多能源动力总成半实物仿真试验系统研究

1、2004年(第26卷)第5期汽 车 工 程AutomotiveEngineering2004(Vol.26)No.52004125多能源动力总成半实物仿真试验系统研究*苏楚奇 过学迅 阮 杰 杜传进 陈 军(武汉理工大学汽车工程学院,武汉 430070)摘要 采用软件工程方法,在MATLAB/Simulink建立汽车各总成模型的基础上,辅以I/O、A/D、D/A、USB和CAN接口板,集成为混合动力轿车动力总成控制器仿真试验测试平台。该试验系统能对不同控制策略和硬件结构组成的实际动力总成电控系统,进行实时仿真、测试和评价。叙词:多能源动力总成,半实物仿真,试验系统ATestingSystemo

2、fHardware in the LoopSimulationforHEVPowertrainSuChuqi,GuoXuexun,RuanJie,DuChuanjin&ChenJunCollegeofAutomobileEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070Abstract CombinedwithI/O、A/D、D/A、USBandCANinterfaceboards,themodelsofvariousauto motivecomponentssetupwithMATLAB/Simulinkareintegratedintoa

3、testsystemofhardware in the loopsimulationforelectriccontrolunitofHEVpowertrain Thereal timesimulation,testingandevaluationcanbeperformedforelectriccontrolunitofHEVpowertrainwithdifferentcontrolstrategiesandhardwarestructuresKeywords:HEVpowertrain,Hardware in the loopsimulation,Testingsystem控制器的软硬件是

4、否工作正常是不够的,因为这无1 前言多能源动力总成是指具有两种以上能量转换装置形成的动力源,主要用于混合动力电动汽车。由于涉及到两个动力装置的工作,必须有多能源动力总成控制器来进行协调控制。电动汽车多能源动力总成控制器除具有复杂的硬件电路外,还有复杂的接口电路,如模拟/数字(A/D)转换,数字/模拟(D/A)转换,开关量输入输出(I/O)、串口通信(SCI)、控制局域网(CAN)数据传输等,此外,控制芯片中的软件即能量管理的控制策略也很复杂。由于电动汽车的开发是一个并行工程,各总成部件的研发是同步进行的,当多能源动力总成控制器实物被研制出来时,许多总成部件往往还没有制作完成,因而给软硬件的调试

5、带来相当大的难度。如按传统的方法,仅根据简单的调试程序观察A/D、D/A、I/O、SCI和CAN接口有无信号来判断*国家科委 十五 863专项资助项目(2001AA501213)。法考核控制硬件是否工作协调,也无法检验控制软件是否工作合理,从而将会加大在实验台架上或整车上与各总成联调时的工作量。目前的通用做法是采用实时数字模型来模拟控制器的外环境,进行整个系统的测试,即半实物仿真。然而,这样的仿真平台基本上被国外所垄断。因此,在电动汽车的开发过程中,尝试根据整车各总成的工作特性,采用软件工程方法建立模型,结合硬件接口组成集成化的半实物仿真试验系统,以对所构造的不同控制策略和结构组成的多能源动力

6、总成电控系统进行实时仿真、测试和评价。这样,就可以将错误及不当之处消除在设计初期,使上车调试时间缩短、设计修改费用降低。2 仿真测试平台的组成2 1 软件平台2004年(第26卷)第5期 汽 车 工 程#517#采用MATLAB/Simulink对车辆仿真的各个部件进行建模。但硬件在环仿真不能直接使用这些计算仿真的模型。为了测试控制器对车辆各部件工作的控制情况,必须对这些部件模型进行改造,使其能通过A/D、D/A或接口卡与控制ECU交换控制信号及部件工作状态信息。由于MATLAB对硬件的控制能力极为有限,且在多能源控制系统开发中存在许多全新的协议,直接使用MATLAB进行硬件的开发管理以及通信

