基于dSPACE硬件在环仿真的纯电动汽车整车控制器开发

工业自DOI103969JISSN10099492201208001基于DSPACE硬件在环仿真的纯电动汽车整车控制器开发金小飞，赵韩，李杨合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥230009摘要整车控制技术是电动汽车的核心技术之一，也是我国在新能源汽车领域自主研发能力的体现。基于FREESCALE公司双核处理器9S12XET256开发R一款通用型纯电动汽车整车控制器。设计时考虑硬件的通用性，使之适用于多种纯电动汽车的整车控制，并以某企业研发的纯电池动力轿车为控制对象，在基于DSPACE的硬件在环仿真系统上进行了一系列仿真试验。试验结果显示VCU能够准确地控制整车实现多种L丁作模式下的运行工作状态，初步实现了设计目标。关键词DSPACE；硬件在环仿真；纯电动汽车；整车控制器；9S12XET256中图分类号U4823文献标识码A文章编号100994922012080001一O60引言在当前全球汽车工业面临金融危机和能源环境问题等巨大挑战的情况下，发展电动汽车，实现汽车能源动力系统的电气化，推动传统汽车产业的战略转型，在国际上已经形成了广泛共识。世界各大汽车生产商投入巨资研发新能源汽车核心部件。无论是欧系的奔驰、大众，亦或是日系的丰田、日产，均已成功研发出了性能卓越的纯电动汽车。我国也将“纯电动汽车关键技术攻关及核心零部件产业化开发”作为“十二五”及国家“863”项目的重要内容。作为整车控制系统的核心控制部件，整车控制器通过向各分布式控制器发送需求指令以实现整车控制的功能，各分布式控制器向整车控制网络做出回馈。高效性能、低廉成本及高可靠性是控制器硬件设计需要考虑的几个重要指标134J。目前我国电动汽车整车控制器还无法全面满足电动汽车的行驶要求，主要表现在未解决完整的功能需求及控制策略；未建立良好的软硬件平台等。本课题期望基于车辆行驶性、安全性、舒适性、等多种性能的考虑，评审并制订VCU的控制策略，将VCU各控制单元进行模块化设计，结合硬件在环仿真实验，满足电动汽车基本性能指标。本文仅以某公司新上市某款纯电动轿车作为研究对象对VCU的通用型设计和开发展开研究。1纯电动汽车控制系统分析图1为该电动轿车的动力系统部分，动力来源为两轮毂驱动电机。VCU控制电机控制器及超级电容控制器以实现车辆各种工作模式。VCU是电动汽车的核心控制单元，它采集加国家“863”节能与新能源汽车重大资助项目编号2008AA11A139收稿日期20120222E一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一自动化机械连接叵圈触LI车载充电器L厂圆一1整乍各部分联系示意罔速踏板、制动踏板及其他部件信号并做出相应判断后，控制下层的各部件和控制器的动作，驱动汽车正常行驶I。作为整车的指挥管理中心，VCU对汽车的正常行驶、制动能量回收、网络管理、故障诊断与处理、车辆的状态与监视等功能起着关键的作用。2整车控制器设计21整车控制器硬件设计211硬件基本技术要求1VCU能够采集数字和模拟信号，能够对输入信号作出正确处理，并输出相应控制信号。2易渊试、叮扩展，具有可重复擦写的存储器，便于存储系统参数。3电压T作范同宽12V36V，温度工作范闱确定为汽车级一40125C；要求VCU能适应车辆运行中遇到的诸如震动、噪音、潮湿、冲击等。4具有良好的电磁兼容性，满足国家对相关行业电气设备的电磁兼容标准。在本文研究的混合动力汽车中，其电机控制器和电机均会产生强烈的电磁干扰，所以VCU要有较强的电磁抗干扰能力。212整车控制器元件选型为实现可靠性要求，元件选用汽车级产品。1微控制器选用按照所处理信号数量及存储要求，微控制器选用FREESCALE公司的汽车级ECU芯片9S12XET256MAA。2外嗣芯片选用多采川一L业级一4085模数转换片选用AD5623，实时时钟芯片选用DS1390，逻辑门芯片选择NXP公司的产品，隔离电路根据信号传输速度和种类旧分别选用_普通光耦、高速光耦和线性光耦，运放采用MAXIM汽车级产品，DCDC采用JKINGSUN宽电压输入产品。3分立器件选用传输信号，十J司定电阻选用KOA的RA73H2A系列产品，微调电阻选用村田PV37WY系列产品，功率电阻采用围产碳膜电阻；贴片电容采用风云高科X7R型电容，大容量极性电容采用PANASONIC的TK系列销电解电容，小容量的电容采用高乖斗CA45型钽电容；滤波电感选刖TDK的屏蔽电感213硬件电路设计2描述丁VCU硬件电路总体结构VCU多输入、多输、数模混合共存的复杂系统，其各个功能电路相埘独立，冈此可以按照模块化思想设计硬件系统的各个模块，主要包括电源模块、核心控制模块和信号隔离模块。