基于硬件在环的电动汽车整车控制器功能测试方法研究

1、基于硬件在环的电动汽车整车控制器功能测试方法研究Research on Functional Test of Vehicle Controller of Electrical Vehicles Based on Hardware in the Loop学科专业:动力工程研究生:夏锌指导教师:谢辉教授企业导师:周能辉高工天津大学机械工程学院二零一三年十二月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同

2、志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名:签字日期:年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明学位论文作者签名:导师签名:签字日期:年月日签字日期:年月日摘要“三电技术”(电机、电池及电控技术是电动汽车的关键技术,整车控制器作为电控系统的核心,其开发遵循汽车电子的标准V-Cycle流程。硬件在环(

3、HIL作为V-Cycle中的重要一环,可以全面验证整车控制器的功能。整车控制器软件系统可以分为底层和应用层,底层软件是应用层软件各种功能的载体,功能较为简单,测试过程重复劳动较多;应用层软件功能复杂,测试工作量较大,需要系统的方法提高测试效率降低测试成本。针对这些问题,本文开发了用于底层软件的自动化测试系统;提出了整车控制器功能测试模型,并将输入量离散化进一步减少测试用例数量。这些方法在整车控制器的开发过程中得到了应用,提高了测试效率,降低了测试成本。具体工作包括:提出了硬件在环系统生命周期模型。介绍了整车控制器的开发流程以及功能,阐述了硬件在环的原理与基于dSPACE的整车控制器硬件在环系统

4、,划分了硬件在环系统生命周期的五个阶段。开发了底层软件自动化测试系统。为了减少底层软件测试的工作量,提出了底层软件接口自动化测试方法,并给出了Python脚本的实现过程。构建了用于应用层软件功能测试的HIL环境。利用Matlab/Simulink软件并合理划分模块,搭建了电动汽车对象模型且实现参数化管理。搭建了Controldesk 测试管理界面,并对整个环境进行了验证。搭建了整车控制器功能测试模型,提出了测试输入量离散化方法。基于需求文档并利用状态机搭建了整车控制器功能测试模型,同时提出了利用等价类划分方法、边界值分析方法离散化输入量,并且给出了利用Python语言的实现方式。此外,部分测试

5、用例需要设置故障,因此介绍了基于dSPACE DS291板卡的故障注入测试。提出的方法在整车控制器的开发中得到了应用,底层软件自动化测试能够节省90%的时间,应用层测试环境能够很好地模拟实车全面测试整车控制器,应用层测试方法能够以较少的测试用例达到功能覆盖率。关键词:纯电动汽车整车控制器硬件在环功能测试ABSTRACTMotors, batteries and electric control are the key technologies of electric vehicles. As the core of the electric control system, the develo

6、pment of vehicle controller follows the standard V-Cycle process of automotive electronics. Hardware in the loop (HIL, which plays an important role in V-Cycle, is able to fully verify the function of the vehicle controller.The vehicle controller software system can be divided into the low-level lay

7、er and the application layer. The low-level software is the carrier of the application layer software functions, whose function is relatively simple and involves massive duplication work during the testing process. The application layer software has relatively complex function with heavy testing wor

8、k. Consequently, a system method should be applied to improve test efficiency for reducing test cost. To solve these problems, automatic testing system used in the low-level software is developed. Besides, the vehicle controller function test model and test case automatic generation software is prop

9、osed. These methods mentioned above have been applied in the vehicle controller development process, resulting an improvement in test efficiency and reduction in the test cost. The specific work is summarized as follows: The HIL system lifecycle has been put forward. This present work introduces the

10、 development process and function of the vehicle controller. The HIL system and its principle in the application of vehicle controller based on dSPACE is presented. The building process of HIL system must be standardized and the system has to be maintained during the implementation. Therefore, the h

11、ardware in loop system lifecycle model is proposed.In order to reduce the workload of the low-level software testing, an automatic test method of the low-level software interface is put forward. Then a HIL environment for testing the function of application layer is built by Matlab/Simulink software

12、, with the module divided reasonably. An object model of electric car is built and the parameterized management is realized. After that, a Controldesk test management interface is built to verify the whole environment.A vehicle controller function test model is built by the implementation of the sta

13、te machine based on the requirement documents, and method of discretization of inputsis proposed. The discrete inputting method is based on the equivalence class partition method and boundary value, which is realized and implemented by Python In addition, considering that fault has to be set in some

14、 test cases, the fault injection test based on dSPACE DS291 board is introduced.KEY WORDS:Electrical vehicles, Vehicle controller unit, Hardware in the loop, Functional test目录目录 (4第一章绪论 (11.1引言 (11.2电动汽车现状与关键技术 (21.3控制器开发与硬件在环测试 (51.4硬件在环和测试方法研究现状 (71.5本课题研究内容与意义 (8第二章HIL系统生命周期模型与底层功能测试 (102.1电动汽车整车

