基于CompactRIO的纯电动汽车硬件在环系统开发

【摘要】：面对能源安全、环境污染和全球气候变暖的急迫形势，发展节能与新能源汽车已成为我国汽车工业的战略方向。加之大范围雾霾天气的频频发生,电动汽车产业得到了大众前所未有的关注和支持。整车控制器相当于电动汽车的指挥管理中心，在车辆行驶过程中执行多项任务，其控制策略是否得当直接影响着电动汽车的性能与安全。为了高效、全面地测试控制策略，硬件在环测试被汽车厂商广泛采用。本文以某纯电动汽车为研究对象，利用CompactRIO实时嵌入式系统，针对纯电动汽车硬件在环系统的开发进行了研究，从软硬件两方面探索了构建硬件在环测试平台的广泛适用的方法和步骤，旨在说明通过合理地分配有限的资源和对程序的优化，自主构建的低成本的硬件在环系统同样可以满足测试的需求，从而摆脱了使用商业软件和设备带来的巨大开销和束缚。论文的主要研究工作有： 纯电动汽的前向仿真模型的建立。基于实验实测数据和理论公式，在LabVIEW环境下建立了包括电池模型、电机模型、电机预充电模型、传动系模型、整车动力学模型和驾驶员模型的纯电动汽车前向仿真模型。采用这种模块化的建模思想，利于模型的修改，增加了模型的通用性。 系统硬件功能的划分和软件架构的确立。结合本文对测试的需求，本文选定成本低廉的CompactRIO9073为测试所需的实时控制系统。结合每一部分硬件的性能特点，对该硬件在环测试平台的三大硬件：上位机PC，实时控制器和FPGA进行了功能划分。在此基础上，将软件架构确立为运行在上位机PC上的Host VI,运行在实时控制器上的Target VI,和运行在FPGA上的FPGAVI。其中，Host VI用于数据的显示，为硬件在环测试提供友好的上位机界面；TargetVI主要用于实时地运行车辆模型，并与上位机和FPGA进行通信；FPGAVI主要用于高速可靠地信号采集，并运行预充电模型。通过对硬件功能的合理划分，使自主设计的硬件在环系统不仅能够仿真慢速响应的系统，还可以仿真时间步长极短的系统，从而加大了硬件在环系统的测试范围。 实时系统下多任务处理的研究。本文将运行在实时控制器上的任务划分为实时任务（模型循环）和非实时任务（通信循环），通过将实时任务设置为高优先级并利用FIFO在任务之间传递数据的方法，确保了系统的实时性。 实时系统下程序优化方法的探索。将程序部署到实时控制器时，由于采集信号的引入和实时控制器资源的有限性，需要将离线程序进行修改和优化。本文通过查阅文献和多次试验，提出了实时系统下程序优化的方法，包括：合理设置循环的时间步长；避免过多使用耗费资源的变量；合理选择程序运行位置；考虑界面显示任务的影响。这些优化方法不仅仅局限于本测试平台，具有一定的通用性，为灵活构建其它测试系统提供一定参考依据。 仿真模型的验证及纯电动汽车的硬件在环测试。通过与实车测试数据的对比，说明了所搭建的仿真模型满足硬件在环测试的精度要求，为硬件在环测试提供了可信的载体。在此基础上，本文对整车控制器的控制策略进行了全面的测试，既包括了整车控制器任务调度的测试，又包括了不同行驶状态下具体策略的测试，同时还对预充电过程中三个开关的动作逻辑进行了故障注入的测试。在模型准确，控制策略得当的基础上，本文最后对仿真的纯电动汽车的动力性和经济性进行了一个综合测试，验证了整车控制器的控制逻辑和控制策略的合理性，说明了本文所搭建的硬件在环测试平台满足测试需求并且具有较高的精度。 【关键词】：纯电动汽车 硬件在环 实时系统 实时性 多任务处理
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U469.72
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 图表目录10-12
• 第1章 绪论12-22
• 1.1 电动汽车概述12-17
• 1.1.1 电动汽车的定义12-14
• 1.1.2 电动汽车的优缺点分析14
• 1.1.3 电动汽车的发展状况14-16
• 1.1.4 电动汽车的发展展望16-17
• 1.2 硬件在环概述17-20
• 1.2.1 硬件在环的定义17-19
• 1.2.2 硬件在环在汽车上的应用举例19-20
• 1.3 课题的提出及本文的主要研究内容20-22
• 1.3.1 课题的提出20
• 1.3.2 主要研究内容20-22
• 第2章 纯电动汽车仿真模型的建立22-38
• 2.1 仿真方法的选择22
• 2.2 纯电动汽车的建模22-36
• 2.2.1 电池模型23-26
• 2.2.2 电机模型26-29
• 2.2.3 电机预充电模型29-31
• 2.2.4 传动系模型31-32
• 2.2.5 整车动力学模型32-35
• 2.2.6 驾驶员模型35-36
• 2.3 本章小结36-38
• 第3章 硬件在环系统的实现38-50
• 3.1 软硬件的选择38-41
• 3.1.1 硬件的选择38-40
• 3.1.2 软件的选择40-41
• 3.2 软件的架构41-46
• 3.3 实时系统下多任务的处理46-47
• 3.4 实时系统下程序的优化47-49
• 3.5 本章小结49-50
• 第4章 纯电动汽车的硬件在环测试50-68
• 4.1 部件模型的验证50-54
• 4.1.1 电机模型的验证50-51
• 4.1.2 电池模型的验证51-52
• 4.1.3 电机预充电模型的验证52-53
• 4.1.4 驾驶员模型的验证53-54
• 4.2 硬件在环测试平台的搭建54-56
• 4.3 整车控制器控制策略的测试56-63
• 4.3.1 整车控制器任务调度的测试56-58
• 4.3.2 整车控制器扭矩策略的测试58-61
• 4.3.3 整车控制器预充电策略的测试61-62
• 4.3.4 整车控制器故障策略的测试62-63
• 4.4 纯电动汽车整车性能的测试63-66
• 4.4.1 动力性能的测试63-65
• 4.4.2 能耗经济性的测试65-66
• 4.5 本章小结66-68
• 第5章 全文总结与工作展望68-72
• 5.1 全文总结68-70
• 5.2 工作展望70-72
• 参考文献72-75
• 攻读学位期间发表的学术论文及取得的科研成果75-76
• 致谢76

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