基于Simulink的纯电动汽车整车控制系统设计研究

来源:用户上传      作者:李浩

　　摘要：为解决纯电动汽车整车控制系统开发时间长及运行不稳定的问题，基于Simulink开发了一种新系统并通过搭建整车模型分析了整车控制策略。该系统底层硬件使用以HCS12处理器为核心的ECMV2控制器，利用CodeWarrior提供的界面以及程序库建立软件工程，并通过资源配置，封装成图形化模块，基于同平台的车辆模型、测试软件算法，验证了整车控制系统的控制策略。随后利用实车测试验证得知，此系统控制器灵敏程度理想，短时间内电池电压不降低，电机响应及时，扭矩峰值的时间差达到一秒，加速和运行较为稳定。与传统开发形式相比，显著缩短了开发时长，控制器也更加稳定、安全。
　　关键词：Simulink纯电动汽车车辆模型可配置控制器软件平台
　　中图分类号：U469.72文献标识码：A文章编号：1672-3791（2022）08（b）-0000-00
　　为有效处理能源及环保问题，现如今很多研究机构和汽车厂家都比较侧重电动汽车在的研发投入。在城市交通中，纯电动汽车不仅可满足环保的要求，还具有噪声小、零排放等诸多优势，因而占有重要地位。纯电动汽车的性能受控制系统的影响较大，以车辆的驱动控制为例，信息的收集处理、逻辑运算以及执行器的控制都需整车控制系统的参与，扮演着大脑核心的角色。但目前的整车控制系统存在着稳定可靠性不足、开发耗时、不易调试等问题，导致其开发时所表现出的适用性不是很理想。基于此，在Simulink中设计了一款整车控制系统，依托HCS12处理器为内核的硬件控制器和C语言开发的软件程序，在同一平台中建立车辆有关模型并验证软件和控制算法的有效性;此后，将系统与实车连接开展测试，通过CAN通信网络掌握相关的标志位，进而获取车辆的具体情况，验证控制策略。这种系统开发模式，缩短了开发时间，控制器灵敏度高、响应速度快、运行平稳。
　　1整车控制系统结构
　　开发的整车控制系统包括整车控制器（具有CAN分析功能）、上位机（识别并且分析CAN信息、整车标定等）以及板卡等结构。实验平台附带整车控制器，能够开展实车试验以及相关参数的验证。控制器内含标定软件，利用该标定软件，可在获取车辆信号的同时，实现对相应参数的修改;控制器还具备文件导入的功能，能够有效解析CAN信息[1]。在Simulink平台中构建有车辆的相关模型，借助整车控制系统，能够开展整车控制、标定，还可以通过收集、输送以及分析CAN信息进行实车测试，逻辑框图见图1。
　　2ECMV2控制器
　　硬件选择ECMV2控制器，它属于一种可配置控制器，ECU是飞思卡尔16位HCS12系列单片机MC9S12XEP100，全部IO口拥有高防护功能，短时间内可实现对功率输出的关断;当处于设备恶劣的工况条件下，也有着较好的适应性[2]。稳定性好，在-40℃～105℃的环境温度下都可以正常工作;防护级别为IP67，可以较好地实现防水和防振动;该控制器接口资源充足，外围预留有1个RS485通信接口、1个LIN总线通信接口、2个RS232串行通信接口以及2个CAN总线通信接口;有16路可配置的模拟量输入通道，其中5V以及32V模拟量输入各有8路;14路数字量输入通道，高端和低端功率输出通道都是4路，时间以及电流检测通道也都是4路。还附带有故障诊断功能，能够准确定位多种故障。ECMV2处理器的开发环境可提供驱动程序库，支持使用Simulink中的模型进行开发，能够与Simulink无缝对接，也能够支持CCP协议，因此将Simulink当作开发平台，利用RTW编译环境生成代码进行系统模型搭建和测试。
　　3系统软件平台
　　系统软件利用CodeWarriorIDEforHCS12作为开发环境，进行程序的编码和编译。控制器底层的驱动程序用C语言编程，CodeWarriorIDE提供有相应的lib文件和函数头文件。使用者可通过创建软件工程或打开光盘之中的工程模板，实现对代码的编写。通过Simulink平台对控制器IO资源进行封装处理，利用开发环境中的驱动程序库进行配置，进而形成图形化模块，见图2。整车控制系统模块的全部参数，都能够在方块图里体现和调整[3]。通过图形化方块图，能操控上位机CAN分析软件，查看PC卡（上位机）上的信息流以及日志文件，观察和分析多个CAN通道的信息传输。利用软件的可编程功能，分析发现并处理故障。
　　4车辆各模型的构建
　　4.1加速踏板模拟量收集与换算模型
　　加速踏板处传感器的电路电压为5V（源于电机电控系统），它运行时输出电压如图3所示。踏板同电机电刷连接，转轴和变阻器相连，在踩下踏板之后，位置的改变会引起变阻器阻值的改变，电刷电压也会改变，电控单元（ECU）对出现改变的电压进行转换处理，便形成了位置信号。为更好诊断及避免干扰，采用双传感器形式，实施冗余设置。为有效辨别，将输出电压设成两倍，传感器由0%～100%开度范围内，踏板1信号电压需要介于0.7～4.4V，踏板2信号电压需要介于0.37～2.2V。整控制系统选择快速原型机，借助于通道0收集传感器的模拟量数据，通过计算获取当下开度百分比。
　　4.2档位和刹车采集模型
　　结合档位电路图以及具体测量，获取相应的真实值，详见表1。按照表中的信息，可以建立档位与刹车采集模型[4]。对于刹车来讲，它实际上属于数字量，仅存在两个状态，也就是0V以及12V，因此无论选择数字量输入还是模拟量输入，都是可行的。在整车控制系统之中选用模拟量32V输入，结合同预设数值的比较，在超过的情况下就输出布尔量1，接着赋予数值至标签，以便于进行调用。

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