15、控制器 (102.2 HIL系统生命周期模型 (132.3底层软件功能自动化测试 (182.4本章小结 (24第三章电动汽车建模与验证 (263.1电动汽车结构 (263.2模型搭建 (293.3 Controldesk界面 (343.4 HIL环境验证 (353.5本章小结 (37第四章应用层功能测试方法 (384.1应用层测试测试方法概述 (384.2整车控制器功能测试模型 (394.3输入量离散化 (434.4结果分析 (484.5本章小结 (50第五章全文总结与展望 (515.1全文总结 (515.2工作展望 (51参考文献 (53发表论文和参加科研情况说明 (57致谢 (58绪 论第

16、一章1.1 引言节能和环保已经是当今世界的重大议题。国际能源署2011年9月在伦敦发布报告预测,全球对一次性石化能源的需求将比2008年增加36%,而中国的需求量在此期间将上升75%,占到全球能源需求增长量的36% 1。据悉,我国目前每年石油产量最多两亿吨2。然而有研究报告指出,到2020年,我国每年石油消耗量将在4.5亿吨左右2。石油消耗的快速增加与产能的滞后,导致我国日益依赖石油进口,2009年我国原油对外依存度就已突破50%的警戒线。汽车是石油消耗的大户。随着居民收入的不断增加,购买汽车的家庭也将不断增多。在庞大人口基数和较快经济增长速度的双重驱动下,汽车保有量在今后相当长时间内将继续维

17、持在一个相当庞大的数目。2012年汽车保有量不含三轮汽车和低速货车已达到1.22亿辆,折合成原油消耗为3亿吨,占12年原油总消耗的64.07%3。一方面石油资源越发稀缺,另一方面消耗量却不断增加。因此,要解决目前遇到的能源瓶颈,只有大力发展替代能源以满足未来长期的能源供应,尤其是在汽车领域,发展新能源汽车也就成为未来汽车行业发展的必然趋势。新能源汽车 471330385068020406080100120销量 (万辆年份 EV 销量PHEV 销量图1-1 电动汽车销量预测主要包括电动汽车、太阳能汽车、混合动力汽车、天然气汽车等。无论从环境能源角度还是技术实现难度考虑,电动汽车是汽车工业的最优选

18、择4。电动汽车可实现零排放或极低排放,因为它利用的是一种可靠、来源广泛、且对环境友好的能源-电能。因此,将电动汽车作为未来汽车工业发展的方向,是企业和政府的共识45。世界知名咨询公司科尔尼公司预测我国电动汽车销量如图1-1所示,我国电动汽车销量在未来十年将会逐年攀升6。1.2电动汽车现状与关键技术1881年,法国工程师Custave Trouve制造了一辆装配有可充电铅酸电池的电动汽车,实现了电池的重复利用。当时美国每年销售的汽车中,有38%是电动汽车,22%是燃油汽车,40%是蒸汽机汽车5。但是随后电动汽车的发展远远落后于燃油汽车,主要原因是内燃机技术的不断成熟大大提高了燃油汽车的整车性能,

19、而电动汽车一直受限于电池技术的瓶颈5。直到20 世纪末,为了缓解能源供应紧张和环境污染日益严重的局面,世界主要国家、地区和汽车集团纷纷在电动汽车研发项目上投入大量人力、物力,开发电动汽车产品7。美国2012年启动电动汽车国家创新计划“EVEverywhere”,推动高性能锂离子电池材料、插电式车辆、轻量化等关键技术的研究,同时设立了5年收回车辆附加成本的目标,并明确将于2022年前建立世界通用的5人乘坐型普通价格电动汽车的量产体系8。德国2012年发布国家电动汽车平台计划第3次评估报告,进一步要求建立以用户为中心,基础设施技术、动力系统技术、先进制造技术等关键技术全方位发展的研发体系,实现到2

20、020年成为世界电动汽车领先国。此外,德国专家已经在考虑零部件的统一和生产的标准化问题,制定电动汽车标准抢占市场。20世纪70年代日本政府就已将发展电动车列入汽车工业的产业规划,制定了诸如建设和改造充电站、研制新技术蓄电池等计划。日本2010年发布下一代汽车计划,重点支持先进锂离子动力电池研发,计划将比能量提高150%9。我国政府一直以来积极组织开展电动汽车的自主创新。“九五”期间,电动汽车列入国家重大科技产业工程。“十五”、“十一五”期间发展电动汽车被列入国家863计划。确立了以混合电动汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车为“三纵”,以整车控制系统、电机驱动系统、动力蓄电池/燃料电池为“三横”的研

