基于Simulink的纯电动汽车整车控制系统设计

王胜达， 贠海涛， 董利莹， 李家月

(青岛理工大学机械与汽车工程学院，青岛 266520)

为了迎接可持续交通的挑战及解决能源和环保问题，目前，各大研究机构和汽车制造商针对电动汽车的研发和推广，主要集中发展电动汽车。纯电动汽车符合现代环保理念，噪声小、零排放等优点使其在日益发展的城市交通中占据一席之地。传统汽车将逐步淘汰，电动汽车将会成为主流。而对于简单的纯电动汽车，车辆的动力性、经济性等受整车控制器(vehicle control unit，VCU)的设计水平影响。整车控制器是汽车完成动力传输、能量分配及状态监控的核心部件[1]。纯电动车整车控制系统是驱动汽车的大脑，负责数据的采集处理、逻辑运算及控制实现[2]。但是目前的电动汽车整车控制系统传统的存在可靠性和稳定性差问题，并且由于开发周期较长、调试难度较大，逐渐不适用于现代电控系统的开发[3]。

基于上述分析，针对整车控制器开发周期长、可靠性和稳定性差等问题，设计了纯电动汽车整车控制系统。基于飞思卡尔S12处理器开发的可配置控制器ECMV2硬件模块和以C语言开发的封装成Simulink的图形化模块的软件模块，使得基础软件和控制算法在同一个平台上搭建并验证，建立纯电动汽车Simulink整车模型，通过CAN网络获取一系列的标志位来得知当前车辆的状况进而根据控制策略完成对整车的控制，进行实车试验测试。实现了系统开发周期短，复杂工况下控制器灵敏度高、电机响应迅速、车辆运行平稳等目标。

1 纯电动汽车整车控制器

图1显示了纯电动汽车整车控制系统结构，主要由带CAN分析功能的整车控制器、上位机(故障模拟系统和整车控制、标定、CAN数据读取、分析)、故障设置板卡等组成。整车实验平台搭载整车控制器可进行实车试验，通过整车控制器的标定软件可检测车辆信号和修改车辆参数，控制器增加DBC文件导入功能可对整车CAN总线数据解析。提供整车模型，通过此系统可进行整车控制，标定，以及实车测试实验，CAN总线数据收发、解析。

图1 整车逻辑框图Fig.1 Complete vehicle’s logic block diagram

2 整车控制器硬件平台

整车控制器硬件设计采用ECMV2控制器。ECMV2是基于飞思卡尔S12处理器开发的可配置控制器。该控制器具有资源丰富、接口齐全、可靠性高等特点，提供全部板载外设驱动程序库，ECMV2可在-40～+105 ℃宽温条件下稳定工作；防护等级达到IP67，防水防尘抗振动；参数配置和功率输出带有故障诊断功能，精确定位短路、断路、过载等故障；所有IO具备高防护，功率输出快速关断；能够完全适应户外移动设备恶劣施工环境的应用[4-5]。

ECU采用Free Scale公司的16位芯片S12XEP100；是以Simulink/Stateflow为开发平台，RTW编译环境开发的；有2个CAN接口，1个RS485接口，1个LIN接口，2个RS232接口；还有16路可配置模拟量输入：8路5 V模拟量输入，8路32 V模拟量输入；14路可配置数字量输入:可配上下拉数字量输入通道；8路PWM控制输出；4路2 A高边脉宽调制功率输出，4路2 A底边脉宽调制功率输出；4路可配置时间检测通道；4路电流测量通道。支持Simulink模型开发。支持 CCP协议、BootLoader。图2为ECMV2的封装。

图2 ECMV2外观图Fig.2 The appearance of the ECMV2

3 整车控制系统软件平台

ECMV2底层驱动采用标准C语言形式，提供ECMV2.lib文件以及必要的函数头文件。以Code Warrior IDE for HCS12为开发环境，用户可在NXP官方网站下载评估板或使用其他版本。使用本系统前，需要做以下准备工作：需要在工作站上安装 Code Warrior和BDM 调试器驱动程序;通过 USB 连接 BDM 和工作站，并将 BDM 调试接口连接到 ECM；为控制器提供合适的电源。首先要启动设备，首先连接 B+(P60 或 P90)到电源正极，连接 B-(P59 或 P89)到电源负极， 然后打开设备电源，此时设备主电路尚未通电，需要通过合适的装置连接 ACC(P30)到 B+(P60或 P90)，来控制控制器上电启动。接着要关闭设备，断开 ACC 与B+的连接即可，此时控制器的主电路掉电，设备关机。然后用户可自行创建软件工程，也可以直接打开产品光盘中的工程模板，直接编写代码。

