燃料电池汽车整车控制器硬件在环实时仿真测试平台设计

硬件在环实时仿真测试平台软件设计

虚拟整车平台软件设计

虚拟整车平台基于Matlab/Simulink平台构建了燃料电池汽车仿真模型，该模型包括燃料电池发动机、DC-DC变换器、蓄电池、异步驱动电机及车辆负载。系统各部件模型一方面需考虑模型精度，另一方面必须满足实时性的要求。整个模型在Matlab/Simulink xPC Target实时仿真环境上运行。整车仿真模型通过PCI数据采集卡和PCI CAN卡实现与驾驶员和整车控制器的通讯。

虚拟司机平台软件设计

虚拟司机平台实现了可供驾驶员操作的虚拟驾驶环境。除了驾驶加速信号由测试人员通过踏板输入外，其余整车启停开关、燃料电池开关、电机转速表、车速表、水温报警等控制开关和仪表均由虚拟司机平台实现。整个模型基于Matlab/Simulink RTW Target 实时仿真环境实现，并利用Matlab Gauges工具箱实现了整车仪表显示和控制开关输入。Gauges是Matlab在Simulink中提供的一款用于显示监控数据的仪表开发工具，利用Gauges工具箱可以在Simulink模型中快速地开发出虚拟车用仪表系统。虚拟司机仿真模型同样通过PCI数据采集卡和PCI CAN卡实现与驾驶员和整车控制器的通讯。

实时性能分析

Matlab/Simulink为实时仿真提供了很好的软件环境。Real-Time Workshop代码自动生成工具可以将仿真模型编译生成实时C代码，并支持多种实时仿真目标环境，包括Matlab工具箱RTW Target、xPC Target以及第三方软件，如dSPACE等。本文选择了xPC Target和RTW Target来构建虚拟整车平台和虚拟司机平台。

整车虚拟平台承担再现真实燃料电池汽车运行的任务，是整个测试平台的核心部件。由于燃料电池汽车结构复杂、控制对象较多，为了真实再现整车运行情况，系统各部件模型除了需要满足精度要求外，还必须严格满足实时性的要求。整车虚拟平台采用的xPC Target实时仿真环境采用目标机和宿主机的结构，由Matlab生成的实时内核通过软驱或者USB闪存独立运行在目标机上，直接调用CPU资源。仿真模型通过宿主机编译生成实时代码后下载到目标机上运行，能够实现严格的系统实时仿真。

虚拟司机平台采用的RTW Target实时内核直接运行在Matlab/Simulink环境中，在同一台PC机上就能够迅速实现系统的实时仿真。其缺点是由于整个系统在Windows系统下运行，实时内核不能完全占有PC机操作系统资源，实时性受其他运行程序的影响。由于驾驶员模拟操作对实时性要求不高，因此选择RTW Target实时仿真环境能够满足这一要求。

实时仿真信号定义

虚拟整车平台、虚拟司机平台的信号定义如表1、表2所示，与目标燃料电池汽车完全保持一致。虚拟整车平台定义了燃料电池汽车各部件控制器CAN网络节点协议以及整车控制器制动信号输入和整车车速输出。虚拟司机平台系统信号包括各种驾驶员指令输出以及驾驶员面板显示信息输入，并定义了一个数据采集CAN节点。虚拟整车平台与虚拟司机平台除了车速信号、CAN网络信号的联系，其他所有信号均是与整车控制器交互。



实验分析

利用仿真测试平台可以对燃料电池整车控制器进行软硬件实时在环测试。将整车控制器通过信号调理装置与仿真测试平台按照实时仿真信号定义将相应接口信号连接起来，再分别运行虚拟整车平台和虚拟司机平台，即可用于测试。

该燃料电池汽车硬件在环实时仿真平台已经成功地应用于"十五"燃料电池城市客车电控单元的开发。在控制器上车前即可对整车控制器数字、模拟信号的电气特性、控制逻辑和算法、故障诊断功能等进行检验。配合快速原型开发工具dSPACE可以完整地实现快速原型开发整车控制器测试流程，如图3所示。

基于本仿真测试平台的试验除了待测整车控制器为实际车用控制器以外，所有的测试环境均为仿真测试平台虚拟真实环境得到，并且从控制器角度上看与整车真实环境完全一致，从而实现了低成本地、便捷地、快速地对整车控制器进行各种测试，不但提高了整车控制器的开发效率，也完善了整车控制器上车前的必要测试过程，降低了整车控制器进行实车试验的风险及成本。该平台具有通用性，可以根据需要进行不同的仿真测试，并不局限于整车控制器的开发，具有广泛的应用前景。

整车控制器经过仿真平台的反复测试后将进行实际的实车试验，而从试验中获得的各部件数据又为仿真模型的进一步精确化匹配标定提供了条件，从而使仿真平台更符合实际。