一种新能源汽车整车控制器硬件在环测试系统的制作方法

本发明属于硬件在环测试系统领域，尤其是一种新能源汽车整车控制器硬件在环测试系统。

背景技术：

近年来，各大企业大力发展纯电动汽车，而整车控制器vcu作为纯电动汽车三大核心部件之一，是整车控制系统的核心，vcu技术在电动汽车发展中显得尤为重要。hil仿真技术是一种功能强大的测试方法，做为当前v字型开发流程不可或缺的验证手段，用于更加有效的测试嵌入式控制系统。在vcu开发过程中hil测试能够有效缩短开发周期、减小实车测试和标定的风险。目前广泛采用的dspace平台开发的硬件在环测试系统由于成本昂贵，难以普及。

技术实现要素：

基于此，本发明提出一种新能源汽车整车控制器硬件在环测试系统，采用的技术方案如下：

一种新能源汽车整车控制器硬件在环测试系统，包括上位机和测试机柜，测试机柜包括故障注入系统、可编程电源模块，主开关，空气开关，应急开关，电源显示灯和实时仿真系统，实时仿真系统运行测试模型，测试时测试模型接收的参数包括以表格形式存储的整车模型测试参数；由仿真软件传递的驾驶方式参数，表格中存储的测试参数包括整车参数，电机参数，电池参数，表格中电机参数中的电机转速与电机的扭矩一一对应，电池参数中的电池的soc与温度的关系、电池soc与放电电阻的关系、电池soc与充电电阻的关系一一对应，电机参数中map图的行数与电机map转速的行数一致，电机map图的列数与电机map转矩的行数一致。

进一步的，电机map图数据通过实验获得，当实验数据偏少，不能满足map图的行列数与电机map转速行数、电机map转矩行数相一致时，取近似取效率数据作为对应缺失的转速和转矩下的效率数据。

进一步的，所述实时仿真系统使用的板卡包括数字量输入输出板卡，模拟量输入输出板卡，双通道can卡，pwm信号输入输出板卡，可编程电阻板卡，板卡通过线束连接器连接vcu，双通道can卡用于整车can通讯与动力can通讯，数字量输入输出板卡用于模拟车辆的状态输入、档位输入，协调测试模型进行相应动作，模拟量输入输出板卡提供的模拟量包括加速踏板、制动踏板开度。

进一步的，测试机柜中的实时仿真系统基于ni-pxi平台搭建，机箱选用ni-pxie1078，使用的板卡和处理器包括：

pxie-8840rt：作为宿主机，能够加载并且实时运行整车模型，模拟整车运行环境；

pxi-8513：提供双can通道，分别用于整车can通讯与动力can通讯，而且能够通过配置相应的dbc文件来模拟can报文的发送和接受，实现自动解析，很好的与待测vcu的整车can和动力can两路can实现对接；

pxi-6528：提供24路的数字i/o输入输出，能够模拟vcu的数字量的输入，比如车辆的状态输入(acc、on、start)、档位的输入(d档、r档)以及其他输入。数字量的输入能够实时采集vcu的输出，检测整车其他零部件的状态并将其发送给模型进行相应动作；

pxie-6738：提供32路的模拟量输出，可用来模拟整车的加速踏板、制动踏板等模拟量的输入；

pxie-2722：主要为vcu提供电阻信号的输入；

pxi-6624：为vcu提供pwm信号的输入输出。

进一步的，实时仿真系统的软件部分基于niveristand搭建，创建模型在环测试环境，将测试模型导入到niveristand后，输入的参数包括引擎的执行方式、计算通道、对仿真模型的控制、报警，执行顺序，使用niveristandin和niveristandout替代测试模型中需要做映射的端口，创建hil测试环境时，通过定义can报文，将模型端口与板卡硬件端口一一映射。