如图3所示，基础软件平台将主控芯片的IO资源封装成Simulink中的图形化模块，提供全部板载外设驱动程序库，并提供友好的GUI界面以便于配置，使得基础软件和控制算法在同一个平台上搭建并验证，整个系统开发能够开展电动汽车整车控制策略的标定和仿真实验。

图3 Simulink图形化模块Fig.3 Simulink graphical module

整车控制器中的CAN总线分析软件在上位机中显示，此软件可以用于网络系统开发的通用分析工具，可以观察、分析和支持扩展多个CAN通道的数据传输，它还具有可编程功能，既可以完成简单的网络分析，也能从复杂问题中发现并解决故障[6]。

CAN总线分析软件由图形化表示的方块图控制。它能表示数据流从总线经过PC卡到各不同评估窗口和日志文件的过程。在这过程中，系统模块的参数都可以在图中进行显示和设置。

4 车辆各模型的建立

4.1 加速踏板数据采集及换算模型

加速踏板位置传感器的原理是分压电路，如图4所示，传感器电路接受来自发动机电子控制的5 V电压[7]。油门踏板与电刷相连，转轴与传感器内部的滑动变阻器相连接组成，踩下加速踏板，加速踏板位置传感器发生改变，电刷与接地端的电压也会随之改变，电子控制单元(ECU)将该变化的电压转变成加速踏板的位置信号。为了诊断和防止出现故障，加速踏板位置传感器做成双传感器,采用冗余设计。为识别故障，油门位置传感器输出电压是油门位置传感器输出电压的2倍。

图4 加速踏板位置传感器输出电压Fig.4 Output voltage of acceleration pedal’s position sensor

传感器从0～100%开度。踏板1信号在0～100%开度时电压应该在0.7～4.4 V之间。踏板2信号在0～100%开度时电压应该在0.37～2.2 V之间。

如图5所示，本系统采用ECMV2快速原型机，通过A15V的通道0进行模拟量采集加速踏板传感器1的信号，然后计算得出当前加速踏板的百分比。

图5 加速踏板数据采集及换算模型Fig.5 Model of accelerator pedal data’s acquisition and conversion

4.2 档位采集及刹车采集模型

根据图6的档位电路图和实际测量，得出真值如表1所示。

图6 档位电路图Fig.6 Gear circuit diagram

表1 档位真值表Table 1 Gear truth table

根据表1，搭建模型，如图7。

刹车是一个数字量，只有状态0 V和12 V，所以采用数字量输入或者模拟量输入都可以。本系统采用的是模拟量32 V输入，根据输入的模拟量和预设值对比，大于即输出布尔量1，然后赋值给GOTO标签，方便调用。

4.3 CAN数据收发模型

CAN是 ISO国际标准化的串行通信协议[8]。CAN总线空闲时，所有单元发送消息。当两个单元同时发送消息时，CAN总线会依据标识符ID决定优先级。当两个及两个以上的单元同时发送信息时，会对各消息ID 的每个位进行逐个仲裁比较。优先级最高的单元就可以继续发送消息，优先级低的单元则立刻停止发送而进行接收工作。如图8所示，通过CAN信号获取Readly信号，进行电机使能控制，之后进行电机控制。

图7 档位采集及刹车采集模型Fig.7 Model of gear position acquisition and brake acquisition

图8 电机控制模型Fig.8 Motor control model

图9 CAN数据收发模型Fig.9 CAN data transceiver model

如图9所示，通过CAN_ID为430的信号获取电机当前转速当前转矩，进行整车状态监测。并通过ID为650的信号发出，由ECC软件进行解码。表2是控制器中数据帧ID650中8个字节(Byte)的解析结果，其中1个字节等于8位(Bit)。

