新能源车辆系统级仿真及算法验证

新能源车辆系统级仿真及算法验证

1. 挑战

随着国家在新能源汽车方面一系列政策出台与完善，国内整车厂以及零部件供应商围绕插电式混合动力、纯电动及非插电式混合动力汽车、节能内燃机汽车，逐步的构建各自的核心竞争力。新能源车辆的开发及设计，不仅吸收了传统车辆开发的关键技术，也融合了电力电子以及相应控制系统的技术。

新能源汽车与传统车辆对比，在结构上有较大不同，也就决定了其控制方式上也存在较大的区别，如下是对所涉及的关键技术以及技术难点总结。

1） 在整车设计前期，需要设计者考虑并回答如下的基本问题：

采用什么样的混合形式；动力源的总功率如何确定；约束条件是否合理；什么样的循环工况更加能够合理的评估整车性能；在该特定循环工况下如何对部件进行参数选型；如何评估动力性、油耗及排放；求解混合度的边界条件；

2） 在控制系统开发过程中，设计者需要考虑并回答如下的问题：

工作模式如何划分；动力源能量如何分配；什么样的控制策略才能兼顾燃油经济性、排放、动力性；如何实现工作区间的优化及高效控制；如何进行高效的再生制动能量回收；如何实现动态切换过程的协调控制；如何保证电池的寿命；如何电机控制的最优化；如何对电机、电池、发动机、电力电子进行有效的热管理；如何设计才能保证系统较好的EMC等。 另外，除了上述的关键技术以及技术难点之外，传统开发方式也存在很多的弊端：

整体设计阶段，无法在前期方便的实现对整车的参数匹配及控制策略进行验证；在硬件电路制造出来以前，对控制规律的控制特性或控制效果没有把握；手工编程，代码不可靠；不能快速验证设计方案，对控制方案的重新设计周期长。

2. 解决方案

由于传统的控制器开发模式存在很大的局限性，加之混合动力汽车动力系统本身的复杂性，决定了传统的开发方法不能够适应控制器的开发；因此就需要一套先进的开发流程，方便的解决新能源汽车所及的难点问题。

2.1. 功能设计

针对以上提出的挑战，按照基于模型的设计理念，在功能设计阶段需要完成前期的离线验证，因此搭建出客户目标设计车辆一致的虚拟原型车辆是非常关键的工作。

具体实施方案：控制算法的基本平台是汽车行业通用的Matlab/Simulink平台；在此基础上，整车动力学模型采用德国IPG公司的CarMaker，动力传动系统模型采用达索的面向对象的集成了多物理学科的系统建模和仿真工具Dymola；通过FMI接口技术，实现两个软件在M/S平台的无缝连接。

CarMaker提供了车辆动力学的仿真模型，包含人、车、路、环境四要素。模型包括：底盘、车轴、各个轴的转向、制动、传动系、发动机、变速箱和车轮。整车模型采用MESA VERDE 多体语言建模，可达19自由度+20约束的多体车辆模型。包含刚性车体、车轮和连有可变负载的车体。悬架可以被描述为非线性的动力学特性表格或者多体轴模型。

针对动力传动系统以及能源存储设备，恒润科技基于Dymola，根据客户对传动形式的要求，为客户完成二次开发。Dymola 是基于Modelica语言的，采用面向对象、建立在微分方程基础上建模工具。提供了覆盖所有变速箱类型的传动系统模型库；以及针对各类电机仿真的Smart Electric Drives（SED）电力电子库，该库提供可以模拟稳态、瞬态特性的多种电机模型，并将电机的控制在模型中进行了集成，此外该模型库还包括能源存储（蓄电池、超级电容、燃料电池）。

另外Dymola作为基于Modelica的先进应用平台，积极的参与针对联合仿真的国际标准FMI规范的制定。方便的实现Dymola与其他软件（如：M/S）的联合仿真。

借助FMI技术，可将IPG CarMaker在车辆动力学方面的优势与Dymola

在动力传动系

统的优势，集成与M/S平台上，完成虚拟车辆的搭建。

整车模型搭建完毕后，需要在具体的循环工况下仿真，以明确设计需求，指导后续的开发及测试工作。

2.2. 快速控制原型

在这个阶段不仅仅需要考虑传统车辆控制器系统（EMS、TCU、其他底盘控制器）的接口需求，还应该满足HCU、MCU、BMS验证所需的接口需求。前期快速控制器原型，在此阶段对整个控制系统进行多次的在线的试验来验证控制系统软件方案的可行性。为后续的硬件电路设计及代码生成提供基础。

恒润科技提供了基于AD5436组件系统的解决方案。AD5436拥有2个CPU，分别用于模型执行以及触摸显示屏幕处理。可保证最小仿真步长25us。可扩展7个I/O插槽。

AD5436组件系统有丰富的板卡资源，其中包括了：通用的IO接口（ADC/DIO/PWM等）；车载总线通信板卡（高/低速CAN接口；LIN、K、通用串行通信接口）；三相电机控制板卡；发动机控制板卡等专业的接口硬件。完全覆盖新能源汽车相关控制系统需求。

2.3. 控制器实现

要完成控制算法的快速验证以后，很重要的一步就是：将前期经过验证后控制算法，运行在目标硬件中，所涉及的主要需求有：自动代码生成，具有驱动能力和可装车性能的硬件平台。

恒润科技提供的ControlBase不仅可以用于传统车辆的发动机ECU、自动变速器TCU、的开发，同时也可适用于混合动力HCU、电动汽车VCUS等常用汽车电控系统控制器的小批量需求，支持台架试验和实车试验。

2.4. 部件及系统级测试

客户完成算法开发、代码生成及硬件设计后，需要对HCU及其他控制系统进行测试。区别于实车测试，可通过搭建硬件在回路测试系统对各控制器进行测试。

恒润科技提供的TestBase硬件在环测试系统主要有以下几个部分：

1） NI系统组件，包括硬件及驱动管理软件MAX、试验控制软件VeriStand、自动测

试软件TestStand、功能强大的数据后处理软件DIAdem等;

2） 实时模型：沿用功能设计阶段的模型；

3） 诊断标定系统，故障注入FIU模块，真实或者仿真负载，BOB，以及信号调理。 可让客户在实验室环境下对包括了HCU及其他控制器的逻辑功能测试、通信功能测试、系统诊断功能测试的全面的测试和验证。

2.5. 控制器的标定

产品ECU开发出来后，可通过参数在线、实时修改及标定，以达到对控制对象的最佳控制效果。基于CCP协议的CAN总线标定可简单易行完成这项工作。使用通用的标定工具通过CAN总线，能直接修改ECU内部参数，达到优化参数的目的。

3. 总结

新能源汽车是典型的跨机、电、液、控制等领域的多学科系统。在传统汽车技术基础上要达到对安全性、动力性，燃油经济性，排放，舒适性等的要求，需要考虑不同拓扑结构、混合度以及控制策略等复杂的设计问题。针对此，恒润科技提供了基于Matlab/Simulink、IPG CarMaker、Dymola、FMI技术、AND5435、ControlBase、TestBase等国际先进的工具的解决方案。虚拟车辆的搭建阶段，针对客户的需求设计不同拓扑结构的车辆；在控制算法开发前期，提供了专业的快速原型验证平台；在控制器的实现阶段，适用于小批量装车的控制器完全满足实车环境的要求；在测试阶段，根据HIL系统的原理以及新能源相关控制器的测试需求搭建部件及和系统级（VV）的测试系统；最后的标定阶段，可按照客户的标定需求提供对应的标定咨询服务。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/m8a1.html