进一步的，导入niveristand的测试模型包括：

电池模型，计算模型电池组soc，根据soc和开路电压，电池内阻的关系，查表获得电池开路电压和内阻，根据电机模型的需求功率，结合当前电池放电状态输出功率与电压给电机模型；

电机模型，以电池模型提供的输出电压和功率信息、vcu提供的目标转矩以及主减速器模型反馈回来的电机的实际转速为输入，计算并通过查表的方法输出转矩信息，并将其传递给主减速器模型；

主减速器模型，用于减速增矩，根据提供的传动比将输入的转矩、转速换算成实际的转速和转速；

车轮模型，根据转速和转矩信息，综合考虑整车相关参数、道路阻力等计算并输出车辆的实际车速；

电气附件模型，根据整车控制器的控制信息模拟各附件运行状态；

整车模型，用于基于车轮模型计算出的牵引力计算车辆末速度。

建立整车模型时，使用的运动方程包括：

计算末速度时，使用的公式为：

vt＝2*vaver-v0

进一步的，电池模型的电池芯采用一阶rc电池模型，等效数学模型为：

其中，uocv为开路电压，r0为欧姆内阻，rp为极化内阻，cp为极化电容，u为工作电压，i为负载电流，ip为通过极化内阻的电流。

进一步的，电机模型采用线性计算方法计算电机输出转矩，计算公式为：

ta_out＝tout*[-(tmotor-tinit)*0.005/30+1]

其中ta_out为电机输出转矩，tout为电机限制之前的转矩，tmotor为电机当前的温度，tinit为电机初始温度。

进一步的，主减速器模型用于计算减速增矩，该模型的输出包括转速和转矩，输出的转速＝电机输入转速/传动比，输出的转矩＝(电机输入转矩-主减速器角速度*转动惯量-转矩损耗)*传动比。当转速为0时，转矩损耗为也为0。

进一步的，电气附件模型用于接受整车控制器的指令模拟电气附件的工作状态，如充电机充电过程，水泵，风扇工作过程，并反馈状态信息给整车控制器。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：利用matlab/simulink建立的模型了适合新能源汽车测试的整车模型，利用美国国家仪器公司(ni)针对hil仿真测试系统开发出来的veristand软件，结合ni板卡，能够导入利用matlab/simulink建立的模型，很好的关联模型接口、i/o接口和物理通道，为hil测试系统提供了良好的软硬件环境。既满足了hil测试所需的功能，又有效降低了成本。

附图说明

图1是实时仿真系统结构示意图；

图2是测试机柜结构示意图；

图3是故障注入箱原理示意图；

图4是软件系统搭建流程图；

图5是整车模型结构示意图；

图6是上位机功能模块示意图；

图7是测试参数表格部分示意图。

具体实施方式

本实施例中的新能源汽车整车控制器硬件在环测试系统，主要包括两个部分，即测试模型的建立和测试系统的搭建。

其中测试时所需的整车模型模型使用simulink搭建，整车模型主要包括电池模型，电机模型，主减速器模型和车轮模型。

整车模型用于实现汽车纵向动力方程，求得汽车的实际车速，并对汽车车速进行限速，d档最高车速为120km/h，r档最高车速为30km/s。

整车模型的动力学方程为：

其中，

公式中ft为牵引力，fw为空气阻力，ff为滚动阻力，fi为坡道阻力，fj为加速度阻力，a为加速度，vt为t时刻的速度，v0为初始速度，vaver为平均车速，cd为空气阻力系数，a为迎风面积，f为滚动阻力系数，m为整车质量，通过上述公式可求得迭代步骤内的平均车速vaver，进而求得末速度vt，使用的公式为：

vt＝2*vaver-v0

电池模型用于电池开路电压计算，电池等效内阻计算，电池温度仿真。根据电机的需求功率实时计算电池总线电压及总线电流。电池模型中包含电池管理系统bms模型，进行整车高压上下电过程控制，充电过程管理，并根据can通信矩阵与整车控制器、电机控制器进行can信号交互。