7、协议的编写几乎不太可能。在测试系统中,对硬件的开发管理以及通信协议采用VC编写,并使用S函数来扩展Simulink的功能。2 2 硬件平台半实物仿真试验系统以一台P!800台式计算机作为硬件平台,IPC54428路A/D采集卡、IPC54458路D/A转换卡、IPC531132路I/O卡作为硬件支持,以及自制的CAN接口转换板。此外还有与USB口连接的数字式信号发生器,用于产生模拟输出转速的脉冲信号。半实物仿真试验测试系统实际上是根据汽车的动力学行驶方程,用MATLAB/Simulink建立各总成的能量平衡方程式,各总成模型按自身的特性工作。系统以起动机、内燃发动机、离合器、耦合器、变速器、电

8、池、电动机/发电机、车轮、车身、低压配电系统10个动态计算模型的运行来代替实际车辆的运行,再用A/D、D/A、I/O、CAN等板卡、SCI通信建立多能源总成控制器与模型计算机的联系,即控制器通过这些板卡通信所传递的电量对模型进行参数控制和逻辑控制,模型的输出参量也经过板卡通信的方式传给多能源总成控制器。以这种方法对多能源控制器的控制信号及控制策略进行测试。在实际使用中,可根据具体的多能源动力汽车的布置方案对模型的连接方式进行调整。多能源动力总成控制器对仿真试验测试系统各模型的控制方式如下:发动机节气门开度、电机油门开度(或发电机发电电流)、电池电压、电流、SOC值、制动力等以模拟量传输。工况控

9、制、工作状态、启动开关等信号以开关量传送。发动机和电机转速以脉冲信号传输。发动机的工作点由转速和节气门开度确定,电机的工作点由转速和电机油门开度确定。电池模型由试验所得的充放电特性曲线组成,通过查表和曲线拟合的方式求其工作点。离合器模型考虑结合、分离、打滑3种工况。耦合器模型用于发动机与电机的动力混合方式。变速器模型主要考虑换挡点,有按车速换挡和按发动机负荷率换挡2种工作模式。车轮模型用于施加制动力和滑移。车身模型用来施加迎风阻力。低压配电系统模型用做点火顺序和自检开关。各模型以驱动力-行驶阻力平衡来建立方程。图1为混合动力电动汽车布置简图。方程为2u2rCDAMe=+igi0 T2igi0

10、TIwIfigi0Idigi0(+)dtigi0 rigi0 TrrT式中Me为发动机输出转矩,m为汽车总质量,g为重力加速度,f为滚动阻力系数,i为道路坡度,r为轮胎滚动半径,ig为变速器传动比,i0为主减速器传动比, T为传动系机械效率,CD空阻系数,A为迎风面积, 为空气密度,u为车速,Iw为车轮惯量,If为发动机转动惯量,Id为电机转动惯量。起动机发动机离合器变速器驱动轮蓄电池电动机图1 混合动力电动汽车布置简图4 仿真试验系统构建混合动力电动汽车半实物仿真试验测试系统由仿真模型系统与多能源动力总成控制器实物连接而成,框图如图2。图中连接各模型的粗实线为能量流,即转速、转矩或电压、电流

11、表示的功率;细双点划线为计算反馈量;连接各模型与多能源动力总成控制器(EUC)的长细实线为开关量信号;细虚线为模拟量信号;单点划线为脉冲信号。各模型向外延伸的短细实线为与操作界面连接的信号,由模型向外的是给界面显示的信号,如发动机转速、电池电量(SOC值)等;指向模型的是可以通过界面加给模型的控制信号,例如故障设置,换挡方式等。仿真试验测试系统有如下功能:3 数学模型发动机模型、电机模型由试验所得的转矩-转速,#518#汽 车 工 程 2004年(第26卷)第5期图2 仿真模型系统与控制器实物连接的框图数。如故障模式设置、挡位控制设置、点火开关设置。(2)仿真试验测试系统具有行驶状态显示界面。

