一种基于LABVIEW的混合动力汽车新型上位机平台的设计

李晓锦，王红磊，倪计民，石秀勇

(1.同济大学汽车学院，上海 201804;2.吉林大学汽车工程学院，长春 130025)

前言

目前，国内外对混合动力汽车的数据采集平台已进行过设计[1－3]，但存在着平台界面不友好、数据不直观等缺点。本文中利用图形化的编程语言—LABVIEW，针对上述混合动力汽车试验台架中整车控制器(HCU)的数据采集问题，设计开发了一套新型的混合动力汽车上位机平台，并对其功能进行了离线演示和试验测试。

1 混合动力客车试验台架

为了推进混合动力汽车技术的发展，本文中搭建了一套混合动力客车动力总成的试验台架[4]。该台架为单轴并联式，由发动机、自动离合器、电动机/发电机、离合器和电池组组成，如图1所示。

从图1可知，根据其结构形式，可分为6种基本工作模式:纯电动模式、纯发动机模式、混合驱动模式、行车发电模式、制动能量回收模式和怠速/停车模式。HCU、发动机控制器(ECU)、电机控制器(PCU)、电池组管理系统(BMS)和离合器控制器(TCU)在CAN总线的连接下共同组成了一个车载CAN网络。辅助控制器采集的状态参数，通过CAN总线传送给HCU，HCU根据车辆和发动机的工况以及驾驶员的驾驶意图进行动力总成能量分配。

2 上位机平台的功能设计

针对并联式混合动力汽车系统开发过程中的转矩分配和电池SOC控制这两大核心问题，分别为其上位机设计了效率点追踪、能量流动画显示和路况统计3种功能，以提高控制策略的开发效率。另外，由于试验中电机预充电控制策略不完善，还设计了电机预充电测试功能。

2.1 效率点追踪

混合动力汽车控制策略的优化实质上就是基于工况的需求，合理分配发动机和电机的功率/转矩，在满足排放和动力性指标的前提下追求最小的燃油消耗。转矩分配策略的优劣直接影响混合动力汽车的节油效果，直观实时地跟踪发动机和电机的运行效率对转矩分配策略的验证和改进具有重要意义，为此，该系统开发了效率点追踪功能。图2为发动机和电机效率点追踪图。

图2(a)中的黑色部分代表高效区，具有较低的燃油消耗率。图2(b)中转矩正为电动机状态，转矩负为发电机状态。图2中白色星点为发动机和电机的对应工作点，该功能可实时显示最近20个工作点的轨迹，时序按颜色由浅到深表示。利用该功能可以清楚地显示控制策略对发动机和电机工作点的调节轨迹，从而直观地了解混合动力控制策略的运行效果。

2.2 能量流动画显示

能量流动画显示功能可实时显示整车工况和对应的系统能量流动情况，可用于直观测试转矩分配策略在混合动力不同工作模式下的切换情况。

图3为能量流动情况及转矩分配和路况等。程序中将采集的发动机和电机的转速、转矩和离合器状态作为控制参数，用箭头控件指示能量流动的方向。通过发动机和电机转矩梯度的显示，可直观地观察到两者转矩分配的情况。结合能量流、转速、转矩和路况的实时显示，可有效提高混合动力车辆不同模式的切换策略和转矩分配策略的标定效率。

2.3 路况统计

车辆的行驶工况即为车速-时间历程，综合反映了当前车速、加速度、怠速情况、行驶里程和运行时间等运动学参数，可用当前车速和时间两个变量来表示[5]。路况统计功能可实现不同时间样本容量下整车运行工况的数据采集分析和整理。台架测试时，可反映近期所做试验数据的密度分布，为后期的试验内容做参考;实车测试时，可为后期的路谱分析提供统计数据，从而为路线相对固定的混合动力汽车(如混合动力公交车)提供SOC控制的依据。