其中电池芯采用一阶rc电池模型，等效数学模型为：

其中，uocv为开路电压，r0为欧姆内阻，rp为极化内阻，cp为极化电容，u为工作电压，i为负载电流，ip为通过极化内阻的电流。

进行模型建立时，涉及的模块包括：

开路电压及内阻计算模块，该模块用于得到电池在不同温度和soc下的开路电压和充放电内阻，其中开路电压的范围为255v～372v。

功率限制模块，用于计算电池电流功率的限制范围，该模块通过电池的最小工作电压确定最小功率，电池最大功率的计算公式为：

其中ess_min_volts为电池组的最低工作电压，rint为电池组的内阻。该模块还包括两个限制条件，当电池soc接近0时，如果继续要求电池放电，则将要求功率限制为0。当电池已经充满时，如果要求电流继续充电，也需将要求功率限制为0。

rc模块，用于计算电池组的工作电压和工作电流，工作电压由电池芯模型的数学公式结合该模块接收的开路电压voc，电池芯内阻rint和单路电流ipre三个参数确定，工作电流的计算公式为：

soc计算模块，用于计算电池的剩余电量，该模型使用安时法估计电流的soc。如果当前soc小于最小的工作soc时，仿真停止。

电池热学模块，用于计算电池的温度和电池的功率损失，计算电池组温度的公式为：

其中pbattery为电池的放电功率，pcase为电池包内的热量。

电机模型用于接收整车控制器的目标转矩需求，进行电机扭矩输出计算，根据电机转速、扭矩计算当前电机电功率。同时电机模型中包含电机控制器mcu模型，能够响应来自整车控制器的扭矩、转速请求，并根据can通信矩阵与整车控制器，电池管理系统进行can信号交互。

建立该模型时，涉及的模块包括：

电机转子惯性转矩计算模块，该模块用于将输入的电机限制转速进行微分得到转子角加速度，然后与转动惯量相乘可得转子的惯性转矩。

电机限制转矩计算模块，该模块结合输入电机限制转速，通过一维数表线性插值取得电机最大转矩。通过与电机需求转矩比较大小，从而限制其最大的输出转矩。当电机正转时，取二者的最小值；当电机反转时，取二者的最大值。

转矩计算模块，该模块通过电机的限制转矩与接收的需求功率计算单位功率的需求转矩，单位功率的需求转矩为电机的限制转矩与需求功率的比值。

电机控制器模块，用于防止电机电流过载以及在汽车停止行驶时或变速箱换挡时关闭电机。最大功率需求pmax由最大电流mc_max_crrnt和电池输出电压相乘而得到。这一乘积限定了最大功率需求的绝对值：电机不会向电池提出更多的功率需求，也不会向总线提供更多的功率。当电机转速近乎为零时，电机需求功率输出为零。当电机需求功率为正即产生牵引力时，最终电机需求功率为preq与pmax二者的最小值；当电机需求功率为负即产生制动力时，最终电机需求功率为|preq|与pmax二者最小值的相反数。

转子有效转矩计算模块，用于计算电机的输出转矩。当电机需求功率preq为0时，电机的有效转矩为0，当电机需求功率不为0时，电机的有效转矩为电池输入功率与单位功率的需求转矩的乘积，该值减去转子惯性转矩即为电机的输出转矩。

电机转矩限制输出模块，该模型以电机温度为参考标准，采用线性计算方法计算电机输出转矩，计算公式为：

ta_out＝tout*[-(tmotor-tinit)*0.005/30+1]

其中ta_out为电机输出转矩，tout为电机限制之前的转矩，tmotor为电机当前的温度，tinit为电机初始温度。

电机热学模块，用于计算电池充电和放电时的温度。在实车运行时，车辆控制器根据风扇开启设定温度和当前电池的温度判断是否开启风扇散热装置，在不同的风扇状态下，空气的流通速度是不一样的。在模型中，只要电池温度大于设定温度，就会开启风扇进行散热，电池温度的计算公式为：