21、发布局。新能源汽车的未来演化发展路径如图1-2所示9。从长远来看,纯电动汽车必将实现产业化。 图1-2 新能源汽车的未来演化发展路径我国自主研制出容量为6Ah-100Ah的镍氢和锂离子动力电池系列产品,能量密度和功率密度均接近国际水平,同时安全技术也有较大突破,在世界上首次较大规模应用于城市公交客车;自主开发的200kW以下永磁无刷电机、交流异步电机和开关磁阻电机,重量比功率超过1300W/kg,最高效率能达到93%10。比亚迪E6是国内电动汽车的先行者,所搭载的电动系统的最大功率为100马力左右,峰值扭矩为450Nm,最高车速可达140km/h以上,不开空调该车在综合工况下的续航里程为240

22、-300km10。2011年奇瑞公司的瑞麒M1纯电动汽车在上海开始投放市场。此外,一汽、上汽乘用车、长安汽车、长城、广汽等也纷纷响应国家政策,研发纯电动汽车。现代电动汽车的研究与开发是一个非常复杂的系统工程,其理论基础是将汽车技术、电机技术、驱动技术、电力电子技术、能源储存技术和现代控制理论等有机地结合起来,实现系统的集成优化,其关键技术和主要研究方向可归纳为以下三个部分:整车控制系统、电机驱动系统、动力蓄电池/燃料电池10。其中电机驱动技术和传动系统优化发展相对较为成熟,动力总成控制是电动汽车当前的研究热点9。电机驱动控制系统是电动汽车车辆行驶中的主要执行机构,其驱动特性决定了汽车行驶的主要

23、性能指标,它是电动汽车的重要部件。因此,选择合适的电动机是提高各类电动汽车性价比的重要因素,研发或完善能同时满足车辆行驶过程中的各项性能要求,并具有坚固耐用、造价低、效能高等特点的电动机驱动方式显得极其重要。动力电池是电动汽车的关键技术,决定了它的续航里程和成本。电动汽车动力电池的功能指标和经济指标包括:安全性、比能量、比功率、循环寿命、价格、能量转换效率。这些因素直接决定了电动车的可用性、经济性。可作为电动汽车蓄电池的有很多种,如铅酸、镍镉、镍氢、钠硫、锂离子及燃料电池等10。围绕蓄电池的快速充电技术也是研究热点。控制系统的开发难度主要体现在三个方面:1诊断策略。电动汽车与燃油汽车差别很大,

24、不同的机械结构和不同的控制系统面临的安全问题也不尽相同。电动汽车配有高压电池系统以及遍布整车功率电缆,使得安全管理系统面临很大的考验。2能量管理。电池续航里程一直是限制电动汽车大规模市场化的重要因素。因此在有限的电池容量下,通过高效的能量管理,最大化的利用电池能量显得尤为重要。通过对电动汽车进行能量管理,能够有效增加车辆续驶里程,延长电池使用寿命,降低电动汽车的使用成本11。3控制器软硬件开发。硬件设计难度体现在三个方面:1高可靠性;2硬件模块可配置;3符合功能安全标准,尤其是功能安全是目前研究的热点。软件开发也是一个难点:1符合AUTOSAR规范;2多任务调度机制;3软件模块可配置;4软件可

25、靠性。图1-3展示了控制器的开发需求和开发平台。 图1-3 控制器开发需求1.3控制器开发与硬件在环测试整车控制器作为控制系统的重要部分,负责整车的能量管理、安全诊断、通信协调等功能。电动汽车整车控制器的开发遵循通用的的V-Cycle流程,如图1-4所示。 图1-4 V-CycleV模式开发流程主要有五个步骤:(1功能定义。根据功能定义设计硬件,并利用MATLAB/Simulink或Cruise 等软件搭建被控对象模型,利用Simulink或者ASCET开发控制器策略;控制策略与对象模型联合做模型在环(Model in the loop, MIL仿真,验证策略。(2快速控制原型(RCP。快速控

26、制原型通过建立控制对象及控制器原型,进行多次离线及在线实验来验证控制系统软硬件方案的可行性。简单地说就是采用先进建模工具进行建模,并生成代码,用其他控制器(PC, compact PC, 单片机临时替代将要开发的实际控制器,快速对控制算法进行验证与测试,在设计阶段发现并解决问题。(3生成产品代码。软件算法经过验证后,可以由软件工程师将算法转换为代码,但是随着技术的进步,目前ASCET、Targetlink等工具都支持自动生成产品级代码,同时还能生成ASAP2标定文件等。(4硬件在环仿真。控制器软硬件集成后,必须对其进行全面综合的测试,验证控制器是否符合功能需求。硬件在环是一种半实物的仿真系统,