为便于观察比较，设计了两个时间样本容量(分别为全程25min和局部5min)下的路况记录，并进行了概率统计，分别表示全程速度和局部速度，见图4。图中，路况记录用车速-时间曲线表示，概率统计结果用直方图表示。同时，所有的路况采集和统计数据都可保存在数据文件中，以备需要时调用。

2.4 虚拟电机预充电测试

在混合动力汽车中，电机控制器电容初始状态电压为零，为了减少电容加电瞬间引起的短路电流，须在电容加电回路中串入一电阻进行限流，该过程称为预充电。电机预充电过程靠HCU内部的加电逻辑控制继电器完成。由于预充电历时较短，一般为1～2s，该过程又涉及高压大电流，若控制逻辑考虑不周，很有可能引起电容的烧毁或预充电电阻的爆炸，所以在HCU的开发过程中，有必要对HCU加电逻辑的可靠性进行测试。

本文中利用LABVIEW程序模拟预充电强电系统，用虚拟电机代替实际电机，实现了电机预充电控制策略的离线测试，若充电过程中电压电流发生异常，该系统会自动报警，从而大大地提高了预充电策略的开发效率和安全性。

(1)电机预充电原理

预充电电路图如图5所示。

电机预充电过程中，HCU的加电逻辑为:首先闭合负极继电器(Sn)，闭合预充继电器(Spre)后充电开始，这时电机电压按照RC电路规律上升，当电压达到预定值后断开预充继电器(Spre)，闭合正极继电器(Sp)，电机电压迅速达到400V后稳定，预充电完成。

(2)预充电模拟算法

在LABVIEW程序算法中，利用1阶RC电路来模拟电机的预充电过程。

根据库仑定律:

根据基尔霍夫定律:

式(1)和式(2)联立得

在式(3)中，可利用LABVIEW中移位寄存器实现两个时间步长的电压计算，从而得出当前电压的数值。

(3)程序设计

根据电机预充电原理，对于HCU，须要实时检测电机电压，以保证加电逻辑的及时性。对于虚拟电机，接收HCU发送的继电器控制参数后，经过预充电电路算法，将当前电压反馈至HCU。本文中采用事件动态触发的形式实现电机电压的反馈，如图6所示。将电压值与目的ID地址捆绑到VCI_CAN_OBJ_R簇结构中，执行循环数据接收程序时生成一个用户事件，将用户事件设定成发送事件，以实现电机电压的实时反馈，而HCU也可以根据此ID地址在CAN总线中接收到电机电压信息。

3 上位机平台的功能验证

为实现上位机平台功能的离线演示，开发了读取离线数据的软件接口。同时，为了实现开发平台的数据采集功能，开发了CAN通信的硬件接口。

3.1 上位机平台的离线演示

利用混合动力汽车专用仿真软件PSAT获得了一组混合动力汽车在中国典型城市公交工况下的仿真数据[6]，并利用上位机平台的软件接口，与仿真数据进行连接，从而实现了该平台功能的离线演示。

离线演示平台如图7所示。对于电机预充电测试功能，离线演示和试验测试不同，它直接将继电器的加电逻辑嵌入到离线演示平台中，用户可通过更改电机预充电参数(如电机电容、预充电电阻和电池电压等)实现不同条件下电机预充电测试功能的演示。另外，还模拟了预充电故障程序，当电机电压反馈出现故障时，如果继电器加电逻辑不变，预充电电阻会因过热而爆炸。

3.2 上位机平台的试验测试

因为该平台和混合动力总成系统之间采用CAN通信方式，所以只须设计一个具备混合动力整车系统所有控制器协议的CAN节点，即可在硬件上验证该平台的功能。本文中利用控制器快速原型dSPACE平台，搭建了一套混合动力汽车虚拟试验台架，并设计了平台与虚拟台架的通信接口，实现了在虚拟台架上测试开发平台的通信功能，与上位机平台构成了一套硬件在环(HIL)系统。这样不仅大大提高了上位机平台的开发效率，而且节省了开发成本。该平台也可做成嵌入式的测试仪表，通过通信接口连接试验台架或整车，实现对混合动力汽车数据的实时采集。

