基于c和d的电动汽车硬件在环仿真天津大学夏锌等

1、基于 CRUISE 和 dSPACE 的电动汽车硬件在环夏锌，黄登高，谢辉内燃机燃烧学，市南开区卫津路 92 号摘要 电动汽车整车器(VCU)开发遵循传统开发流程 V-Cycle，CRUISE 软件可以快速搭建对象模型，应用于模型在环（MIL）和硬件在环（HIL）阶段。本文利用 CRUISE搭建了电动汽车模型，并应用于基于 dSPACE 的HIL，验证VCU 的功能。：电动汽车；整车器；硬件在环主要软件：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. 引言随着能源以及环境的加剧,新能源车辆应运而生。纯电动汽车作为新能源汽车的一种，没有传统汽车工作时产生的废气,是目前最环保的节能车辆之一1。此外，同传统的汽车相比, 电动汽车能耗较低,被认为是汽车发展的趋势。目前，国内众多汽车厂商和科研机构都纷纷投入到电动汽车的开发，并有相应为三个方面：电池技术、电机技术、电控技术。问世。电动汽车开发的可以总结电动汽车整

5、车器（VCU）在电控技术中占有重要地位，其开发过程遵循传统汽车电子的 V-Cycle 流程，因此电动汽车整车模型的开发是不可或缺的部分。电动汽车整车模型用于模型在环（MIL）和硬件在环（HIL）两个阶段，分别用于策略评估和集成测试。随着电动汽车开发周期越来越短， 安全性要求越来越高，电动汽车的整车建模需要依据测试对象的变化进行灵活配置，传统的 Simulink 和手写代码的形式难以满足开发要求。AVL 公司的 CRUISE 软件模块化的理念可以轻松快速实现整车建模，同时 CRUISE 还提供了与ETAS/ASCET 和 dSPACE 的接口，可以方便地将 CRUISE 整车模型应用于 MIL

6、和 HIL两个不同阶段。2. CRUISE 模型及环境构建电动汽车关键模块包括电池、电机、离合器、主真的纯电动车模型和动力总成系统如图 1 所示。器以及车轮等，车辆为直驱动结构。本文仿模型不仅利用了 CRUISE 模型快速开发的优势，也采用了 dSPACE RTI 模块接口功能，实现对象模型和器的无缝连接。图 1 整车构架图2.1 CRUISE 模型搭建对象选择某型纯电动轿车。CRUISE 整车模块需要输入整车、载荷参数、空气阻力特性、轮胎参数、传动系参数以及制动系等参数。该模块采用式（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为阻力，𝐹𝑉,𝑎𝑖𝑟为空气阻力，𝐹𝑉,𝑖𝑛𝑐𝑙为坡度阻力，𝑘𝑉,𝑎𝑑𝑑,𝑡𝑟𝑎𝑐和𝑘𝑉,𝑎𝑑𝑑,

9、𝑝𝑢𝑠分别 为滚动阻力系数和旋转质量系数， 𝑚𝑉,𝑎𝑐𝑡为车重。电池模型的建立根据当前 SOC 估算电池电压，并考虑了温度对电池充放电的影响。CRUISE需要输入的电池部分参数单体电池标称电压，单体电池放电截止电压，单体电池充电截止电压等。CRUISE 电池模块采用 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为输出电流，𝑈

11、9876;,𝑛𝑒𝑡为总电压，𝑈𝑄,𝑖𝑑𝑙𝑒为空载电压，𝑅𝑄,𝑎𝑐𝑡为电池内阻；式（3）中：,act和,act1分别为当前和上一时刻电池电量，tstep为步长。CRUISE 电机模块的基础是电机的电压、转矩、功率的平衡方程和运行特性方程，其采用的公式分为机械和电气两个部分2。需要输入额定电压，额定功率，最大转速，平均效率， 工作模式等参数。机械部分：𝑀

12、9864;𝑀,𝑑𝑡 = 𝑀𝑀𝐸 𝐸𝑀,𝑛𝑜𝑚𝜑 𝐸𝑀,𝑜𝑢𝑡式（4）式中𝑀𝐸𝑀,𝑑𝑡为输出扭矩，𝑀𝑀𝐸为电机特性 MAP，𝐸𝑀,𝑛𝑜&#

13、119898;为电机转动惯量，𝜑 𝐸𝑀,𝑜𝑢𝑡为电机的角度；电气部分：𝑃𝐸𝑀,𝑒𝑙 = 𝑃𝐸𝑀,𝑚𝑒𝑐 + 𝑃𝐸𝑀,𝑙𝑜𝑠𝑠式（5）𝑃𝐸𝑀,𝑚w

14、890;𝑐 = 𝜑 𝐸𝑀𝑀𝐸𝑀式（6）式（5）中𝑃𝐸𝑀,𝑒𝑙为总功率，PEM,mech为机械功率，𝑃𝐸𝑀,𝑙𝑜𝑠𝑠为损失功率；式（6）中 EM为输出角速度。根据以上参数，搭建的 CRUISE 电动汽车模型如图 2 所示，图中方框表示主要零部件或功能模块，包括有动力电池模块、驱动电机模块、器模块、