27、实时处理器运行被控对象模型并通过信号调理板卡与控制器连接,形成一个闭环回路。(5系统集成标定。控制器经过硬件在环仿真测试之后,需要与其他被控系统实物连接起来,完成调试标定工作12。采用V模型开发流程不仅可以提高开发效率,还可以减少开发成本。半实物仿真减少了实车试验,并提前在实验室发现解决实车实验中的问题,节约了成本;另外相比实车实验,半实物仿真更加安全。软件测试可以分为白盒测试和黑盒测试。白盒测试也称结构测试,主要测试软件内部动作是否按照设计规格正常进行以及程序中的每条路径是否都能按预定要求正确工作,它要求测试人员对程序内部有足够的了解13。黑盒测试也称功能测试13,主要验证每个功能是否都已实

28、现。测试过程中,软件被当做黑盒,检测程序是否能正确地接收输入数据并产生预期的输出信息。一般来说,白盒测试由开发人员来完成,主要是单元测试;黑盒测试则主要用于集成、系统、确认测试阶段14。硬件在环仿真又称半实物仿真,就是把真实的控制器放在虚拟的环境中进行测试15,虚拟环境模拟控制对象的行为给控制器提供其工作所需信号,同时接收ECU发出的信号形成环路。硬件在环仿真被认为是一种快速、有效的方法,它可以16:1验证软件功能。搭建接口模型,利用HIL设备输出信号验证底层软件功能;搭建被控对象模型,构建虚拟环境可以全面验证控制器功能。2诊断功能测试。HIL设备可以选配故障注入板卡,可以模拟传感器或者负载的

29、故障,从而验证控制器的诊断功能。3参数标定。传统开发流程中需要进行大量实车或者台架试验完成标定工作。现代的开发流程中,可以在硬件在环仿真阶段对大量的参数进行初步标定,减少后期的标定工作。本质上讲,硬件在环系统是实现控制器功能验证的一种有效测试环境,构建HIL环境可以采用如上所述的成熟工具。前面所说的硬件在环仿真测试就是基于硬件在环环境的控制器功能测试,根据硬件在环的原理和软件测试学科关于软件测试的分类,硬件在环测试属于黑盒测试。1.4硬件在环和测试方法研究现状测试环境是实现测试方法的基础,针对测试环境构建的研究较多。目前较为成熟的商业化工具有dSPACE公司的Simulator、ETAS公司的

30、Labcar、MathWorks 的xPC Targert以及NI公司的各类板卡。此外,OPAL-RT、ADI、VECTOR、TESIS、AVL等公司也开发了不同的产品,支持ECU硬件在环仿真测试。硬件在环测试系统的开发上,国内发展比较晚。同济大学采用PCI总线以及WDM的驱动程序开发了实时测试系统,能够实现发动机电控单元硬件在环测试17。上海交通大学将测试系统分成高速接口模块、仿真模型模块和监控模块,开发的仿真系统应用于PEV 动力总成控制器的设计开发和功能测试,提高了开发效率18。大连交通大学开发的测试系统,不仅能够模拟汽车传感器输出信号还能模拟汽车执行器的动作,通过这套仿真分析系统可以实

31、现对发动机ECU 的实时分析与测试19。电动汽车硬件在环测试应用方面,田军辉等人采用XPC实现了电动汽车控制器内部和外部环境的监控,同时能够模拟整车控制器的实时运行环境,模型具有一定的适宜性和可配置型20。高树健等人采用实时功率电子和驾驶工况模拟方法,构建的硬件在环平台能够模拟电动汽车驱动总成各种动态变化,可以检测故障信息和快速瞬变过程,实现了电动汽车闭环优化控制,提高了电动汽车性能和可靠性21。田军辉、高树建、张恒8、Ren W17、位正18等人重点研究了硬件在环测试环境的构建。除了测试环境,测试方法对于测试质量、成本、效率至关重要,软件学科研究软件测试方法较多,整车控制器硬件在环测试可以借

32、鉴软件学科成熟的测试方法,但是必须针对自身的特点加以改造。戴姆勒公司和dSPACE公司采用分类树树方法,生成硬件在环测试用例,并通过发动机对象模型约束关系实现了测试用例精简,进一步优化测发动机测试过程22。檀革苗等人也利用分类树法分析软件对象可能的子系统功能以及输入,实现测试用例全空间的覆盖,采用对象约束关系软件CTE XL实现测试用例数目的降低,且不降低测试的覆盖程度23。吉林大学叶子针对电动汽车系统功能需求,分别设计测试软件的系统层、表示层、应用层和数据层。测试系统实现系统自检、系统配置、功能测试、逻辑测试、案例测试和测试报告自动生成功能的开发24。魏先民,林敬恩等采用状态机描述程序之间跳

