基于c和d的電動(dòng)汽車硬件在環(huán)仿真天津大學(xué)夏鋅等

1、基于 CRUISE 和 dSPACE 的電動(dòng)汽車硬件在環(huán)夏鋅，黃登高，謝輝內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)，市南開區(qū)衛(wèi)津路 92 號(hào)摘要 電動(dòng)汽車整車器(VCU)開發(fā)遵循傳統(tǒng)開發(fā)流程 V-Cycle，CRUISE 軟件可以快速搭建對(duì)象模型，應(yīng)用于模型在環(huán)（MIL）和硬件在環(huán)（HIL）階段。本文利用 CRUISE搭建了電動(dòng)汽車模型，并應(yīng)用于基于 dSPACE 的HIL，驗(yàn)證VCU 的功能。：電動(dòng)汽車；整車器；硬件在環(huán)主要軟件：AVL CRUISE; DSPACE/CONTROLDESK;/SIMULINKHardware-in-the-loop Simulation of Electrical Vehicle Ba

2、sed OnCRUISE and dSPACEXin Xia, Denggao Huang, Hui XieState Key Laboratory of Engine, Weijin Road, 92, Nankai District, TianjinAbstract The development electrical Vehicle Controller Unit(VCU) follows the V-Cycle whichis the traditional procedure in the field of automotive electronics. Plant mcan be

3、built fast byCRUISE and it can be used in M-In-the-Loop (MIL) and Hardware-In-the-Loop (HIL). Aelectrical vehicle mwith the help of CRUISE has been built in this paper, and this mhasbeen used in HIL based on dSPACE, furthermore, some functions of VCU have been verified by HIL Simulation.Keywords: El

4、ectrical Vehicle; Vehicle Controller Unit; Hardware-in-The-Loop (HIL)Software: AVL CRUISE; DSPACE/CONTROLDESK;/SIMULINK1. 引言隨著能源以及環(huán)境的加劇,新能源車輛應(yīng)運(yùn)而生。純電動(dòng)汽車作為新能源汽車的一種，沒有傳統(tǒng)汽車工作時(shí)產(chǎn)生的廢氣,是目前最環(huán)保的節(jié)能車輛之一1。此外，同傳統(tǒng)的汽車相比, 電動(dòng)汽車能耗較低,被認(rèn)為是汽車發(fā)展的趨勢。目前，國內(nèi)眾多汽車廠商和科研機(jī)構(gòu)都紛紛投入到電動(dòng)汽車的開發(fā)，并有相應(yīng)為三個(gè)方面：電池技術(shù)、電機(jī)技術(shù)、電控技術(shù)。問世。電動(dòng)汽車開發(fā)的可以總結(jié)電動(dòng)汽車整

5、車器（VCU）在電控技術(shù)中占有重要地位，其開發(fā)過程遵循傳統(tǒng)汽車電子的 V-Cycle 流程，因此電動(dòng)汽車整車模型的開發(fā)是不可或缺的部分。電動(dòng)汽車整車模型用于模型在環(huán)（MIL）和硬件在環(huán)（HIL）兩個(gè)階段，分別用于策略評(píng)估和集成測試。隨著電動(dòng)汽車開發(fā)周期越來越短， 安全性要求越來越高，電動(dòng)汽車的整車建模需要依據(jù)測試對(duì)象的變化進(jìn)行靈活配置，傳統(tǒng)的 Simulink 和手寫代碼的形式難以滿足開發(fā)要求。AVL 公司的 CRUISE 軟件模塊化的理念可以輕松快速實(shí)現(xiàn)整車建模，同時(shí) CRUISE 還提供了與ETAS/ASCET 和 dSPACE 的接口，可以方便地將 CRUISE 整車模型應(yīng)用于 MIL

6、和 HIL兩個(gè)不同階段。2. CRUISE 模型及環(huán)境構(gòu)建電動(dòng)汽車關(guān)鍵模塊包括電池、電機(jī)、離合器、主真的純電動(dòng)車模型和動(dòng)力總成系統(tǒng)如圖 1 所示。器以及車輪等，車輛為直驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。本文仿模型不僅利用了 CRUISE 模型快速開發(fā)的優(yōu)勢，也采用了 dSPACE RTI 模塊接口功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)象模型和器的無縫連接。圖 1 整車構(gòu)架圖2.1 CRUISE 模型搭建對(duì)象選擇某型純電動(dòng)轎車。CRUISE 整車模塊需要輸入整車、載荷參數(shù)、空氣阻力特性、輪胎參數(shù)、傳動(dòng)系參數(shù)以及制動(dòng)系等參數(shù)。該模塊采用式（1）所示的公式2。𝐹𝑉,𝑟𝑒𝑠