1核心控制模块2中“核心板”部分。负责数据的处理、逻辑运算以及控制功能的实现。MCU芯片9S12EXT256MAA运行速度快最高总线速度可达40MHZ，拥有大容量内行512KB的FLASH、20KB的RAM，F1F以满足VCU运行状态记录等要求，丰富的外设SC1、SPI、CAN、PWM、ADC等可以省去相关芯片。该MCU还新增了XGAFE协处理器成为双核MCU，后者可以单独处理繁重的通信和中断处理，使主核心从通信中解放出来以专门处理各种复杂的控制算法，程序运行效率得到了极大的提升。核心控制模块还布置了实时时钟RTC、模数转换DA和有源滤波电路。2电源模块由于VCU的核心控制模块与车身需要隔离，因此电源模块要能够为核心控制模块提供与车身隔离的电源。电源模块要提供的电源有供给核心板的隔离5V、4L2V和接口板需厂R厂IFF工业皂图2VCU硬件部分联系示意图要的非隔离5V、_12V。其中的12V电源均用于给运放和电压基准供电。隔离电源由DCDC隔离模块产生，非隔离电源由LM2576产生。电源模块单独设计成一块电路板，靠插接件联接到VCU的接口板上。图3给出了部分电源模块电路。3信号隔离模块该模块的作用是对VCU的各种信号进行调理及与隔离，提高VCU整体的抗干扰能力。来自电子踏板的信号和VCU输出至电子油门的信号等模拟信号使用线性光耦HCNR201隔离；来自车身上的开关量信号及VCU输出至指示灯等低速数字信号使用低速光耦PC817隔离；来自转速传感器的信号以及VCU的PWM输出等高速数字信号使用高速光耦隔离。隔离芯片前后需要的隔离电源由电源板产生。图4分别是低速数字信号隔离输入电路、低速数字信号隔离输出及驱动电路、模拟信号输人隔离电路。214电磁兼容与抗干扰设计国标GBT47651995电磁兼容术语对“电磁兼容”的定义是设备或系统在其电磁环境中能正常工作，且不对该环境中任何事物构成不能接受的电磁骚扰的能力。从电磁兼容的角度出发，除了设备能按设计要求完成其功能外，还有两点要求1系统本身抗电磁干扰能力要强，不易受到外界环境的干扰；2系统本身不应成为一个噪声源，产生对其他仪器、设备的电磁干扰。基于以上两点，首先在VCU电源进入时就采用了抑制共模及差模干扰的LC滤波电路，辅以DCDC输出的LC低通滤波电路，既保证了VCU不受汽车本身诸如火花塞、电磁阀等强干扰对电源的不良影响，也防止核心控制模块产生的高频噪声干扰到车上其他电器见图3；其次将核心控制模块与对外所有信号进行电气隔离，防止耦合至线缆上的干扰影响核心控制模块工作见图4。在VCU的设计中，PCB板的布局会对电磁兼容性有很大的影响。使用多层印刷线路板设计可图3电源模块电路部分原理图厂R_兰0盖II整益兰蔓。I自动化R22，、47KC31LOONFA24路1M高速隔离电路V5VR25R47KN02U26EMC74HCO4ADL1_R、L4C321OONF107_。、一20KB模拟信号输入隔离图4信号隔离模块电路部分原理图以提高单片机的抗电磁十扰能力，四层板能比双层板噪声低20DB。综合性能、成本和VCU体积的考虑，设计时将VCU分为电源板、核心板、接板块电路板，其中核心板为四层板，电源板不11接_J板为双层板。核心板与电源板通过插接件联接剑接广1板上，从而实现了模块化设计的要求、减小R控制器的整体大小，同时由于电源板位丁系统上方，又利于散热见冈5。5控制器硬件实物图存PCB布线时，对于双层板，特别是电源和基准部分，坚持单点接地，数字电路合理规划铺锏区域；对于四层板，要保持地平面的完整性，保证数字部分与模拟部分在整个电路板中只有在一处相连，注意接地的阻抗问题；MCU局部布线参照手册要求进行布置，以实现单点接地和防止高频串扰；对噪声特别敏感的信号，如各种模拟信号，单独为其划分出布线区，远离数字电路。215可靠性设计可靠性设计要求VCU考虑车辆T作时遇到的异常情况，并作出相应处理，使车辆安全运行。例如当VCU发现电机水冷工作不正常时，VCU会停止电机T作并通过故障告警灯告知司机电机发生故障；当电容温度过高时要产生超温告警等。除在软件上加以考虑，硬件上也要保证VCU故障时车辆仍可以行驶。216通用性设计围内有多种整车控制器是基于CAN通讯网络的分布式控制系统，按照通用性理念设计的VCU可以方便地从一种车辆移植到另外一种。