33、转关系,直观形象,实现嵌入式软件功能的开发和测试流程的管理25。华东师范大学将测试用例表现为有限状态机模型接受的输入元素,使得状态变迁和用户行为有机结合,实现了测试的自动化26。综上所述,电动汽车硬件在环测试技术是电动汽车开发和测试不可缺少的环节,是提高电动汽车开发速度,是验证电动汽车整车控制器一种有效手段。电动汽车整车控制器硬件在环测试的发展不仅仅是电动汽车硬件在环测试实验平台的发展,同时包括硬件在环测试方法的发展。随着电动汽车控制系统安全保护功能要求越来越高、功能越来越复杂,电动汽车硬件在环测试应该通过有效的的测试案例设计以及管理,尽最大可能暴露出设计缺陷,完善电动汽车整车控制器功能,提高

34、系统的可靠性,缩短测试时间,降低开发成本。1.5本课题研究内容与意义硬件在环仿真测试对于电动汽车整车控制器的开发意义重大,利用HIL系统可以:软件功能验证;诊断功能测试验证。本研究针对电动汽车整车控制器HIL环境构建、软件功能验证做了如下研究:1提出HIL系统生命周期模型。首先,分析电动汽车整车控制器硬件在环系统结构,硬件在环系统根据需求进行搭建,搭建过程必须规范并且使用过程也需要维护,因此提出硬件在环系统生命周期模型,因此提出了HIL系统的生命周期模型规范HIL系统的搭建过程。2基础平台自动化测试。根据AUTOSAR规范,底层软件模块给应用层软件提供接口,是应用层软件实现功能的载体。底层软件

35、的功能必须在集成之前进行验证,底层软件功能比较单一,测试验证重复劳动较多,提出了底层软件自动化测试的方法并利用Python编写脚本实现。3构建应用层软件测试环境。首先介绍了电动汽车的结构,并将电动汽车模型划分为模块,对各个模块进行简化处理,搭建了电动汽车的Simulink模型,同时利用m文件管理各个模块的参数,以适应不同的车型参数。4构建整车控制器应用层功能测试模型,提出测试用例自动化生成方法。不同于底层软件测试,应用层软件功能较为复杂,提出了利用状态机搭建电动汽车整车控制器功能测试模型,刻画软件的功能与行为以此规划测试流程。并提出了利用等价类划分方法、边界值分析方法离散化输入量,并根据不同状

36、态的输入组合测试用例。第一章 绪 论2.1-电动汽车整车控制器硬件在环系统构成2.2-硬件在环系统生命周期模型应用层程序底层软件2.4-底层软件自动化测试4.2-状态机规划测试流程3-整车模型4.3-输入量离散化4.4-故障注入验证诊断算法整车控制器图1-5 全文结构HIL系统生命周期模型与底层功能测试第二章电动汽车形式多种多样,能量源、执行机构、整车控制系统是最为关键的三个部分。整车控制系统通过CAN网络与能量源、执行机构之间通信获取运行信息以及发出扭矩指令等,通过传感器感知驾驶员意图等。CAN(控制器局域网络, Controller Area Network 、ADC(模数转换,Analo

37、g to Digital Converter、I/O(数字输入输出,Input/Output等底层软件对于控制器实现功能至关重要,必须进行全面的功能验证。本章首先简单介绍了整车控制器以及硬件在环系统,提出了硬件在环系统的生命周期模型,规范硬件在环系统的搭建、使用和维护过程。提出了底层接口自动化测试的方法,并给出了利用Python语言实现的过程。2.1电动汽车整车控制器图2-1 为电动汽车的驱动系统结构,包括整车控制器、电机、能量源以及其他的车辆附属设备27。电机控制器负责电机的驱动控制,电池管理系统BMS(Battery Management System负责电池系统的管理28。电池管理系统、

38、电机控制器、整车控制器等通过CAN网络连接。整车控制器BMS电机控制器电机电池组主减速器图2-1 电动汽车驱动系统整车控制器是电动汽车的大脑,主要包括:上电流程管理、断电流程管理、汽车驱动控制、制动能量回馈控制、充电管理等功能9,具体如下:上电流程管理:根据司机的操作,检查DC/DC继电器、低压继电器、高压断路器、预充电继电器等是否存在故障,完成低压附件以及电机上电,保证安全。断电流程管理:司机断掉钥匙开关后,依次给低压附件、电机等部件断电,同时保存故障信息。汽车驱动控制:根据司机的驾驶需求、车辆运行状态、道路及环境状况,经过程序计算,向电机控制器发出指令,满足驾驶工况要求。制动能量回馈控制:

39、根据制动踏板和加速踏板的开度、车辆行驶状态、蓄电池状态,计算制动力矩并发送给电机。故障诊断及保护:连续监控整车电控系统,进行诊断,并及时启动相应的安全保护处理,例如不太严重的故障可以启动“跛行回家”;故障码的存储和回调,通过故障指示灯指示出故障类别和部分故障码。充电管理:监控电池状态,进行充电保护等。整车控制器的使用环境十分恶劣,其是否正常工作直接影响到车辆的安全性,因此整车控制器的硬件设计必须满足高要求、高可靠性,硬件参数如下:工作环境温度:-40100;工作电压范围:DC6VDC36V;提供两路+5V输出(传感器供电;提供制动压力传感器、加速踏板传感器等模拟信号输入;提供模式开关、巡航开关