12、如发动机转速(ne)、电机转速(nd)、电池电量参数(SOC)、变速器当前挡位。此外,还有可实时显示虚拟汽车行驶时的时间-车速曲线,还能同时显示工况法所要求的标准试验曲线。(3)模型的建立以耦合器为中心,各模型的转矩、转速全部向耦合器输入和输出端转换。耦合器输入端:发动机正转矩Me 电动机正转矩Md 发电机负转矩-Md耦合器输出端:输出转矩Mtq纯发动机工作状态Mtq=Me发动机+电动机工作状态Mtq=Me+Md纯电动机工作状态Mtq=Md发电机工作状态Mtq=Me-Md再生制动工作状态Mtq=-Md故,耦合器转矩平衡方程为CDA u2rMtq=+igi0 2igi0 TTIwIfigi0Id

13、igi0(+dtigi0 Trigi0 Tr+r)将汽车的具体参数代入上述平衡方程中,用Simulink编写相应的流程图。对于所选的混合动力机电耦合方案,流程图如图3所示。图3 仿真模型系统的Matlab/Simulink流程图(4)控制参数的表示工作状态信号为数字量,输入信号有:起动机启动,发动机供油开关开启/关闭,电机的工况控制,离合器结合/分离,分别用D1D5来表示。工作状态输出信号有:起动机正常/故障,电池正常/故障,电机允许运转/不允许运转,变速器正常2004年(第26卷)第5期 汽 车 工 程#519#/故障、有/无换挡请求分别用D6D10来表示。模拟输入信号量有:发动机节气门开度

14、,电机需求转矩比例/发电电流,制动踏板行程分别用05V的模拟量A/D1A/D3表示。模拟输出信号量有:发动机转速,电机转速以0/5V的脉冲量P1、P2表示。电池电流、电压、SOC值,整车车速,分别用05V的模拟量D/A1D/A4表示。将输入、输出控制信号用逻辑符号和连线引至相应模型的Simulink模块上。界面上的显示和控制信号也用逻辑符号和连线引至相应模型的Simulink模块上。确反应。因此在测试系统中设置了相应的故障模式,如在软件模块中设置一些软开关(软故障),同时在通信信号接口板上设置一些用开关模拟的通信故障(硬故障),以便检查控制器的相关反应。5 2 测试过程5 2 1 发动机工作起

15、动机启动,当A/D10时,发动机运转,进入高怠速,由转速ne和节气门开度A/D1查发动机Map图,确定工作点,得转矩Me。同时向接口板和界面输出转速信号P1。向离合器输出能量流数据:转速ne,转矩Me。5 2 2 离合器工作nL1=n3,nL1为离合器主动部分转速,nL2为离合器从动部分转速。在离合器结合和分离过程中,nL1-nL20。根据离合器结合与分离的动态模型,对发动机加载或减载,离合器向发动机反馈转速信号n%,由n%和节气门开度A/D1重查发动机Map图,确定新工作点,得Me。5 2 3 电机和电池工作在电机模型中,电机有3种工作模式:电动机、发电机和空转。由2个数字量控制信号决定。在

16、电动机工作状态,电机转速nd=耦合器转速no,耦合器转速由车速确定。故此,可由电机转矩需求百分数和电机转速nd查Map图,确定电机工作点,得Md。同时向接口板和界面输出转速信号;向耦合器输出能量流数据:nd,Md。耦合器输出转矩Mo=Me+Md;向电池传送能量流数据:需要的功率和参考电流值。电池模型由电池的充放电特性构成,电机工作时,通过电机要求的功率和电池本身的充放电特性确定工作点,向电机传送可提供的电流值和电压值。向接口板输出电流、电压、SOC值信号。在发电机工作状态,nd=no。由发电电流和转速nd查发电机Map图,确定工作点,得Md。向接口板和界面输出转速信号;向耦合器输出能量数据:n