7、; = 𝐹𝑉,𝑎𝑖𝑟 + 𝐹𝑉,𝑖𝑛𝑐𝑙 + (𝑘𝑉,𝑎𝑑𝑑,𝑡𝑟𝑎𝑐 + 𝑘𝑉,𝑎𝑑𝑑,𝑝𝑢𝑠) 𝑚𝑉,⻔

8、6;𝑐𝑡 𝑔（1）式（1）中𝐹V,res為阻力，𝐹𝑉,𝑎𝑖𝑟為空氣阻力，𝐹𝑉,𝑖𝑛𝑐𝑙為坡度阻力，𝑘𝑉,𝑎𝑑𝑑,𝑡𝑟𝑎𝑐和𝑘𝑉,𝑎𝑑𝑑,

9、𝑝𝑢𝑠分別 為滾動(dòng)阻力系數(shù)和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)， 𝑚𝑉,𝑎𝑐𝑡為車重。電池模型的建立根據(jù)當(dāng)前 SOC 估算電池電壓，并考慮了溫度對(duì)電池充放電的影響。CRUISE需要輸入的電池部分參數(shù)單體電池標(biāo)稱電壓，單體電池放電截止電壓，單體電池充電截止電壓等。CRUISE 電池模塊采用 RC 模型，公式如式（3）、（4）所示2。= 𝑈𝑄,𝑛𝑒𝑡𝑈𝑄,𝑖w

10、889;𝑙𝑒𝑅𝑄,𝑎𝑐𝑡𝐼式（2）𝑄𝑄𝑄,𝑎𝑐𝑡 = 𝑄𝑄,𝑎𝑐𝑡1 + 𝑡𝑠𝑡𝑒𝑝 𝐼𝑄式（3）式（2）中：𝐼𝑄為輸出電流，𝑈

11、9876;,𝑛𝑒𝑡為總電壓，𝑈𝑄,𝑖𝑑𝑙𝑒為空載電壓，𝑅𝑄,𝑎𝑐𝑡為電池內(nèi)阻；式（3）中：,act和,act1分別為當(dāng)前和上一時(shí)刻電池電量，tstep為步長。CRUISE 電機(jī)模塊的基礎(chǔ)是電機(jī)的電壓、轉(zhuǎn)矩、功率的平衡方程和運(yùn)行特性方程，其采用的公式分為機(jī)械和電氣兩個(gè)部分2。需要輸入額定電壓，額定功率，最大轉(zhuǎn)速，平均效率， 工作模式等參數(shù)。機(jī)械部分：𝑀

12、9864;𝑀,𝑑𝑡 = 𝑀𝑀𝐸 𝐸𝑀,𝑛𝑜𝑚𝜑 𝐸𝑀,𝑜𝑢𝑡式（4）式中𝑀𝐸𝑀,𝑑𝑡為輸出扭矩，𝑀𝑀𝐸為電機(jī)特性 MAP，𝐸𝑀,𝑛𝑜&#

13、119898;為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，𝜑 𝐸𝑀,𝑜𝑢𝑡為電機(jī)的角度；電氣部分：𝑃𝐸𝑀,𝑒𝑙 = 𝑃𝐸𝑀,𝑚𝑒𝑐 + 𝑃𝐸𝑀,𝑙𝑜𝑠𝑠式（5）𝑃𝐸𝑀,𝑚w

14、890;𝑐 = 𝜑 𝐸𝑀𝑀𝐸𝑀式（6）式（5）中𝑃𝐸𝑀,𝑒𝑙為總功率，PEM,mech為機(jī)械功率，𝑃𝐸𝑀,𝑙𝑜𝑠𝑠為損失功率；式（6）中 EM為輸出角速度。根據(jù)以上參數(shù)，搭建的 CRUISE 電動(dòng)汽車模型如圖 2 所示，圖中方框表示主要零部件或功能模塊，包括有動(dòng)力電池模塊、驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊、器模塊、

15、差速器模塊、剎車模塊、車輪模塊、整車參數(shù)模塊、駕駛員模塊以及模塊。其中動(dòng)力電池采用鋰離子電池，驅(qū)動(dòng)電機(jī)為永磁同步電機(jī)，器只有一個(gè)檔位。圖 2 整車構(gòu)架圖2.2 dSPACE 簡介與dSPACE 系統(tǒng)是基于臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)與環(huán)境構(gòu)建/ Simulink 的系統(tǒng)開發(fā)及半實(shí)物的軟硬件工作平/ Simulink/ RTW（Real Time Workshop）的無縫連接，具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、操作簡單、可靠性高、可擴(kuò)充性好等優(yōu)點(diǎn)，并且具有完整的軟件和硬件體系。本文中用表 1 使用工具信息工具版本/型號(hào)dSPACE SoftwareRelease 6.6dSPACE Processor BoardDS1006dSP