40、、空档开关、档位开关、刹车开关、空调开关、诊断请求等开关信号输入;检测钥匙信号,进行系统的上电和掉电管理;提供车速传感器脉冲信号接入;所有的传感器都具有故障紧急状态;提供电源反接保护;电源的浪涌,过压保护;ESD保护(防静电;功率器件过压,过流,过温保护;对地,对电源短接和开路保护及诊断;课题组基于德国英飞凌公司XC2000系列高性能MCU(Micro Controller Unit开发出了电动汽车整车控制器硬件,硬件在设计过程中以通用化、模块化为原则,硬件功能如图2-2所示。整车控制器的硬件经检验满足如下行业标准:ISO11452-2辐射抗扰度、GB/T 19951静电放电和QC/T 413

41、-2002汽车电气设备技术标准。图2-2 硬件平台功能框图不同的车型配置的差异导致整车控制器功能需求会有所不同,此外配置参数也不尽相同,这无疑增加了软件开发的难度。软件开发过中采用了分层分模块设计,如图2-3所示。同时采用数据词典、模块词典的来规划每一个构件,方便了开发与维护。件构架各层之间和模块之间的接口变量的定义采用标准的变量规则定义,相互之间的变量交互机制采用消息体方案。XC 2000 MCUCAN CAN ADAD DI DI DODO 底层软件上电上电车辆驱动车辆驱动断电断电跛行跛行应用层软件图2-3 软件模块结构示意图通 信 接 口电源模块 微 控制器模拟量开关量加速踏板传感器 制

42、动踏板 电流传感器 制动踏板传感器 蓄电池电压 充电开关 启动钥匙 空调开关 模式开关 制动踏板开关 档位开关(3个 车速传感器诊断接口功 率 驱 动主继电器 空调继电器 DC 继电器 真空泵继电器 电源管理继电器高速CAN 总线低速CAN 总线低速CAN 总线接口高速CAN 总线接口 蓄电池 钥匙开关蜂鸣器 故障灯软件开发采用ASCET工具,基于模块的软件开发,方便协作开发;自动生成代码,节省了软件转换时间;图形化的编程方式对开发人员软件知识要求更低,方便不同开发人员与客户沟通。课题组开发的整车控制器实物如图2-4所示,硬件具有丰富的接口,软件采用分层模块化的思想,能够兼容多个平台,可靠性也

43、有很大提高。 图2-4 整车控制器实物图2.2HIL系统生命周期模型硬件在环仿真也被称作半实物仿真:实物是待测控制器,虚拟部分是搭建的被控对象模型。模型经过编译以后需要高性能处理器实时计算,模型与控制器之间的信号交互通过I/O 信号调理板卡,实验管理软件安装在上位机上并与处理器板卡通信进行测量、修改参数、记录数据等。处理器板卡、I/O 板卡和试验管理软件构成了硬件在环系统的核心。dSPACE 硬件在环仿真器在全球范围内广泛使用,能够快速、自动和高效测试ECU,是目前为数不多的比较成熟的工具之一。如图2-5所示为课题组购买的Small-size dSPACE Simulator 实物,主要由两块

44、板卡构成:DS1006实时处理器板卡和DS2211 I/O板卡。DS1006采用AMD 公司高性能处理器并通过PHS 总线与DS2211板卡通信。DS2211板卡拥有模拟信号输入/输出、数字信号/输出、电阻信号、PWM 波输出、CAN 通信、串口通信等能力。实验管理软件Controldesk 在上位机上运行,能够监控变量、修改参数、记录数据、绘图显示等,上位机通过ISA总线与DS1006通信。此外dSPACE 在simulink 中还嵌入RTI(Real-Time Interface库,RTI 模块和对象模型经过编译下载后方便实现硬件功能设定。除了上述的DS1006和DS2211板卡,还可以选

45、配故障注入(Fault Injection Unit,FIU板卡、模拟负载板卡等29。 图2-5 dSPACE Simulator实物基于dSPACE 的电动汽车整车控制器硬件在环系统如图2-6所示,各个部分详细介绍如下:下载到实时处理器中的模型可分为两个部分:1电动汽车整车模型,包括BMS、电机控制器等,可以采用诸如Matlab/simulink 等软件搭建;2利用RTI 模块搭建的接口模型,控制各个硬件模块通道的功能。模型编译后生成的x86文件和sdf(system description file均可在Controldesk 界面下方便地下载实时处理中。整车模型实时运算输出电机转速、车速

