目前，能源危機、環(huán)境污染問題迫在眉睫。純電動汽車具有無污染、零排放兩大優(yōu)點，因此，研發(fā)和推廣純電動汽車技術(shù)是有效緩解能源危機和解決環(huán)境問題重要途徑。而對于動力總成簡單的純電動汽車來說，整車控制器(VCU)的研發(fā)十分關(guān)鍵，直接影響車輛的動力性、經(jīng)濟性和安全性。目前，企業(yè)對電控系統(tǒng)的開發(fā)效率提出更高要求，傳統(tǒng)的手寫代碼開發(fā)方式， 由于開發(fā)周期較長、調(diào)試難度較大，逐漸不適用于現(xiàn)代電控系統(tǒng)的開發(fā)。因此，為了開發(fā)高性能和高效率的整車控制器，本文根據(jù)某純電動汽車的開發(fā)需求，基于“V”模式開發(fā)流程，以 Matlab/Simulink 作為開發(fā)平臺，進行整車控制器軟件開發(fā)，并進行 HIL 測試和實車驗證。
01、整車控制器軟件開發(fā)
1.1 架構(gòu)
以某純電動汽車為研究平臺，基于 32 位微處理器 SPC5634 整車控制器（圖 1），根據(jù)相關(guān)通信需求和控制需求，進行控制器軟件開發(fā)。圖 2為整車控制器架構(gòu)圖，主要由輸入輸出模塊、電源電路以及 CAN 通訊模塊組成。電源主要是由24V 車載蓄電池提供；輸入模塊包括檔位信號、制動信號、充電信號、加速踏板開度、制動踏板開度，以及電池電壓信號等；輸出模塊是控制繼電器，一般由 DCDC、 PTC、 PDU 及水泵繼電器等組成；CAN 通訊模塊主要作用是根據(jù)控制需求，提供整車控制器與電機控制器(MCU)、電池管理系統(tǒng)(BMS)、變速箱控制器(TCU)及三合一控制器(EHBS、DCDC、 EHDS)等進行信息通訊，如圖 3 所示為整車網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。
圖1 控制器硬件
圖2 整車控制器架構(gòu)圖
圖3 整車網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖
1.2 軟件開發(fā)
根據(jù)整車工況和動力總成狀態(tài)的不同，將整車控制模式細(xì)劃分為自檢模式、啟動模式、起步模式、行駛模式、制動模式、再生模式、停車模式、故障模式、充電模式和下電模式。并且根據(jù)各種模式的切換主要如下圖 4 所示。
圖4 各種模式的切換
1）自檢模式
鑰匙信號置 ON 擋，整車處于上電準(zhǔn)備階段，VCU 主接觸器閉合，進行自檢。自檢失敗則進入故障模式，反之，進入上電準(zhǔn)備。
2）啟動模式
鑰匙信號從 OFF 擋置于 START 擋之前，確保擋位在P擋，否則無法實現(xiàn)正常上電。鑰匙信號置 START 擋，進行自檢模式，在沒有故障報警的情況下準(zhǔn)備上高壓。VCU發(fā)送使能信號，CAN 總線通訊被喚醒，同時VCU將給MCS、TCU、空調(diào)控制系統(tǒng)等設(shè)備發(fā)送高壓上電請求，在保證無故障的條件下，將允許上高壓信號反饋給VCU主接觸器閉合，完成高壓上電，儀表將有Ready信號顯示，完成汽車啟動。
3）起步模式
車輛在無加速度下進行起步，給定一個期望電機轉(zhuǎn)矩 Start-T 作為可標(biāo)定目標(biāo)值，如圖 5 所示。當(dāng)車速 V＜V1，為克服靜止摩擦阻力，線性增加到目標(biāo)轉(zhuǎn)矩；當(dāng)車速 V1＞V2，控制電機功率，將車速控制在合理范圍，輸出電機扭矩時進行濾波處理，實現(xiàn)汽車平穩(wěn)起步。
4）行駛模式
滿足駕駛需求和車輛正常運行，采集加速踏板開度和整車運行狀態(tài)發(fā)送給電機控制器，進行扭矩輸出控制，包括恒扭矩和恒功率兩種方式。
5）制動模式
制動時， VCU 采集制動踏板開度信號，計算提供相應(yīng)的制動扭矩，并通過 CAN 總線與電機進行通信。如圖 5 所示，根據(jù)制動踏板的狀態(tài)分為滑行再生和制動再生發(fā)電兩種情況，再生模式主要是控制電機給電池進行充電。
停車模式、故障模式、充電模式及下電模式在此不一一贅述，詳細(xì)信息請參見資料來源[1]。
圖5 起步模式、再生制動
02、模型搭建及測試
VCU 可以采集 CAN 總線上的電池信息、變速箱狀態(tài)、電機狀態(tài)以及相應(yīng)的駕駛員駕駛需求，設(shè)計出符合需求的控制策略，并利用 CAN 網(wǎng)絡(luò)對總線信息進行管理，滿足汽車的正常運行、停止、降功率、制動回饋控制功能的需求和故障檢測功能的實現(xiàn)，滿足動力性和舒適性的需求，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖主要如圖 6 所示。
圖6 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖
控制策略主要包含以下模塊：輸入輸出接口模塊及控制模塊，其中控制模塊包含故障處理模塊，上下電模塊，驅(qū)動電機模塊，輔件控制模塊及限速控制模塊，如 7 所示。
圖7 整車控制策略
在 Matlab/Simulink 環(huán)境下，建立整車控制策略模型，包括輸入輸出、控制算法、CAN 通訊以及基于ccp協(xié)議底層驅(qū)動模塊。并利用 Matlab/Simulink 自帶RTW工具將整車控制策略模型自動生成C代碼，嵌入相關(guān)代碼集成文件，后將生成的程序下載到整車控制器硬件系統(tǒng)中。并完成模型、軟件/處理器、硬件在環(huán)測試。
03、實車測試
通過程序刷寫軟件 INCA 和 value CAN，將生成的 VCU應(yīng)用程序和底層應(yīng)用程序加載到控制器，標(biāo)定相應(yīng)的加速踏板、制動踏板開度，電機實際轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩與目標(biāo)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，控制模式等信號，如圖8所示。
圖8 實車測試圖
實車運行時，采用 PCAN 軟件錄取整車報文并分析是否正常運行以及是否存在故障碼。關(guān)于限速功能的實車測試，通過限制電機轉(zhuǎn)速達到限速功能，當(dāng)油門踏板開度保持在 100%時，電機轉(zhuǎn)速被控制低于 3500r/min，說明限速功能發(fā)揮作用。對于駐坡功能而言，加速踏板開度為 0 時，且車輛行駛在一定坡度上，電機輸出小扭矩，確保車輛不會后溜，如圖9和10所示。
圖9 限速功能測試圖
圖10 駐坡功能測試圖
資料來源及推薦閱讀
[1]鄧濤,鄧彪,宋剛.基于SPC5634的純電動汽車整車控制器軟件開發(fā)與實驗[J/OL].重慶理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)):1-7[2019-05-06].
[2] 陳春明, 夏超英. 基于 XC2268N 的純電動汽車整車控制器設(shè)計[J]. 電源學(xué)報, 2017, 15(2): 101-108.
