基于Simulink纯电动汽车整车控制策略仿真

智东辉

摘 要：整车控制器是纯电动汽车的重要部件之一，是整车控制调度的中心，为了更好的开发和研究整车的控制逻辑，满足日益苛刻的功能要求，文章结合实际要求介绍了一款整车控制系统的基本组成结构，阐述了一种整车控制器应用层整体框架和软件测试方法。该整车控制器策略开发方式，对整车系统开发具有深远意义。

关键词：纯电动汽车;整车控制策略;仿真;Simulink/Stateflow

中图分类号：U461  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）16-18-03

Abstract： Vehicle controller is one of the important parts of electric vehicle and the center of vehicle control. In order to better develop and research the control logic of the whole vehicle and meet the increasingly stringent functional require -ments， this paper introduces the basic structure of a vehicle control system combined with the actual requirements， and expounds a vehicle controller. The overall framework of the layer and the software testing method are used. The strategy development mode of vehicle controller has far-reaching significance for vehicle system development.

Keywords： Electric vehicle; Vehicle control strategy; Simulation; Simulink/Stateflow

CLC NO.： U461  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）16-18-03

前言

隨着中国汽车工业的发展，纯电动汽车以在运行过程中可实现零污染，完全不排放污染大气有害气体等优点，越来越受到人们的青睐。跟据中汽协发布的2019年数据统计，新能源汽车累计产销分别完成124.2万辆和120.6万辆，同比分别下降2.3%和4.0%，在2019整体车市不容乐观的大背景下，新能源汽车成为汽车重要拉动力。从全球来看至2019年12月全球新能源累计销量达221万辆，新能源车作为新能源汽车的一个重要成员，饱含着国家对新能源汽车发展的期望[1-2]。汽车的电气化已是全球发展方向，本文以实际项目出发，着重阐述整车控制应用层控制策略和测试方法，利用Matlab/Simulink 工具搭建控制模型，在设计初期就可以直观地反映设计需求，进行系统设计，并通过不断仿真对设计进行验证。在实现阶段可利用模型直接生成代码，完成软硬件的集成，可以提高开发效率[3][5]，希望能对汽车的整车控制器开发提供一些参考。

1 软件应用层构架设计方案

整车控制器（VCU）的主要功能是通过传感器采集加速踏板、制动踏板等数字/模拟信号，接收各个子系统电控单元ECU发送的数据信息，对接收到的数据信息进行解析，结合车辆运行时的信息进行诊断，并发出相应的指令[2]。随着汽车功能的日益强大，整车子系统电控单元增多，整车控制器应具备越来越多强大功能，此项目中整车控制器为EPCM（Electric Propulsion Control Module），EPCM具备两路通讯CAN，一路是EVCAN，在EVCAN上有变速箱、电池、车载充电机、空调和电机控制器ECU，另一路是底盘CAN，上面包含仿生喇叭、气囊、转向和刹车系统ECU，他们通过CAN总线实现通讯。此车辆中的网络拓扑如图1所示。

按照整个控制器的软件功能区分可分为底层软件（OS）和应用层软件（AP），底层软件负责模数转换、通信模块等功能驱动，整车控制器底层软件的功能模块包括数字输入输出（I/O），ADC模拟量输入输出等基本的输出资源，CAN通信模块，诊断模块，内存存储模块，各个功能模块的主要功能如下表所示：应用层使整车控制逻辑的核心，一个规范的应用层构架可以满足多样化开发，缩短开发周期，具有深远的意义。

2 应用层搭建研究

控制逻辑属于应用层软件，整车控制网络拓扑图中整车控制器EPCM有两路的CAN通讯，一路接收EV CAN其他ECU的信息，另一路接收底盘CAN ECU的信息。在逻辑层搭建中采用层级结构，本项目中归类为输入输出功能模块、处理转化模块、状态切换模块、算法处理模块。为了使各层级之间实现信息共享，每个模块输入输出全部选用BUS总线选择实现，对于底层服务层调用在MATLAB中通过编写的S-FUNCTION函数集成到Simulink库函数中，供应用层搭建策略调用时使用[4]，下面讲阐述在搭建整车策略中每个功能模块具体实现内容和实现方法。

2.1 外部输入输出功能模块

在此功能模块实现定义外部的硬线输入输出，外部CAN信号的接收和发送。在此功能部分使用针对此款控制器封装完成对应底层调用接口模块，并创建连接作为与外部信号通讯的部分。在一般控制器中应该具有K30、K15、K31、传感器供电端口、传感器模拟量接收端口、高边驱动和低边驱动端口。

2.2 处理转化模块

在处理转化模块中主要实现外部的信号统一处理，例如数字IO可以在此处理转化为enable和disenable，对于有多中状态的外部CAN信号转化为枚举量，方便在其他模块的调用。在此转化模块中对于传感器的信号，要实现信号值转化为响应处理值转化，并定义好信号边界值等参数。在控制器中主要有感器信号有油门踏板两路模拟量和刹车泵传感器的模拟量信号。在传感器信号的处理要考虑信号的相互校验，和实效等处理机制。

2.3 状态切换模块

在状态切换模块中主要负责与其他ECU的交互信息中，状态切换与仲裁，此功能中包含两大部分，一部是整车控制器本身状态的切换，例如上电状态机、下电状态机、充电状态机。另一部分是关于发生故障后的仲裁，例如其他ECU上报的错误信息，在此模块中要实现正确的信息的处理，并发送相应的信息到CAN车身网络上。