46、等信号,然后通过硬件I/O 板卡调理后发出,同样,整车控制器则发出电机扭矩指令等信号也是通过I/O板卡采集调理后再用于整车模型用于计算。 图2-6 整车控制器HIL原理上位机软件Controldesk 与实时处理器通信,通过sdf文件获取模型中变量、参数的地址信息,监视实时处理器中模型变量值,另一方面也可以改变模型中参数的值的大小以及记录测试过程中的数据,方便测试完成后的分析。I/O 板卡通过排线连接到外部接线板,同时控制器也连接到接线板,从而实现两者电气连接。此外,继电器也可以连接到接线板,通过DS2211的数字输入可以采集到继电器的开关状态。产品生命周期模型最初是由美国经济学家雷蒙德

47、83;弗农于1966年在产品生命周期中的国际投资与国际贸易一书中提出的30,他将产品从定义到报废的整个流程对应到人的生命过程,即形成、成长、成熟、衰退这样的周期。这一概念由于对产品的研发资源分配、投产运行,售后维护等环节具有积极的指导作用,所以被广泛地引入到了各个领域中。IEC 61508也引入相关概念,定义了电子电器系统的生命周期模型,包括功能定义、设计开发、生产、运行、维护以及报废等阶段31。HIL系统作为汽车电子控制器产品设计开发中重要一环,其本身的需求分析、系统构建、确认测试、功能匹配、维护这个过程也可以采用寿命周期模型的方法进行开发。上一小节以dSPACE作为样例,介绍了硬件在环系统

48、的硬件实现环境,这是HIL系统整个生命周期各个阶段的依托。除此之外HIL测试系统的生命周期还需要结合被测对象,即电动汽车整车控制器自身的特点进行,以保证HIL测试系统在硬件实现环境的功能范围内,对电动汽车整车控制器进行全面、细致、高效的测试。如图2-7所示,HIL系统的生命周期模型可以分为5个之阶段,包括需求分析、系统构建、确认测试、功能剪裁,使用维护,这些阶段也可分为两个大类:开发和运行维护两个阶段。各个阶段的具体实现的工作包括:1需求分析阶段。此阶段主要是针对电动汽车主控制器的功能定义,来分析HIL测试系统需要提供的测试功能。如电动汽车主控制器的控制车型、动力系统构成等。同时还需要明确控制

49、器的输入输出、接口的电气特性等。结合这些功能定义与HIL的硬件实现环境的功能范围,给出HIL测试系统的需求分析和功能定义,此阶段为生命周期的孕育阶段。2系统构建阶段。这一阶段主要根据上一阶段的需求与功能定义,搭建HIL的软件硬件测试环境。具体来说,需要根据主控制器的控制车辆的车辆特征和车辆动力学搭建整车模型;根据车辆的动力系统特征搭建电池模型、电机模型。根据主控制器的输入输出的电气特性,配置dSPACE与BreakBox,使其满足电动汽车的输入输出需求。3确认测试阶段。此阶段主要是为了测试、确认HIL系统自身的可靠性。包括结合实际对象的特性数据对整车模型、电池模型电机模型的进行测试与校准。对输

50、入输出通道,通过外接模拟负载的方法测试输入输出的配置正确性。4功能裁剪阶段。电动汽车主控制器研发的V模式的各个环节需要测试的内容是不一样的。功能剪裁阶段就是为了将HIL测试系统的软硬件环境针对V模式的各个阶段进行裁剪,形成不同阶段的测试配置环境,以满足各个阶段的测试需求。5使用维护阶段。此阶段基于已经构建的HIL系统的软硬件测试环境,根据设计好的测试用例和测试流程对整车主控制器进行测试。同时需要严格按照HIL测试的测试流程规范、测试操作规范进行测试,保证HIL测试系统不被损坏。 图2-7 HIL系统生命周期模型1. 需求分析。需求分析指的是在建立一个新的HIL系统或者修改现有HIL 系统时,定

51、义新系统的目的、范围和功能。需求分析是一个关键过程,在这个过程中首先确定项目的需求,只有在确定了需求后才能够进行后续的搭建或者修改裁剪工作。需求分析主要考虑如下五个方面:HIL系统需要输出的信号、采集的信号以及信号的精度要求;HIL系统的实时性,处理器主频太低或者模型太过复杂将会影响实时性;HIL系统硬件的可靠性与安全保护;对象模型的详细程度,详细程度直接关系工作量的大小与验证的范围;试验管理软件的功能与设计,实验数据的存储管理。2. HIL系统构建。HIL系统构建包括四个方面:硬件系统;软件接口;实验软件;对象模型。HIL系统的硬件系统、软件接口以及实验软件都有成熟的商业化产品,当然也可以自

