基于硬件在环的纯电动客车整车控制系统功能测试

余莹莹，李 韧，王法龙，常 圣，吴 浩

(安徽安凯汽车股份有限公司，合肥 230051)

在整车控制系统研发过程中，基于安全性、可行性以及成本的考虑，硬件在环(HIL)仿真测试贯穿于研发的各个阶段，已成为研发过程中不可缺少的部分。HIL仿真又称为半实物仿真，将部分实物硬件接入仿真系统，使仿真系统更逼近真实系统[1]。主要以 dSPACE实时处理器运行ASM(Automotive Simulation Models)软件来模拟受控对象的运行状态，通过 I/O接口与被测的VCU连接，对VCU实现全面、系统的测试，从而减少实车路试的次数，大大缩短开发时间，节省开发成本[2-3]。本文利用 Matlab/Simulink 建立整车模型，以某纯电动客车VCU为测试对象，基于 dSPACE 建立其硬件在环仿真测试环境，对整车控制系统进行功能测试验证。

1 硬件在环仿真测试系统总体设计

德国dSPACE系统作为半实物仿真与控制器开发的软硬件平台,能够实现和Matlab/Simulink的无缝连接[4]。在软件方面，采用 Matlab/Simulink进行算法开发、系统建模及离线仿真，利用自动代码生成技术生成实时C代码，并通过实时接口RTI实现从Simulink模型到dSPACE实时运行硬件代码的无缝自动下载[5]。dSPACE硬件主要由DS1006核心主控板、DS2211 I/O板、DS814通讯接口板、CAN通讯接口板、故障注入板卡、负载板卡、电源等构成。通过PHS总线连接各种dSPACE的I/O板卡，总线速度为20 Mb/s；完全支持Simulink编程等[6]。图1为硬件在环系统架构图。

图1 硬件在环系统架构图

HIL仿真测试主要是通过dSPACE仿真器将仿真信号经过I/O板卡以及调理电路处理后发送给VCU,VCU接收到输入信号后经过内部策略处理进行对应信号输出(包括执行器的驱动信号以及与其他节点的交互信号)；同时仿真器又能对VCU输出信号进行实时采集并作为整车模型输入信号进行运算处理，形成一个闭环系统测试。只需要对整车模型参数进行配置，通过仿真器设置各种测试工况就可以对VCU进行全面、系统的测试[7]。除此之外，dSPACE还提供了交互式测试管理软件ControlDesk，利用此上位机软件能快速建立虚拟仪器对测试过程进行监控，且可实现在线调参[8]。

根据VCU的功能要求并充分考虑到纯电动客车的使用环境，搭建基于dSPACE的HIL仿真测试平台组成，如图2所示。

图2 硬件在环仿真测试平台组成图

2 仿真模型建立以及测试软件开发

2.1 仿真模型的建立

HIL测试系统中最重要的环节是建立仿真模型，dSPACE仿真器是在仿真模型的基础上运行的[9]。在基于Matlab/Simulink环境下开发模型，主要包括IO模型和ASM整车模型[10]。其中IO模型如图3所示，用于仿真器硬件接口进行建模，主要实现对硬件IO接口的配置以及所有信号的调理，根据控制器引脚定义确定信号类型来配置接口[11]。不仅对传感器信号和执行器接口进行分配、参数配置以及信号调理，而且还对CAN总线通信参数和CAN总线信号属性进行配置。

ASM整车模型如图4所示，根据实车性能和特性建立虚拟车辆[12]的仿真模型，主要包括Soft ECU模块、动力模块、传动系模块、车辆动力学模块、驾驶环境模块。根据待测车辆特性进行参数配置，就可以实现实车的模型化，获得实车的运行效果。

图4 ASM 整车模型图

2.2 测试软件开发

上位机界面主要是基于dSPACE/ControlDesk软件创建的测试管理界面，对整车控制系统功能测试整个过程进行控制和管理，它能够下载仿真模型文件、监控实时测试数据、设置变量和参数以及显示虚拟仪表数据等。根据待测VCU的测试需求，将测试管理界面进行模块化设计，主要分为电源控制模块、驾驶员操作模块、虚拟仪表模块、数据监控模块以及CAN通信管理界面。根据通信网络配置生成CAN通信管理界面，实现CAN通信的仿真及监控[13-14]。测试界面中每个控件与其对应的模型信号进行关联，可实时监控仿真测试数据。图5为ControlDesk测试界面原理图。

图5 ControlDesk测试界面原理图

3 仿真测试及结果分析

HIL仿真测试平台搭建好后，根据实际车辆参数以及路况信息，对其中的ASM整车模型进行参数化以及闭环测试工作。采用dSPACE参数化软件ModelDesk对建立好的ASM整车模型中的各个子模型进行相关参数配置。

