氫燃料電池電動卡車VCU 硬件在環測試系統設計與研究

沈 凱， 劉衛東， 吳方義， 王愛春， 黃少堂

（江鈴汽車股份有限公司， 江西 南昌 330001）

據EV Sales數據顯示， 2021上半年國內新能源汽車銷量大增， 銷量高達100.7萬輛， 銷量已基本追平2020一整年銷量。 在最新的 《新能源汽車生產企業及產品準入管理規定》 中明確指出， 新能源汽車OEM需具備整車核心部件VCU的設計開發、 測試驗證能力， 其中VCU 的硬件在環（Hardware in the Loop， HIL） 測試為必要準入條件之一。

在VCU開發過程中， HIL測試可以在實車測試前有效驗證VCU的軟硬件， 可以縮短周期、 提高VCU開發效率。 氫燃料電池電動卡車VCU硬件在環測試系統是根據整車動力結構和氫燃料系統來搭建車輛模型， 通過VCU的功能規范來設計測試用例和測試序列， 該測試系統可以全面有效地驗證VCU的功能性和穩定性。

1 VCU硬件在環測試系統開發

1.1 測試系統架構介紹

氫燃料電池電動卡車VCU硬件在環測試系統主要包含以下3部分。

1） 硬件系統。 dSPACE自動測試機柜， 提供實時控制器閉環控制系統。

2） 軟件系統。 上位機軟件 （ControlDesk） 和測試序列編輯軟件 （AutomationDesk）。

3） 氫燃料電池電動整車仿真模型。 基于Matlab／Simulink軟件， 搭建了VCU_IO模型和VCU_MDL車輛模型，提供了實時控制器軟件、 通信數據庫和車輛動力控制模型。

如圖1所示， 將VCU與dSPACE臺架用匹配的線束連接，并根據VCU的接口原理圖進行配置； 并由上位機來模擬駕駛員指令和車輛運行信息， 經過硬件系統調制成電信號和CAN信號輸入給VCU， 通過監測VCU狀態位和功能使能位來驗證VCU的功能。 通過硬件在環測試系統， 可以實現“人-車-環境” 的閉環仿真， 達到裝車前實車測試的目的。

圖1 硬件在環測試系統架構

1.2 硬件系統開發

實時硬件系統是HIL仿真測試的核心技術， 通過IO板卡、 處理器、 信號調理器板卡等關鍵部件， 可以實現CAN/LIN信號和電信號的實時監測和輸出。

硬件系統需依據控制器的硬件接口原理圖，選擇dSPACE機柜電源型號， 整理所有I/O端口信息， 并選擇各I/O板卡、故障板卡、 電流采集板卡等的型號及數量。 考慮各信號類型的冗余分析， 建立信號冗余、 板卡配置清單 （表1）。

表1 板卡清單

1.3 軟件系統開發

軟件系統包括兩款dSPACE軟件： 上位機軟件和測試序列編輯軟件。

1） 上位機軟件 （ControlDesk）

ControlDesk軟件通過導入模型數據庫SDF文件， 可以對通信協議中虛擬節點的TX/RX CAN報文進行實時模擬和監測； 并可以通過圖片、 控件、 文字等可視化圖片形式進行顯示， 如圖2上位機面板所示， 可以實現硬件在環測試數據的監測和控制。

圖2 VCU_HIL上位機主控制界面

2） 測試序列編輯軟件 （AutomationDesk）

AutomationDesk是一款強大的測試編寫和自動化工具，可以根據通信協議建立數據庫， 調用內部控件、 搭建自動測試序列， 并編寫Python語言對測試結果進行自動化驗證，如圖3所示。

圖3 VCU_HIL自動測試序列控制界面

1.4 整車仿真模型開發

基于Matlab／Simulink開發的新能源汽車硬件在環仿真測試模型， 主要由IO模型和車輛模型組成。 其中車輛模型根據新能源汽車的不同構造進行開發， 本系統以氫燃料電池車輛為例， 主要由電機、 氫燃料電池、 變速器、 車輛動力學等模型組成。

1.4.1 IO模型

VCU_IO模型主要分為3部分： IO接口、 CAN總線BUS模型、 電源ControlPanel模塊， 如圖4所示。

圖4 IO模型

IO模型的開發是基于VCU各PIN腳的定義來實現接口配置的。 通過對板卡、 通道接口進行配置， 可以精確控制實時仿真器硬件的輸入輸出； 同時在RTICANMM模塊中導入DBC， 定義好TX/RX Signal， 來實現臺架總線通信的配置。

1.4.2 電機模型

基于硬件在環測試的電機模型主要包含兩部分： 扭矩/轉速計算模型、 功率計算模型。 VCU通過扭矩模式來控制電機的輸出， 電機扭矩等于VCU的請求扭矩。 電機轉速計算公式為：

式 中： n——轉 速； V——車 速； r——輪 胎 半 徑；i——變速器傳動比； i——主減速比。

由公式 （2） 可以算出電機轉速。

電機功率計算公式為：

式中： P——電機功率； T——電機扭矩； n——轉速；η——電機效率。 由公式 （3） 可以算出電機輸出功率。

1.4.3 變速器模型

變速器模型可以模擬真實TCU模塊， 實現整車虛擬仿真環境中擋位的解析和控制， 如圖5所示。

圖5 變速器模型

變速器模型通過接收SCU換擋桿位置、 車速、 加速踏板開度、 VCU換擋指令和驅動扭矩來計算實際擋位和換擋時間， 并模擬發送當前TCU擋位、 換擋扭矩和換擋請求給VCU； VCU通過當前實際擋位來進行扭矩控制。

