證、ECU軟件灌裝等數(shù)十項步驟和任務(wù)。上述步驟在通常情況下需要反復(fù)迭代聯(lián)合調(diào)試，即不同任務(wù)間存在高度的關(guān)聯(lián)性和耦合性，因此車輛控制器開發(fā)對跨學(xué)科知識、項目管理經(jīng)驗以及專業(yè)性技能提出了高水平要求，使得其開發(fā)通常面臨諸多困難與挑戰(zhàn)。而MotoTron快速開發(fā)平臺提供了控制策略開發(fā)的規(guī)范化、簡潔化流程，極大程度地縮短了車輛控制器的開發(fā)周期，降低了開發(fā)成本。

MotoTron開發(fā)平臺主要由三部分構(gòu)成：MotoHawk快速開發(fā)軟件、MotoTune調(diào)試工具以及硬件ECU。

（1）MotoHawk-MotoTron快速開發(fā)軟件

MotoHawk是基于MotoTron的ControlCore產(chǎn)品級軟件架構(gòu)和產(chǎn)品級ECU硬件下的系統(tǒng)開發(fā)軟件，能夠與Matlab/Simulink/Stateflow/RTW編譯環(huán)境下生成的基于體系結(jié)構(gòu)的軟件平臺完美融合，應(yīng)用在ECU開發(fā)、標(biāo)定及測試的各個階段。由于MotoHawk基于產(chǎn)品級ECU硬件平臺集成了車上常用的傳感器和執(zhí)行器的接口，無需用戶重新開發(fā)，從而大大縮短了從開發(fā)到產(chǎn)品化的周期，而且成本較低。如圖2展示了MotoHawk-MotoTron快速開發(fā)軟件物理架構(gòu)。

圖2 MotoHawk-MotoTron快速開發(fā)軟件物理架構(gòu)示意圖

（2）MotoTune-ECU調(diào)試工具

通過使用MotoHawk完成控制算法的規(guī)格定義和功能設(shè)計之后，根據(jù)硬件ECU平臺的選擇，可使用MotoTune將基于Matlab/Simulink/Stateflow/RTW的軟件策略自動生成可執(zhí)行性代碼，并利用配對的調(diào)試工具，將代碼刷寫到ECU中，如圖3所示。MotoTune標(biāo)定工具能夠?qū)崿F(xiàn)各種典型的調(diào)試功能，而且其界面直觀友好，基于MotoTune，用戶可實現(xiàn)對系統(tǒng)可觀測量的實時記錄和校對，并可通過在線調(diào)參，實現(xiàn)對控制策略的在線優(yōu)化及容錯測試。

圖3 基于MotoTune的代碼刷寫及參數(shù)調(diào)試

（3）DEV ECU-MotoTron開發(fā)ECU

根據(jù)不同的應(yīng)用范圍，MotoTron可以提供24針、48針、80針、112針和128針不同的ECU硬件選擇，如圖4所示。微處理器包括：16位HCS12，32位MPC5XX和MPC55XX。對于用戶已有的以其它處理器為核心的ECU，MotoTron也可以提供控制策略移植的支持服務(wù)。

圖4 常用MotoTron開發(fā)ECU

具體到本文的HESS能量管理策略開發(fā)，基于MotoTron控制器的控制策略硬件化實現(xiàn)主要包括如下三個步驟：

步驟一：在Matlab/Simulink中建立控制策略模型。生成最優(yōu)控制策略Map以三維插值表的形式數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Matlab/Simulink模塊。

步驟二：定義控制器的輸入/輸出接口以及需要監(jiān)測的狀態(tài)變量。這里針對HESS控制策略，其需要根據(jù)動力電池SOC、超級電容SOV以及需求功率進(jìn)行查表，并給出動力電池的輸出電流作為執(zhí)行動作，因此其輸入接口量主要是動力電池SOC、超級電容SOV以及需求功率，其中動力電池SOC和超級電容SOV為從RT-LAB模型獲得的輸出，需求功率通過MotoTron控制器的Calibration進(jìn)行在線設(shè)置，輸出接口量主要為動力電池的控制電流。另外，為了檢查模型的正確性，同時需要觀測動力電池和超級電容的電壓、功率等狀態(tài)參量。