其中，

pcase＝tair-t/λ

pbattery＝i²r

式中pbattey为电池功率，pcase为电池包内的热量，tair为电池箱内空气温度，λ为总导热系数，d为电池模组箱厚度，s为电池模组与空气的接触面积。

主减速器模型用于计算减速增矩，该模型的输出包括转速和转矩，输出的转速＝电机输入转速/传动比，输出的转矩＝(电机输入转矩-主减速器角速度*转动惯量-转矩损耗)*传动比。当转速为0时，转矩损耗为也为0。

车轮模型主要用于计算牵引力，采用的计算公式为：

牵引力＝前轮牵引力-后轴制动力-前轴制动力

其中，

前轮牵引力＝(主减速器输入转矩*传动系数-拖拽转矩损失-加速惯性转矩)/车轮半径；

前轴制动力＝所需的摩擦制动力*(前轮摩擦制动系数/(1-前轮再生制动系数))，当再生制动系数(驱动链制动系数)等于1时，规定前轮制动力占所需摩擦制动力的60％；

后轴制动力＝整车制动力-整车制动力*前轮再生制动系数-前轮摩擦制动力；

公式中涉及的前轮摩擦制动系数、前轮再生制动系数、拖曳转矩损失、通过查一维数表确定。

此外整车模型还包括驾驶员模型和电气附件模型。

驾驶员模型用于控制目标车辆纵向速度，主要输出应包括加速踏板开度、制动踏板开度、离合器开度、目标挡位等。驾驶员模型可以实现以下两种驾驶模式：

手动驾驶模式：所有控制信号输出通过手动模式设定，在线测试时，可通过监控界面上的控件设定加速踏板或制动踏板的开度。

自动驾驶模式：此模式下测试者可以指定目标车速曲线，自动驾驶模块将根据实际车速和目标车速的偏差实时调整加速踏板和制动踏板的开度。

电气附件模型用于接受整车控制器的指令模拟电气附件的工作状态，如充电机充电过程，水泵，风扇工作过程，并反馈状态信息给整车控制器。

本实施例中，测试包括正常模式，nedc模式和40km/h模式三种运行模式。

nedc模式采用nedc循环工况模型，该模型包括三部分，循环工况目标转矩计算模块、电机模型和电池模型，其中电机模型和电池模型同普通模式中模型是一样的。

40km/h模式采用40km/h匀速工况模型，该模型与nedc循环工况模型相似，循环工况目标转矩计算模块不计算加速阻力。

如图5所示，电机模型接收电池模型的输出电压和可提供功率、由目标转矩模块输出的电机目标转矩，以及由主减速器模型反馈的电机转速；电机模型的输出包括向主减速器模型发送的电机输入转矩和转速、向电池模型返回电机的需求功率。车轮模型计算处牵引力后，整车模型利用牵引力计算出最终的车速。其中目标转矩的计算方法为，由电机的外特性及部分特性曲线的数据，通过查表的方法，得到当前电机转速下电机可达到的最大电机转矩。所需的电机目标转矩除以最大电机转矩的值就是油门踏板的开度，把这个踏板开度值转换成相应的电压值，并输入给控制器，控制器就会输出相应的目标转矩。

如图1和图2所示，本实施例中的测试系统的实体为测试机柜，测试机柜中的实时仿真系统基于ni-pxi平台搭建，机箱选用ni-pxie1078，使用的板卡和处理器包括：

pxie-8840rt：作为宿主机，能够加载并且实时运行整车模型，模拟整车运行环境；

pxi-8513：提供双can通道，分别用于整车can通讯与动力can通讯，而且能够通过配置相应的dbc文件来模拟can报文的发送和接受，实现自动解析，很好的与待测vcu的整车can和动力can两路can实现对接；