52、己搭建。采用商业化的工具,供应商需要提供证明,其硬件设备和软件系统的开发生产过程都应十分严格,具有高质量与可靠性。同时,硬件系统和软件工具都需要确认测试再进行验收。如果自己开发硬件系统、软件接口以及实验软件,可以参考dSPACE等成熟商业化工具的性能。同时,软硬件各个模块的功能以及各个模块之间的接口都需要经过测试确认。对象模型可以采用商业化仿真工具搭建。工具的选择需要:确认仿真软件版本与实时处理器硬件兼容;搭建模型的效率。模型本身需要考虑模块化、可配置等特性,方便修改裁剪。3. 确认测试。开发阶段的验证主要目的是验证一个全新搭建的HIL系统在投入使用之前是否已经满足需求。为了验证HIL系统是否

53、满足需求,需要采取合适的方法和流程进行测试,证明HIL系统的功能正常并满足需求。进行HIL 系统的验证需要测试人员安装、使用维护HIL系统的大量经验,以及对HIL系统的深入细致了解。测试验证的过程需要文档记录,HIL系统一旦经过验证,就可以发布用于项目的测试。测试验证要求电子部件包括处理器板卡、I/O板卡、信号调理单元等经过测试在要求的工作范围内没有任何错误。经过修改后的HIL系统的测试验证也可以采用开发阶段的验证方法。HIL系统的验证流程可以分为五个连续的步骤,通过这五个步骤各个模块的功能与相互之间的影响均会被测试到:(1连接测试:连接测试是为了保证内部电气连接没有错误,即I/O板卡、FIU

54、(故障注入单元,Fault Injection Unit、负载及ECU之间的连线。(2电气安全测试:HIL系统可能包含一些大电流的负载,HIL设备也是连接220V的市电,所以需要高压隔离,漏电流保护,地线导电等测试。(3激励测试:各个I/O通道的功能是否正常可以通过激励测试证明,同时FIU通道也可以通过激励测试证明功能正常。(4开环测试:开环测试包含ECU和I/O模型,该阶段HIL系统虽然没有对象模型,但是通过I/O模型输出ECU工作需要的信号,检测ECU与HIL系统之间的信号交互。(5闭环测试:闭环测试包含ECU、I/O模型和对象模型,该阶段的测试一方面是为了保证加入对象模型HIL系统的实时

55、性,另一方面对象模型和接口模型之间的接口没有错误32。前三个步骤的测试主要关注HIL系统是否正常(处理器板卡,I/O板卡,信号调理单元,负载(真实或者模拟,FIU,接线,I/O软件和实验/操作软件,后面两个步骤则主要关注HIL系统与ECU之间的连接以及加入对象模型后HIL 系统的性能。4. 实际使用过程中可能会出现操作软件升级,I/O软件升级,或者根据新的需求修改对象模型等情况,甚至更换如更换I/O板卡等。此外,同一个HIL系统往往不只是用于某一个项目的开发,也可能用于多个项目的开发,不同的项目对于HIL系统的要求不尽一致,所以需要修改。HIL系统经过修改之后,投入使用之前一定要进行验证,同样

56、验证的依据是需求说明。这个阶段并非整个HIL系统都需要验证,只需验证修改的模块,但是一般情况下修改的部分可能会与其他模块之间有关联,所以与之相关的模块或者变化模块的接口也需要测试。此外,为了测试的需要可能会引入第三方工具,这种情况下,第三方工具和HIL系统软件的接口必须要经过测试。5. HIL系统使用过程中需要专业的人员操作,避免非专业人员误操作损坏设备,每次使用之前一定要检查电气线路,保证安全。HIL系统的硬件也是基本电子元器件搭建而成,随着使用年限的增加可能会出现一定程度的老化现象,老化可能的后果比如模拟量输出的系数变化从而导致输出电压的偏差,所以使用过程中需要维护,维护的周期依赖于用户的

57、需求。维护的方法主要是检查模拟量和数字输入输出等通道的偏差,如果偏差处于不可接受的范围,可以放弃使用该通道,或者在对象模型或者接口模型中加入修正系数。2.3底层软件功能自动化测试底层软件和硬件构成基础平台,为应用层软件提供了所需的接口,这些接口一方面为应用层程序提供运行所需的信息如传感器采样值,另一方面实现了对各硬件模块基本功能的驱动如继电器驱动。根据整车控制器的开发流程,开发人员或者测试人员会对开发的底层模块在评估板上进行测试,然后再开始底层程序的集成。底层程序集成完成后,需要在HIL环境下验证底层软件功能。此外,底层软件每次更新后,需要对其进行回归测试。对于电动汽车整车控制器而言,底层软件提供的接口包括AD、I/O、CAN。整车控制器通过加速踏板传感器采集加速踏板行程,制动踏板传感器采集制动踏板行程;通过数字输入采集钥匙信号、空调开关等信号;通过CAN网络与电机