1.4.4 氫燃料電池模型

此模型可以模擬氫燃料電池控制模塊 （FCU） 的啟動和輸出功率的功能， 如圖6所示。

圖6 氫燃料電池模型

當整車處于高壓模式、 SOC小于80%、 混動模式開關值為1、 燃料電池以及DCF系統無故障、 動力電池持續充電功率大于6kW， VCU發出燃料電池開機指令 （FCU_START=1）， FCU開始運行并輸出功率， 輸出的功率跟隨VCU請求功率的變化而變化。 氫燃料電池模型內包含反應堆模型，通過VCU的請求功率計算所需H壓強、 O壓強、 瞬態電壓電流； 通過匹配車上氫燃料反應堆實際效率和標定參數，計算出反應堆模型輸出功率。

當條件不滿足時， VCU發來停機指令 （FCU_START=0）， FCU不運行且輸出功率一直為0kW。 基于以上氫燃料電池FCU功率輸出的模擬， 可以驗證VCU對氫燃料電池功率輸出的可靠性。

1.4.5 車輛動力學模型

車輛動力學模型可以模擬整車系統的動力學， 通過配置Matlab中的整車參數、 道路附著系數、 空氣阻力參數，可以實現驅動力、 驅動助力、 制動阻力的計算； 并根據油門踏板行程和制動踏板行程， 模擬計算出相應的車輪端驅動力矩和實時車速， 實現整車動力的閉環控制。

汽車行駛的驅動方程為：

式中： F——汽車驅動力； F——汽車滾 動 阻 力；F——空氣阻力； F——加速阻力； F——坡道阻力。

由公式 （4） 可以算出汽車驅動力。

汽車行駛速度為：

式中： a——整車加速度； M——整車質量； V——車速； t——時間。 由公式 （6） 可以算出整車車速。

2 VCU硬件在環測試驗證

開發完成VCU硬件在環測試系統后， 將真實整車控制器接入臺架中， 對測試系統進行激勵、 開環、 閉環測試，完成驗收， 保證測試系統的可靠性。

2.1 IO接口驗證

首先編譯通過Simulink中的模型， 并可以生成sdf文件；再打開ControlDesk軟件和AutomationDesk軟件， 將該數據庫sdf 文 件 導 入 到 軟 件 中 （注： 先 導 入ControlDesk， 再 按 照ControlDesk中的sdf文件路徑導入到AutomationDesk中， 保持sdf文件路徑一致）； 然后進行板卡注冊， 并進行Go Online操作， 通過操作關聯的電源控件對機柜電源進行驗證； 用萬用表對相應的IO接口進行測量， 保證能夠實現閉環控制，如圖7所示。

圖7 IO接口驗證

通過對上位機面板控件進行控制， 可以實現IO接口觀測量的改變， 符合模型設計要求。

2.2 CAN通信驗證

檢查Bus Navigator窗口中的節點個數是否與DBC定義一致， 通過對模擬節點報文進行賦值， 并通過CANoe工具對臺架總線進行監測， 確認所有模擬節點發送數據完整性、正確性。 如圖8所示。

通過CAN通信驗證， 所有報文的ID、 字節長度、 信號值均與模擬值一致， 符合通信設定， 滿足設計要求。

2.3 VCU功能驗證

根據VCU高壓上下電功能規范描述， 編輯VCU硬件在環測試用例， 根據測試用例在AutomationDesk軟件編輯自動測試序列； 將高壓上電條件寫入測試序列中， 并運行序列，對高壓上電結果進行檢查， 自動生成測試結果。

高壓上電測試結果如圖9 所示， 當鑰匙擰到2（Start） 狀態， 整車進行高壓上電，高壓狀態為4（HV_Mode）， 滿足VCU功能規范，硬件在環測試系統滿足設計要求。

圖9 高壓上電驗證

根據VCU 扭矩管理功能規范描 述， 對D 擋 蠕行工況進行測試驗證， 測試結果如圖10所示。

圖10 D擋蠕行驗證

當整車動力Ready 后， 掛 入D擋， 不踩制動踏板， 車輛進入蠕行工況， 車速將穩定在蠕行車速7km/h， 符合VCU功能規范， 硬件在環測試系統滿足設計要求。

通過了IO接口、 CAN通信、 VCU功能的驗證， 整個氫燃料電池卡車VCU硬件在環測試系統運行穩定可靠， 可以實現VCU全功能測試， 符合設計要求。

3 總結

本文為新能源整車控制器設計開發了一套硬件在環測試系統， 該系統利用MATLAB/Simulink軟件搭建了電池、 電機、整車動力學模型， 基于dSPACE軟件建立了半實物半虛擬節點仿真測試環境， 已在多個新能源HIL測試項目中投入使用。HIL測試系統的全面性和復用性， 可以有效縮短VCU的研發周期， 提高開發效率， 降低研發成本， 優化VCU的開發流程。