VCU需要处理众多的数字和模拟信号，为充分适应不同车辆需求，设计了尽量多的信号接口，最终设计了15路可配置高低端低速数字输入、4路高速捕捉数字输入、8路低端控制低速数字输出开关、4路高速PWM数字输出开关、4路模拟信号输入、2路模拟信号输出等I0接口，超过了多数整车控制器需要的I0接口数量，方便移植。2_2整车控制策略的实现整车控制策略的优劣直接关系到整车的控制功能，主要包括对各种信号的软件处理和各种控工业自制策略的实现。整车控制器的主程序即反映了整车控制策略，如图6所示，给出了整车控制器的工作循环流程。整车控制器上电进入初始化阶段，当各模块均自检完成后，整车控制器即进行信息采集与工作模式的判别，整车即进人驱动、机械制动、制动能量回收、充电模式的任意一种，随后进行通讯、人机界面显示及故障码记录等工作。图6整车控制器主程序流程3整车控制器功能验证31硬件在环仿真系统的搭建硬件在环仿真不但克服了离线仿真不能模拟实际物理信号的缺点，还克服了实车试验成本高、周期长等缺点。图7和图8所示硬件在环仿图7硬件在环仿真联系图真控制系统包括VCU、DSPACEDS1005、CONTROLDESK软件和驾驶室仿真台等四个部分，驾驶室仿真台负责产生三种踏板信号和档位信号，PC机中的CONTROLDESK软件起到下载模型至DSPACE及监控DSPACE的作用，DSPACE负责产生车辆上的各种信号。32整车控制器台架试验验证在进行了可靠性测试之后，将整车控制器与燃料电图8硬件在环仿真系统池及其控制器、电机及其控制器、镍氢蓄电池组及其控制器等部件连接在一起，实现了整个燃料电池电动汽车的动力总成试验台架。在台架上做了以下的试验1通信联调试验控制系统CAN通讯试验以及数据监控系统的信号采集；2整车控制器控制逻辑试验按照与实际车辆相同的驾驶模式，重点进行加速模式、启车模式、充电模式、再生制动模式、动力蓄电池充电模式、巡航行驶模式的控制逻辑单模式调试；3整车控制器控制报警试验；4整车控制器控制模式切换试验重点考核各种控制模式间的切换。一加速踏板开度制动踏板开虞；IL0L050100150200250300时间S图9台架试验数据在整个台架试验测试过程中，整车控制器运行稳定，各功能模块按照指定程序完成任务，未出现复位及数据丢失现象。图9是试验过程中采集的踏板开度信号，所采集的信号连续完整。整自动化车控制器不仅在功能上实现了既定目标，而且在可靠性方面也达到了标准。图10为硬件在环仿真的试验结果，显示了车速与超级电容电流和电压、电动机转矩及挡位信号之问的关系。8006OO警400200080至60群402FL0一L020406080100定。根据发动机工作区优化策略而提出的逻辑门限值能量分配策略是可行的，工作时优化了电机的工作区间。参考文献1程夕明，徐梁飞，何彬，等串联混合电动车辆动力三、，一拳30OJ饕O0LJ。1一。冈10DSPACE仿真实验数据VCU能够根据踏板及档位信号准确地判断出的驾驶员意图，迅速切换到相应的工作模式，准确实现各种工作模式。4结论1本文所述VCU考虑到了通用性的要求，可以将其方便地移植到其他种类的新能源汽车上，从而降低了硬件开发和使用成本。2在纯电动汽车整车控制器上首次采用了双核微控制器，它可以将中断处理程序单独分配给一个内核，同时另一内核专门处理复杂的逻辑运算而不受中断影响，克服了传统的单核微控制器由于繁杂的中断请求导致其系统运行效率下降的缺点，提高了整个系统的实时性和运行效率。3硬件在环仿真试验的结果表明所设计的VCU完成了包括车辆需求计算、运行模式判断、能量分配策略和数据信息交换等工作，工作稳系统的实时仿真J系统仿真学报，2004，167146714712何彬，华剑锋，章健勇，等燃料电池汽车整车控制器仿真测试平台研究J系统仿真学报，2005，177169416983张勇，殷承良，熊伟威基于MATLAB的车辆动力学控制交互式硬件在环仿真系统研究J机械科学与技术，2006，25782L一823，8514秦大同，杨阳，詹迅，等ISG混合动力再生制动系统硬件在环仿真J重庆大学学报自然科学版，2006，293155王永庭，张付军，李长文基于DSPACE的柴油机ECU硬件在环仿真平台J系统仿真学报，2006，17241446张翔纯电动汽车整车控制器进展J汽车电器，201L2157鲁盼纯电动汽车控制器设计与开发D西安长安大学，20L08王晨，杨正林，张彤，等电容式混合动力轿车硬件在环试验研究J汽车科技，20