基于硬件在环仿真系统的整车经济性仿真

李特定

摘 要：硬件在环仿真系统已经成为发动机控制器开发过程中非常重要的工具和平台，对于提高控制器开发效率发挥着重要的作用。分析某发动机硬件在环仿真台架结构及如何使用仿真台架进行整车发动机经济性仿真计算，并通过实例体现硬件在环仿真系统在汽车整车经济性仿真的应用及相比传统实体台架的优势。

关键词：硬件在环仿真（Hardware in-the-loop simulation）HILs 实时系统 ECU

Economic Simulation of Vehicle Based on Hardware-in-the-Loop Simulation System

Li Teding

Abstract：The hardware-in-the-loop simulation system has become an important tool and platform in the development of engine controllers， and it plays an important role in improving the efficiency of controller development. The article analyzes the structure of a hardware-in-the-loop simulation bench for an engine and how to use the simulation bench to calculate the economics of the entire vehicle engine and demonstrate the application of the hardware-in-the-loop simulation system in the simulation of vehicle economy and the advantages compared with traditional physical benches through examples.

Key words：hardware in-the-loop simulation HILs， real-time system， ECU

1 硬件在环仿真系统简介

汽车发动机控制技术飞速发展，电控单元ECU软件功能日趋复杂，集成度不断提高，传统的测试台架不能在产品制造之前完成对ECU的综合测试，而硬件在环仿真系统可满足此类测试需求，通过在虚拟环境里对被测发动机及车辆进行建模仿真，与ECU组成闭环测试环境，实现ECU的功能测试，无需真实的汽车及发动机，模拟发动机及汽车极限工况测试。

通过Simulink对发动机、传感器、执行器及车辆进行建模，编译成动态链接库（DLL）文件，与实时仿真硬件处理器和仿真信号板卡，组成完整的硬件在环仿真系统。

在构建台架前，需要明确被测对象、测试内容及预期目标。收集发动机万有特性曲线图、车辆特征参数、传感器特性参数、待测硬件控制器及关键执行器。

2 硬件在环仿真系统设计

硬件在环仿真系统设计包含硬件和软件设计，硬件设计包括硬件选型、匹配等，软件设计包括被控对象模型设计及上位机控制界面设计。

2.1 硬件系统设计

本文使用NI品牌的硬件，主要包括： PXIe-8135RT实时处理器;I/O板卡（模拟量输入输出，数字量输入输出，PWM输入输出），FPGA板卡（轮速/转速信号模拟、喷油点火信号采集）。真实硬件主要是各种执行机构：喷油器、高压油泵、节气门、点火线圈、继电器等。

在被测ECU和实时硬件板卡之间增加信号调理和故障注入板卡、负载模拟模块等，整个系统的信号定义及连接端口通过信号列表设计，将ECU真实物理接口和仿真模型之间的IO接口逐个匹配并完成物理连接。

2.2 软件系统设计

本文硬件在环仿真系统主要使用软件Veristand和Matlab&simulink，完成上位机控制界面设计和模型设计。四缸涡轮增压汽油发动机Simulink模型基于Tesis enDyna商业模型搭建，模型需要的参数通过实际台架确定或供应商提供的技术参数。包括发动机基础特征数据（缸数、进气类型、缸径、冲程、压缩比、连杆比、压缩比）、万有特性数据以及节气门特性、冷却系统和排气系统特性、曲轴凸轮轴相位、传感器（氧传感器等）特性。通过enDyna模型提供的试验数据预处理接口及模型参数化工具对发动机建模。

2.3 硬件在环仿真系统调试

系统集成调试主要包括激励测试、开环测试及闭环调试。激励测试和开环测试主要是确定ECU可以正确接收仿真系统生成的模拟信号，仿真系统可以正确响应ECU的控制信号，ECU与仿真系统信号正确交互。闭环调试是确认ECU可以在仿真系统中正常运行，各项功能正常执行，发动机油路、气路、扭矩调试，通过测功机模式按照發动机的万有特性表逐项调试，将测试结果与实际试验数据比对，确保台架模拟出的所有的扭矩、点火效率、充气效率等数据与真实数据误差满足要求，调试过程中使用INCA软件监控ECU在线调试，排除ECU故障及更改ECU软件标定，实现不同版本软件标定数据的测试。