15、差速器模块、刹车模块、车轮模块、整车参数模块、驾驶员模块以及模块。其中动力电池采用锂离子电池，驱动电机为永磁同步电机，器只有一个档位。图 2 整车构架图2.2 dSPACE 简介与dSPACE 系统是基于台，可以实现与环境构建/ Simulink 的系统开发及半实物的软硬件工作平/ Simulink/ RTW（Real Time Workshop）的无缝连接，具有实时性强、操作简单、可靠性高、可扩充性好等优点，并且具有完整的软件和硬件体系。本文中用表 1 使用工具信息工具版本/型号dSPACE SoftwareRelease 6.6dSPACE Processor BoardDS1006dSP

16、ACE IO BoardDS2211/SimulinkR2010a到的 dSPACE 软硬件信息和CRUISE 模型要用于 HIL版本信息如表 1 所示。，首先必须添加 dSPACE 接口模块，连接 dSPACE 与CRUISE 之间需要交互的信号；其次进行 CMC 编译时Compiler/Platform 选择 dSPACEDS1006，自动生成一个 Simulink 模型 dSPACRTCRUISE2。dSPACRTCRUISE 还无法直接用于HIL，需要添加dSPACE RTI 模块：CAN、DAC、Dig In、Dig Out,经过修改后的 Simulink 模型如图 3 所示。Inp

17、ut 模块通过RTI CAN 接收 VCU扭矩指令传递给 CRUISE 模块，并且通过RTI Dig In继电器的工作状态；CRUISE 计算的信息，如电池电压，车速，电机转速等，则在 Output 模块通过RTI CAN给VCU。此给VCU。外，踏板开度、钥匙信号等也在 Output 模块通过RTI DAC 和RTI Dig Out图 3 Simulink 模型界面3. HIL结果分析环境的搭建后，将 Simulink 模型编译并完成到DS1006 板卡中实时运图 4 HIL平台实物图行。CRUISE 模型中去掉了驾驶舱模块的车速跟随功能，电机根据 VCU 计算的需求扭矩进行工作。过程中，通

18、过变换踏板的开度验证了VCU 正常行驶的功能。图 4 为 HIL的真实场景。3.1 VCU 介绍平台的测试对象为课题组开发的 VCU，采用英飞凌公司高性能的 MCU，具有驱动及 AD 采样， CAN 通口，同时还能给外部传感器供丰富的数字输入、继电器电。硬件经检验满足如下标准：ISO 11452-2 辐射抗扰度、GB/T 19951 静电放电和QC/T413-2002 汽车电气设备技术标准。器实物如图 5 所示。图 5 VCU 实物图器根据平台化的设计思想，按照通用化、模块化标准进行设计。整车整车器的软件平台结构包括配置及维护软件接口模块、故障诊断及处理模块、驾驶模块、车辆驱动、通信管理和底层

19、模块等。软件采用了分层的模块化体系结构。整个软件由一系列具有标准结构的软件功能模块，所有软件模块分成三大部分：能量管理、系统管理（维护管理、故3。障诊断、车辆驱动、通信管理和驾驶解释）和底层共享软件函数库3.2行驶验证Simulink 模型经过编译以后在DS1006 中实时运行，一方面通过 DS2211 CAN 接收VCU图 6 Controldesk 界面的需求扭矩指令，另一方面整车状态即模型运算结果也通过DS2211 传递给VCU。同时， 在 dSPACE 的软件工具Controldesk 界面下，可以通过虚拟仪表与模型进行交互。Controldesk界面如图 6 所示，可以改变踏板开度、

20、档位、钥匙信号等等。钥匙打到 KEY_ON 后，BMS 开始自检，自检通过以后 VCU 开始给电机器和其他附件上电。完成整个上电后，钥匙打到 START，并将换挡手柄由空档换到前进档，车辆就可以起动。车辆起动之后，变化踏板的开度，VCU 根据到的踏板开度查 Map 初步计算扭矩需求；然后进一步车辆各个附件的状态，比如电池的电量等，修正该扭矩；最终通过 CAN发给电机器，电机再执行该扭矩需求。图 7 中可以看到需求扭矩不断随着踏板的开度变化，趋势吻合较好。Torque (N*m) Pedal (%) Velocity (km/h)10080806060404020200005101520253035Time (s)图 7行驶3.3 滑行行驶验证车辆在行进的过程中，首先驱动到 75km/h，然后松开油门，车辆进入滑行行驶状态。8070605040302010020406080100120Time (s)图 8 滑行行驶度几乎恒定，车辆的从