17、d,Md,耦合器输出转矩为Mo=Me-Md;电池按充电特性充电。再生制动发电工作状态,nd=no。按发电工作状态处理。5 2 4 变速器工作在模型中有2种控制策略,一种是根据速度换挡,控制策略比较简单,主要运用以前的实验数据,5 仿真测试运行5 1 仿真中主要参数及信号接口板的设定5 1 1 工作模式的选择测试系统可采用两种工作方式:中断方式和查询方式。中断工作方式可对外部指令作出即时反应,速度快,但监测的部件具有唯一性。查询工作方式速度相对较慢,测试系统中的车辆各部件依次接收控制系统发出的指令,并作出相应反应,再发回信号给控制系统,从而保证实时观察工作过程中车辆各部件工作状况,检查控制命令是

18、否有误。系统除制动等极少数模型外,均采用查询工作方式。5 1 2 仿真步长的选择为了真实反映控制系统的工作情况,在进行半实物仿真时常采用定步长,这就存在仿真步长选择的问题。当步长过小时,会出现部件仿真计算完成时的时间远远大于实际时间,达不到实时仿真的目的,而且此时计算量过大,使测试系统不能有效地配合控制器进行工作。而仿真步长过大,则不能反映车辆各个部件瞬时工作状况,也不能测试控制器的反应速度。测试系统步长选择为0 1s。5 1 3 时序问题MATLAB/Simulink在进行仿真时,总是根据系统模型进行仿真优化,所以系统仿真的起始点与希望的起始点不同,如:发动机可能没有启动就将离合器结合,造成

19、发动机无法启动,使整个仿真系统不能正常工作。因此在仿真系统的软件设计中加入了一些延时模块,确保系统按要求的时序工作。5 1 4 故障的设置由于多能源控制器不但要控制系统各个部件的,#520#汽 车 工 程 2004年(第26卷)第5期负荷换挡。可通过一个变量来决定用哪种控制策略。5 3 仿真试验过程如图2,将设计制作好的EW7200HEV混合动力轿车的多能源控制器接入试验仿真系统中,并按选定的ECE工况进行仿真测试,在仿真测试过程中检查出以下主要问题。(1)车辆无法起动,经观察发动机曲线及离合器接合状况,发现车辆起步过程中主控ECU所给发动机油门开度太小,发动输出转矩低于车辆起步时所需的转矩。

20、因此通过调整发动机起动时的油门开度大小来解决这个问题。(2)换挡过程中,发动机出现了飞车现象。主要原因为换挡时,由于离合器脱开,发动机的负载突然减小,而此时油门开度不变,造成发动机飞车现象。为解决这个问题,采取了在脱开离合器时,将发动机的油门开度适当减小,经反复调试,将发动机的油门开度变化的大小和速度调整到了合适的数值。(3)切换工作模式时,出现发动机熄火现象。由于混合动力车辆存在几种工作模式,在电机由电动模式切换到发电模式时,发动机出现了熄火,其主要原因经分析是模式切换时,载荷突然加到发动机上,而主控ECU没有指令发动机做出响应,从而造成熄火。因此,在模式变换过程中设置一过渡过程,通过调整过

21、渡过程中加载的大小、时间及发动机油门开度的大小较好地解决了该问题。在测试过程中还出现了很多类似的问题,利用(上接第515页)参考文献1 清水浩.电气自动车 !(第2版).日刊工业新闻社,19982 清水浩.高性能电气自动车#一,日刊工业新闻社,19993 日本庆应大学清水浩研究室(KAZ电动汽车,20014 美国通用汽车公司():Autonomy技术资料,2001仿真测试系统,对多能源控制器ECU板的电路及控制逻辑进行修改,使该控制器在上车前将许多潜在的问题及时解决,最终该控制器在实车台架测试时取得了较好的结果,节省了大量台架调试时间。6 结论以一台高性能台式计算机作为硬件平台,用MATLAB/Simulink建立起动机、内燃发动机、离合器、耦合器、变速器、电池、电动机/发电机、