pxi-6528：提供24路的数字i/o输入输出，能够模拟vcu的数字量的输入，比如车辆的状态输入(acc、on、start)、档位的输入(d档、r档)以及其他输入。数字量的输入能够实时采集vcu的输出，检测整车其他零部件的状态并将其发送给模型进行相应动作；

pxie-6738：提供32路的模拟量输出，可用来模拟整车的加速踏板、制动踏板等模拟量的输入；

pxie-2722：主要为vcu提供电阻信号的输入；

pxi-6624：为vcu提供pwm信号的输入输出。

本实施例中，待测设备为电动车vcu，通过线束连接器将vcu和实时仿真系统连接在一起，通过测试机柜中的可编程电源模块为vcu供电。

本实施例中，实时仿真系统还包括故障注入系统，基于ni-pxi平台的纯电动汽车整车控制器硬件在环测试系统的故障注入系统主要用来模拟行车时发生相应的硬件电路故障，观察vcu在故障状态下的工作状态，从而对vcu的故障应对策略进行验证。故障注入系统主要采用的是故障注入箱，主要可以实现对电源短路、对地短路、信号的开路。故障注入箱连接在ni板卡和待测vcu的管脚之间，可实现对指定管脚的故障注入。对于所有类型的故障注入，都可以由该上位机测试界面来实现故障的注入和取消，也可以对信号通道故障的不同组合同时进行测试。同时具有容错机制，避免由于误操作，对某些不能进行故障注入的管脚进行故障注入，而造成vcu的损坏。

本实施例中，测试系统的软件部分基于niveristand搭建，创建软件测试环境的步骤包括：

步骤1：创建模型在环(mil)测试环境，将模型导入到niveristand，并输入测试所需的参数，包括niveristand引擎的执行方式、计算通道、对仿真模型的控制、报警，执行顺序等各种属性，同时在workspace中添加控件，控制和观察模型的行为；将模型中需要做映射的端口，用相应的niveristandin和niveristandout替代。

步骤2：创建测试激励信号，使用niveristand软件中的stimulusprofileeditor创建测试激励信号，设置信号参数及变化趋势，用于自动化测试。

步骤3：创建hil测试系统，在niveristand中添加nidaq设备，加载xnet数据库文件定义can报文，将模型端口与板卡硬件端口一一映射。

进行测试时，将预先设定的测试参数以表格的形式存储起来，其中的参数主要包括整车参数，电机参数，电池参数等。表格中电机参数中的电机转速与电机的扭矩一一对应，电池参数中的电池的soc与温度的关系、电池soc与放电电阻的关系、电池soc与充电电阻的关系一一对应，电机参数中map图的行数与电机map转速的行数一致，电机map图的列数与电机map转矩的行数一致。电机map图数据通过实验获得，当实验数据偏少，不能满足map图的行列数与电机map转速行数、电机map转矩行数相一致时，取近似效率数据作为对应缺失的转速和转矩下的效率数据。

测试时将表格中的参数传入整车模型中，整车模型接收的参数还包括由niveristand传送的整车驾驶方式、测试模型选择情况和soc参数，具体为acc档、on档、start操作时序，油门踏板开度，目标转矩值，初始soc值，停止仿真soc值，电池的初始温度，电机的初始温度，d档，r档，充放电情况，正常模式、nedc工况、40km/h匀速工况选择情况。

整车模型向niveristand输出的参数包括模型输出的参数有：正常模式下的加速度、电池可提供功率、电机输出转矩、电机转速、总线电压、总线电流、电池的soc值、电池温度、2.5soc、电机温度、电池soh、续驶里程、电池风扇、电机风扇、充电状态、总里程和车速。

测试过程中通过pc机上的测试界面，模拟车辆的启动、停止和运行，输出车辆的各种状态信息，进行故障注入测试，工况模拟仿真，模拟车辆在不同路况下的运行状态。根据测试用例测试后生成测试报告。

以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。