(1)利用dSPACE仿真平台搭建虚拟台架

dSPACE是一套基于Matlab/Simulink的控制系统开发和半实物仿真的软硬件工作平台。在利用该平台搭建的虚拟台架中，其硬件部分为MicroBox，利用其内部提供的CAN总线I/O接口，直接将虚拟台架连接到CAN总线中。软件部分为试验工具软件ControlDesk，借助RTICAN工具箱，对上述混合动力客车整车仿真模型的数据按照相应的CAN通信协议进行接口配置，搭建了一个与实际台架的通信功能相类似的虚拟台架。其功能是将混合动力汽车中各控制器的数据按照一定的波特率发送至CAN总线，并接收上位机平台发送至CAN总线上的数据。

(2)上位机平台的CAN通信接口设计

周立功公司专门为ZLGCAN设备在PC上使用提供了虚拟CAN接口函数(VCI)，在LABVIEW中可直接通过调用动态链接库函数节点使用这些库函数。其调用流程如图8所示。

(3)上位机平台和虚拟台架的通信连接

本文中采用周立功公司的USBCANⅡ型数据采集卡。其串口端通过USB转串口线连接PC上位机，CAN端通过CAN_H和CAN_L两根线连接虚拟台架中的MicroBox。通信连接方式如图9所示。

(4)开发平台的试验测试

混合动力汽车台架数据通信测试与电机预充电测试不能同步工作，因此试验测试须分成数据通信测试与预充电测试两个模块。试验测试装置如图10所示。

①数据通信测试 观察虚拟台架和上位机平台中发动机、电机、电池、离合器和整车的数据。结果表明，两者的数据一致且同步，说明效率点追踪、能量流动画显示和路况统计的通信准确，实时性好。

②电机预充电测试 启动虚拟台架中的电机预充电测试模块时，数据通信模块终止。虚拟台架通过模拟HCU内部的加电逻辑对开发平台中的虚拟电机进行预充电，而虚拟电机中的继电器则相应动作，显示预充电曲线，并将实时电压反馈至虚拟台架。试验测试结果表明，开发平台中的电机预充电测试功能简便可靠，界面直观生动。

4 结论

(1)本文中以一套单轴并联式混合动力客车试验台架为背景，利用LABVIEW编程软件，开发了一套新型的混合动力汽车上位机平台，设计了4个新功能，包括发动机和电机效率点追踪、能量流动画显示、不同样本容量下的路况统计和电机预充电测试。

(2)设计了开发平台与混合动力汽车仿真数据的软件接口，实现了上位机平台功能的离线演示。

(3)利用控制器快速原型dSPACE平台，搭建了一套混合动力汽车虚拟台架。通过在虚拟台架中对开发平台进行试验测试，证明该上位机平台具有通信准确、实时的优点，电机预充电测试功能可靠，不但较好满足了混合动力系统开发的需求，而且其功能设计和良好的人机界面为控制策略的测试、改进和直观演示提供了极大的方便。

[1]张彤，朱磊，袁银南，等．基于CAN的混合动力汽车监控平台的开发[J]．汽车工程，2008，30(6):495 －500．

[2]MassimoEeraolo，PaoloCapozzella，FedericoBaronti．CAN-Lab-View Based Development Platform for Fine-tuning Hybrid Vehicle Management Systems[J]．IEEE Transactions Oil Energy Conversion，2005，17(9)．

[3]Schmim G，Oligschlager U，et al．Automated System for Optimized of Engine Management System[C]．SAE Paper 940151．

[4]杨世春，李君，高莹，等．混合动力车发动机辅助控制单元开发[J]．小型内燃机与摩托车，2008，37(1):62 －66．

[5]潘殊月，周雅夫．城市公交车行驶工况的研究[J]．机械设计与制造，2010(2):263 －265．

[6]张博．可外接充电混合动力汽车能量管理策略研究[D]．长春:吉林大学，2009．