2.3.1 发动机万有特性曲线绘制

发动机万有特性曲线数据来源于实际台架试验，反映待测发动机性能，采集到的数据需要进行可视化处理。整合外特性试验数据负荷特性试验数据（截取等节气门开度燃油消耗曲线）：

a.Matlab一维插值函数Interp1（），用插补效果较好的spline（样条型）插值：T_N=interp1（n，T，n0，'spline'）。

b.公式Pe=Ttq*n/9550，建立等功率模型曲线数据，使用三维绘图Mesh（X，Y，Z）函数，绘制等燃油和等功率曲线。

c.调用Matlab函数Contour（n，Ttq，Pe，V）绘制等高线，增加发动机外特性曲线，如图1。

3 硬件在环仿真系统测试

硬件在环仿真系统可验证ECU控制算法、ECU标定、诊断功能测试及经济性验证等。将测试过程从汽车的真实试验过程中分离出来，模拟被控车辆的各种工况及复杂的故障模式，快速重现故障。

整车经济性验证时，可根据试验条件快速调整模型参数，通过更改软件模型来模拟硬件的变更，在样件制造之前提供仿真数据作为产品设计的参考。如车辆寒区/热区启动测试，对发动机热传递模型进行精确建模，模拟环境及发动机温度变化，实现常温下进行部分热区/寒区试验。发动机冷启动测试静置等待时间长，通过硬件在环仿真台架，随时通过软件设置试验起始条件，快速反复进行测试，为企业节省可观的试验成本。

4 某车型发动机及整车Simulink模型

4.1 發动机及整车模型

发动机仿真模型主要包括两部分：发动机模型开发，用于模拟真实的电控单元ECU，燃油喷射系统、进排气系统、燃烧模拟系统、传动系统、TCU及冷却系统等;I/O模型开发，将ECU的输入输出信号与模型精确匹配，确保机柜与ECU接口正确连接。

使用上位机软件进行系统定义时，同步开发人机交互界面Workspace，方便各项数据的监控和参数实时修改。

4.2 燃油消耗计算模型

整车经济性仿真分析，即通过模拟测试工况，实时采集发动机真实喷油量，经过计算得到累积油耗，如图2。

a.通过Workspace启动MVEG工况循环，同步触发速度和喷油量积分，计算行驶距离和燃油消耗总量，将实际结果换算为常用单位（L/100KM）。

b.喷油量采集，根据喷油时间计算喷油量为每循环的喷油量，折算对应发动机转速（转/秒），每个循环喷油一次曲轴720度，输入喷油量除2折算为发动机每转喷油量。

c.实际喷油体积的计算来自经过参数化后的Tesis endyna模型[1]，其数据准确性通过模型闭环调试来保证。可调整采集门限电压值与INCA数据对比，确保采集结果准确性。

4.3 硬件在环仿真系统经济性验证流程

4.3.1 车型及发动机参数准备

输入目标车型特性参数（4缸涡轮增压汽油机+AT6，1470kg，整车惯量10.2315kgm2，主减速比3.683，轮胎半径0.3m）、coastdown曲线（118.23/0.1751/0.0338）、变速箱换挡曲线等参数。Coastdown参数是汽车速度变量的综合阻力曲线二次拟合函数（F=F0+F1*V+F2*V2），整车惯量kg*m2计算：

4.3.2 MVEG循环工况建模

通过Simulin对MVEG循环建模并设计驾驶员控制模型，调节速度控制PID参数，达到实际车速跟随循环目标车速，真实模拟实际驾驶过程，确保试验数据可靠。

4.3.3 启动MVEG循环

循环启动后全程无需试验人员值守，通过多次试验不同车型并与实际台架测试结果比较，误差保持正负3%以内，六次试验平均值6.59L/100KM，试验结果一致性较好。通过上位机软件可以更改整车经济性验证相关参数，可以实现多次快速仿真。使用TestStand软件，设计编写自动化测试序列，自动测试并生成报告，实现一键启动、无人值守测试，降低试验成本，提高测试效率。

4.4 与实物台架经济性验证对比

目前很多公司采用实物台架完成验证，与硬件在环仿真系统相比，实物台架建设周期长，人力资源投入多，且辅助系统投入大，如台架燃油供给系统、通风系统、温度控制系统、专业车辆驾驶员等。仿真台架配置方便快捷，普通实验室环境即可布置，在成本和效率上明显优于传统实物台架。更换变速箱或车辆基础参数后，只需修改模型即可开始试验模拟，通过比对变更对最终经济性的影响，为设计变更提供参考。

5 结语

硬件在环仿真系统在汽车企业技术研发领域应用广泛，通过系统仿真方法，分析模拟车辆经济性，为实际设计提供有价值的参考数据，可大幅缩短设计开发及测试周期，降低能源消耗和开发成本，符合国家节能减排方针政策，提高企业在新技术竞赛中的核心竞争力。

参考文献：

[1]TESIS DYNAware enDYNA 2.04 Block Reference Manual.

[2]GB 18352.5-2013 轻型汽车污染物排放限值及测量方法.