相关参数配置好后，在实时环境下对VCU进行整车上电起步、加速制动、蠕行以及打气泵等功能或性能测试，验证该VCU逻辑是否满足设计要求，为后续实车调试提供理论依据。

3.1 整车上电起步仿真测试

整车上电起步仿真测试主要验证整车能够按照要求正常上电起步，测试过程：首先通过 ControlDesk 测试界面给dSPACE台架以及VCU供电；测试开始时，点击Key ON挡，观察DC/DC能否正常上电；点击Key Start挡后，观察主接触器闭合情况以及是否有Ready信号。

整车上电起步仿真测试结果如图6所示，当虚拟整车有ON挡信号后，VCU收到DC/DC接触器闭合反馈信号，DC/DC完成上电；当虚拟整车有Start挡信号后，VCU收到主接触器闭合反馈信号，此时dSPACE/ControlDesk 测试界面上Ready指示灯亮。此时电机直流侧电压为561.1 V，大于Ready电压(标定为400 V)，满足上电要求，由此测试结果可以看出，VCU能够正常发送和接收信息，虚拟整车能够正常上电起步，测试通过。

(a)整车上电过程中接触器闭合反馈情况

(b)整车上电过程中电机直流侧电压以及Ready信号情况

3.2 整车加速及制动性能测试

整车加速及制动性能仿真测试主要验证当车辆在加速、制动等过程中观察VCU能否将驾驶员命令准确解析传递给MCU、BMS等，使虚拟车辆按照设计目标运行。测试过程：当虚拟车辆处于Ready状态时，在ControlDesk测试界面上，先将制动踏板百分比设置为50%，点击D挡位，再将制动踏板百分比设置为0，将油门踏板百分比设置为100%；观察从起步到加速的过程中，VCU收到加速踏板信号，并向MCU进行扭矩请求以及车速的变化情况；最后将制动踏板百分比设置为80%时，观察VCU收到制动踏板信号后，并向MCU进行扭矩请求以及车速的变化情况。

图7为整车加速及制动性能仿真测试结果，从图中可以发现：当将油门踏板百分比设置为100%后，VCU迅速请求电机输出最大扭矩，随着车速的增大，请求扭矩逐渐减小。当将制动踏板百分比设置为80%后，VCU迅速请求电机输出较大负扭矩，进入能量回收状态，随车速减小，输出扭矩减小直至车速降为0 km/h。当车速降为0时，将制动踏板百分比设置为0后，虚拟车辆应进入蠕行模式。根据测试结果可以看出该VCU满足加速、制动功能要求，测试通过。

图7 整车加速制动性能仿真测试结果

3.3 蠕行功能测试

当虚拟车辆满足进入蠕行状态的条件后，通过测试验证虚拟车辆能够按照要求进入蠕行。测试过程：当车辆处于上电起步状态时，先将制动踏板百分比设置为50%，点击D挡位后，再将制动和油门踏板百分比均设置为0，且将手刹信号设置为0，此时通过 ControlDesk上位机界面读取虚拟车辆状态。图8为蠕行功能仿真测试结果，从图中可以发现：当点击D 挡位后，将制动和油门踏板百分比均设置为0时，电机的转速逐渐增大，车速也随之升高。当电机的转速达到162 r/min且保持时，车速升高至5 km/h后始终保持5 km/h匀速行驶，符合功能要求，测试通过。

图8 蠕行功能仿真测试结果

3.4 打气泵功能仿真测试

打气泵功能仿真测试主要是验证在虚拟整车气压低的情况下打气泵能够按照要求进行工作。测试过程：首先将打气泵启动电压值标定为3.4 V，打气泵停止电压值标定为4.1 V；当虚拟整车上高压后，在ControlDesk测试界面上将虚拟整车气压值分别设置为0 V、3.7 V和4.5 V时，观察打气泵打气工作情况；将打气泵首次启动工作时间标定为1 min，气泵停止间隔时间标定为1 min，观察打气泵的防乳化功能以及时间存储的情况。

图9为打气泵打气工作仿真测试结果，从图中可以发现：当虚拟整车气压值为0 V和3.7 V时打气泵一直在工作；当虚拟整车气压值为4.5 V时打气泵在工作，12 s过后打气泵停止工作，符合打气泵功能要求，测试通过。图10为打气泵防乳化功能以及存储时间仿真测试结果，从图中可以发现：打气泵打气时间为1 min，且2 min存储一次时间信息，当打气泵首次启动工作1 min且打气1 min结束后，过了5 min关闭打气风扇，此时又因为达到了打气泵停止间隔时间再一次打气，符合打气泵功能以及防乳化逻辑的功能要求，测试通过。

图9 打气泵打气工作仿真测试结果

图10 打气泵防乳化功能以及存储时间仿真测试结果

4 结束语

本文详细阐述了基于硬件在环的整车控制系统功能测试系统的总体设计，通过开发仿真模型和测试界面，建立了基于dSPACE的硬件在环测试仿真平台，并在此平台上对整车控制系统进行了功能验证。测试结果表明，利用此硬件在环测试仿真平台能够快速有效地验证该整车控制系统是否满足设计要求，从而缩短了整车控制器的开发周期，减少了费用支出，为后续实车调试和验证提供理论依据。