2.4 算法处理模块

算法处理模块主要负责的有扭矩管理、高压能量管理和低压能量管理，在扭矩管理中要整合BMS ECU、MCU等其他ECU的信息，综合考虑扭矩限制、充放电限制和能量回收限制等信息，发送正确扭矩请求给信号给MCU。高压能量管理需要综合整车的能量存储和消耗實现整车能量的分配，并上报续航里程，能量消耗等信息给仪表。在低压能量管理中要包含整车中所有低压能量分配功能，例如12V蓄电池的能量管理。

2.5 整车仿真模型

整车仿真模型包含除整车控制器（VCU）外的其他控制器的虚拟模型和整车虚拟模型，严格按照整车信号矩阵信号交互逻辑在Simulink搭建虚拟模型，其他ECU虚拟模型按照接收信号配置，并能够满足整车控制器的测试需求;此模型要保证一定通用性，可在Simulik搭建并能够运用到模型开发V流程硬件在环测试（HIL）中。

3 整车控制策略仿真

在整车控制器应用层软件开发中，完整的测试环境尤为重要，在此项目中为实现整体功能的完善性，建立整车被控对象和虚拟ECU可以实现软件快速开发，在它们之间建立连接，可以快速验证算法有效性。被控对象模型包含的整车静态负载和动态负载。虚拟的ECU应该包含所有整车控制器需要有交互信息的ECU。在仿真时模型的输入信号跟实车输入保持一致汇总如上表格。

3.1 整车上下电仿真

在创建的被控对象模型利用SignalBuilder仿真真实上电过程中油门踏板、启动按钮、切换档位的动作，在SCOUP中添加需要观测的信号值，仿真结束后，分析处理结果。在被控对象模型中需要建立其他ECU的虚拟模型，利用虚拟模型发送相应的信号查看整车控制器的信号是否符合预期结果，途中SysPwrMod意见启动按钮ECU发出的信号，LvlPos是电子换挡杆仿真位置，Brake为仿真真实踏板，在启动车辆时，踩刹车按下启动按键，观察EPCM应该发出的信号EVmode从Off变为Propulsion，既完成上电过程，如下图为仿真结果。

在下电过程中按下一键启动按键，通过测试记录，EVmode从Propulsion变为Off，既完成下电过程，从仿真结果可以看到整车控制策略中上下逻辑符合预期，整车控制器能顺利完成上电完成过程，满足车辆正常行驶的需求。

3.2 挡位状态机切换仿真

在上高压电完成后，就可以切换档位，仿真模拟车辆的正常行驶。在进入档位切换之前，需要确认TPL（Transmission Park Lock）模块的状态，档位切换应该满足设计需求，例如前进档到倒退档之间需要速度限制、油门踏板位置限制、车辆状态限制和故障限制。并且档位切换也应该满足车辆驾驶性需求，设置可标定量，用于车辆标定优化车辆驾驶性。例如在档位切换过程中可以标定的参数有D到R速度限制、R到D速度限制。图中SysPwrMod为一键启动仿真信号，PrkBtn为变速箱P档按钮，Accelerator为油门踏板仿真位置，Ve_e_DinSt为内部档位观测量，上图所示为车辆进入高压完成后，切换档位，测试条件限制的模拟测试工况。

3.3 驱动算法层验证仿真

在此部分中主要验证扭矩管理功能模块，在进行扭矩管理仿真中可以仿真扭矩值是否有异变，同时也可以观测扭矩算法层是否按照预期执行。在测试定速巡航功能可以预验证功能是否可行，车辆的纵向加速度是否过大等，在此仿真中先按下定速巡航按钮CrsCtrlOnOff，踩下油门踏板使车辆加速到一定速度，按下设置速度按钮CrsCtrlSetPlus此时已开启定速巡航功能，从仿真曲线Ve_v_VehSpdEm车速保持在设定值，目标设定值为蓝色曲线，从仿真结果可验证定速巡航功能设定符合功能需求。

4 结论

本文对整车控制策略进行了研究，在Simulink中的建模并利用虚拟整车模型和虚拟的ECU实现了策略的模型测试，根据需求设计文档在Simulink环境中测试了整车上下电、挡位状态切换、驱动算法层验证，仿真结果满足设计需求，利用仿真测试对整车策略研究优化对电动汽车整车策略具有深远意义。可在后期一定程度减少开发调试周期，缩短调试时间，在实际工程应用中具有相当的实用价值。

参考文献

[1] 黄万友，王广灿，富文军，李彦桦，张吉诚.于明进电动汽车整车控制器控制策略研究综述[J].内燃机与动力装置，2018，35（1）：35-37.

[2] 符兴锋，翟艳霞，肖莎，等.增程式纯电动汽车动力电池高压电安全管理[J].汽车技术，2014（10）：44 - 49.

[3] 孙忠潇.Simulink仿真及代码生成技术入门到精通[M].北京：北京航天航空大学出版社，2015.

[4]  熊宇舟，刘平，杨嘉陵.新的基于全自动代码模型设计的整车控制器软件开发方法[J].电子测量技术，2018，41（24）：127-133.

[5] 蔡潇扬，鲍宁，袁所贤.基于 Simulink 的电动客车整车控制器软件层设计[J].重庆理工大学学报，2018，32（6）：14-20.