16、ACE IO BoardDS2211/SimulinkR2010a到的 dSPACE 軟硬件信息和CRUISE 模型要用于 HIL版本信息如表 1 所示。，首先必須添加 dSPACE 接口模塊，連接 dSPACE 與CRUISE 之間需要交互的信號(hào)；其次進(jìn)行 CMC 編譯時(shí)Compiler/Platform 選擇 dSPACEDS1006，自動(dòng)生成一個(gè) Simulink 模型 dSPACRTCRUISE2。dSPACRTCRUISE 還無法直接用于HIL，需要添加dSPACE RTI 模塊：CAN、DAC、Dig In、Dig Out,經(jīng)過修改后的 Simulink 模型如圖 3 所示。Inp

17、ut 模塊通過RTI CAN 接收 VCU扭矩指令傳遞給 CRUISE 模塊，并且通過RTI Dig In繼電器的工作狀態(tài)；CRUISE 計(jì)算的信息，如電池電壓，車速，電機(jī)轉(zhuǎn)速等，則在 Output 模塊通過RTI CAN給VCU。此給VCU。外，踏板開度、鑰匙信號(hào)等也在 Output 模塊通過RTI DAC 和RTI Dig Out圖 3 Simulink 模型界面3. HIL結(jié)果分析環(huán)境的搭建后，將 Simulink 模型編譯并完成到DS1006 板卡中實(shí)時(shí)運(yùn)圖 4 HIL平臺(tái)實(shí)物圖行。CRUISE 模型中去掉了駕駛艙模塊的車速跟隨功能，電機(jī)根據(jù) VCU 計(jì)算的需求扭矩進(jìn)行工作。過程中，通

18、過變換踏板的開度驗(yàn)證了VCU 正常行駛的功能。圖 4 為 HIL的真實(shí)場景。3.1 VCU 介紹平臺(tái)的測試對(duì)象為課題組開發(fā)的 VCU，采用英飛凌公司高性能的 MCU，具有驅(qū)動(dòng)及 AD 采樣， CAN 通口，同時(shí)還能給外部傳感器供豐富的數(shù)字輸入、繼電器電。硬件經(jīng)檢驗(yàn)滿足如下標(biāo)準(zhǔn)：ISO 11452-2 輻射抗擾度、GB/T 19951 靜電放電和QC/T413-2002 汽車電氣設(shè)備技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。器實(shí)物如圖 5 所示。圖 5 VCU 實(shí)物圖器根據(jù)平臺(tái)化的設(shè)計(jì)思想，按照通用化、模塊化標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。整車整車器的軟件平臺(tái)結(jié)構(gòu)包括配置及維護(hù)軟件接口模塊、故障診斷及處理模塊、駕駛模塊、車輛驅(qū)動(dòng)、通信管理和底層

19、模塊等。軟件采用了分層的模塊化體系結(jié)構(gòu)。整個(gè)軟件由一系列具有標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的軟件功能模塊，所有軟件模塊分成三大部分：能量管理、系統(tǒng)管理（維護(hù)管理、故3。障診斷、車輛驅(qū)動(dòng)、通信管理和駕駛解釋）和底層共享軟件函數(shù)庫3.2行駛驗(yàn)證Simulink 模型經(jīng)過編譯以后在DS1006 中實(shí)時(shí)運(yùn)行，一方面通過 DS2211 CAN 接收VCU圖 6 Controldesk 界面的需求扭矩指令，另一方面整車狀態(tài)即模型運(yùn)算結(jié)果也通過DS2211 傳遞給VCU。同時(shí)， 在 dSPACE 的軟件工具Controldesk 界面下，可以通過虛擬儀表與模型進(jìn)行交互。Controldesk界面如圖 6 所示，可以改變踏板開度、

20、檔位、鑰匙信號(hào)等等。鑰匙打到 KEY_ON 后，BMS 開始自檢，自檢通過以后 VCU 開始給電機(jī)器和其他附件上電。完成整個(gè)上電后，鑰匙打到 START，并將換擋手柄由空檔換到前進(jìn)檔，車輛就可以起動(dòng)。車輛起動(dòng)之后，變化踏板的開度，VCU 根據(jù)到的踏板開度查 Map 初步計(jì)算扭矩需求；然后進(jìn)一步車輛各個(gè)附件的狀態(tài)，比如電池的電量等，修正該扭矩；最終通過 CAN發(fā)給電機(jī)器，電機(jī)再執(zhí)行該扭矩需求。圖 7 中可以看到需求扭矩不斷隨著踏板的開度變化，趨勢吻合較好。Torque (N*m) Pedal (%) Velocity (km/h)10080806060404020200005101520253035Time (s)圖 7行駛3.3 滑行行駛驗(yàn)證車輛在行進(jìn)的過程中，首先驅(qū)動(dòng)到 75km/h，然后松開油門，車輛進(jìn)入滑行行駛狀態(tài)。8070605040302010020406080100120Time (s)圖 8 滑行行駛度幾乎恒定，車輛的從