表2 ID650的解析结果Table 2 Analytic result of ID650

5 整车控制策略及整车模型

5.1 整车控制策略

整车的控制是线控和CAN通信控制，VCU通过模拟量、数字量的采集，来判断整车当前的档位、油门、刹车等情况，然后通过控制策略来进行扭矩的输出。 控制策略是通过一系列的标志位来得知当前的状况，从而发出指令控制整车。

如图10通过硬件ECMV2中AI32 V输入的模拟量来判断刹车是否踩下，通过AI5V-1、2、3、4来采集档位信号传感器1、2、3、4，来进行判断是前进档、空档、倒档。

图10 档位变换模型Fig.10 Gear shift model

当ECMV2控制整车，开机进入N档模式，然后通过刹车换档进入换档模式，进行换档操作，此时的扭矩输出为0，当刹车松开时，切换到D档或者R档，根据油门踏板的百分比输出扭矩，R档扭矩为D档输出的一半。限制了倒车的最大速度。

图11 状态机模型Fig.11 State machine’s model

如图11，状态机一共有五种状态，刚进入的初始状态，踩下刹车之后进入刹车换挡状态。换挡之后松开刹车进去倒车或者前进状态，此时的输出扭矩是状态机之外的计算得到的。当踩下刹车之后进入换挡刹车状态，当没有踩下刹车直接换挡就会进入错误状态，只有踩住刹车然后挂空挡才能回到初始状态。错误状态，刹车换挡，初始状态的扭矩输出都是0，即踩下刹车，扭矩输出变为0。将CAN中的扭矩信息给电机，控制电机的转动。

5.2 整车模型

整车模型基于M/S搭建，具有模块化、可拓展的模型构架可提供原模型与第三方模块接口[9]。建模本身可适用于电动汽车也可用于HCU、MCU、扭矩控制等。实时性，针对主要的实时硬件平台通过RTW进行代码生成。仿真步长1 ms。也可支持基于M/S的所有主流仿真机。整车动力学模型主要包含模型具有实时求解的能力[10]。

如图12所示，通过整车控制器IO口获取刹车信号，档位信号，油门踏板百分比等信号，经过输出扭矩计算模块，进行状态机切换，完成车速的获取，通过CAN总线进行数据收发来完成上位机和控制器之间的信息交互。

图12 整车模型Fig.12 Vehicle model

6 程序测试和实验验证

车控制器软件的功能测试在模拟平台上进行，模拟平台配合 CAN 总线上位机，根据不同的运行状态解析相应的 CAN 报文内容[11-12]。 经多次测试，当前系统能根据用户指令完成车辆的各种行驶模式，并且能按照计算机通过 CAN 报文模拟的运行状态做出正确的故障提示及处理动作[13-14]。

实车测试在样车上进行，图13为整车控制器和整车数据采集，CAN收发分析环境，能够实时监控CAN总线信息，接收整车控制器通过串口发送的信息。实车测试分三个部分。加速测试、低速测试和高速测试。由试数据绘制的曲线如图14～图16。加速测试对驾驶员单次踩下加速踏板之后整车控制器的灵敏度进行评估，电机驱动扭矩相应很迅速，峰值的时间差大约是1 s。车辆的加速过程相对稳定。低速测试与高速测试分别实在拥挤的路段和通畅的路段测试的，代表着典型城市车辆工况循环。在测试过程中车辆运行平稳，电池电压也不会迅速下降，驾驶员的操作也很快得到整车控制器的响应。由测试表明，可以认为此设计能够满足该产品目标市场的性能需求。

图13 实车控制器系统Fig.13 Real car controller system

图14 加速测试曲线Fig.14 Acceleration test curve

图15 低速测试曲线Fig.15 Low speed test curve

图16 高速行驶曲线Fig.16 High speed curve

7 结论

针对电动汽车整车控制系统开发周期长，稳定性差问题，开发了一种新的电动汽车整车控制系统。在软硬件开发环境下设计上位机与整车控制器的通讯，完成CAN信息的交互和显示。并通过加速行驶测试、低速行驶测试和高速行驶测试进行实车验证，得出以下结论。该系统控制器灵敏度高，电机响应迅速，在复杂路况下车辆运行平稳，还有良好的可靠性和经济性。