步驟三：通過自動代碼生成將控制策略轉(zhuǎn)化為C語言，并通過MotoTune將控制策略刷寫到硬件控制器中，最后對CAN通訊的波特率進(jìn)行設(shè)置，完成基于MotoTron控制器的HESS控制策略開發(fā)。

基于MotoTron控制器的控制硬件實現(xiàn)流程如圖5所示。

圖5 基于MotoTron控制器的控制硬件實現(xiàn)流程

圖6和圖7中分別給出了MotoTron中的HESS控制策略模型以及CAN通訊模塊。

圖6 基于MotoTron控制器的HESS控制策略模型

圖7 基于MotoTron的HESS能量管理控制器CAN通訊模塊

1.3 硬件在環(huán)仿真平臺

基于前述HESS的RT-LAB模型以及MotoTron控制器，建立完整的硬件在環(huán)仿真平臺，如圖8所示，主要包括控制器上位機(jī)、MotoTron控制器、RT-LAB上位機(jī)、CAN總線、RT-LAB以及RT-LAB上位機(jī)顯示器等。在該硬件在環(huán)平臺中，采用動力電池電流控制Map作為HESS的能量管理策略，MotoTron控制器根據(jù)修正的WLTC工況及車輛基本參數(shù)計算整車需求功率并進(jìn)行發(fā)送，同時接受RT-LAB傳遞的動力電池及超級電容狀態(tài)信號。RT-LAB接受MotoTron控制器發(fā)送的動力電池電流控制信號，同時輸出動力電池和超級電容的狀態(tài)信號。

圖8 基于RT-LAB和MotoTron的硬件在環(huán)仿真平臺實物圖

2 基于硬件在環(huán)試驗的仿真結(jié)果分析

通過硬件在環(huán)試驗，驗證模型和控制算法的可行性及有效性。試驗時設(shè)置動力電池初始SOC為0.9，超級電容初始SOV為1。圖9繪制了硬件在環(huán)試驗的結(jié)果， （a）～（d）分別繪制了電池和超級電容的電流、電壓、功率以及SOC/SOV，可以看出：求解獲得的最優(yōu)控制策略可以有效充分地協(xié)調(diào)動力電池和超級電容間的相互配合。當(dāng)需求的正功率較大時，超級電容將協(xié)助動力電池提供駕駛員所需的功率。在大部分制動能量回收場景下，超級電容承擔(dān)儲存回收動能的任務(wù)。特別的，從圖9（c）中可以看出：當(dāng)電池的功率不特別大時，電池的功率主要集中在30kW附近，因為DC/DC轉(zhuǎn)換器在功率為30kW附近時可獲得最高效率。最優(yōu)控制策略嘗試將動力電池功率調(diào)節(jié)到30kW以提高DC/DC轉(zhuǎn)換器的效率，降低能耗損失。另外，由于DC/DC轉(zhuǎn)換器在大功率、大電流場景下同樣具有較為理想的效率，因此，最優(yōu)控制策略同樣傾向于使動力電池工作在大放電倍率的場景下。

圖9 基于硬件在環(huán)的仿真控制策略效果

3 總結(jié)

本文介紹了對HESS能量管理策略的硬件在環(huán)仿真驗證。通過建立基于MotoTron控制器和RT-LAB系統(tǒng)的硬件在環(huán)仿真平臺，將策略迭代求解的控制策略Map刷寫入MotoTron控制器，通過RT-LAB建立HESS系統(tǒng)的動力學(xué)模型，利用CAN通訊實現(xiàn)MotoTron和RT-LAB間的實時通訊，試驗結(jié)果表明，生成的控制策略Map可以充分協(xié)調(diào)動力電池和超級電容間的功率分配，發(fā)揮超級電容的大功率密度優(yōu)勢，有效緩沖急加減速工況點動力電池的功率輸出/輸入，并提高DC/DC轉(zhuǎn)換器的工作效率。