CN105137943B - 一种微混合动力系统集成控制设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微混合动力系统集成控制设备，所述的控制设备根据AUTOSAR体系标准进行开发，并用于微混合动力系统整车集成控制器，所述的软件架构采用分层设计，包括接口抽象层，与基础软件层通讯连接；信号处理层，通过接口抽象层与基础软件层进行通讯，并进行信号分类、信号处理和信号汇总；应用程序策略层，与信号处理层连接，包括通用组件和可定制化组件，所述的通用组件是整车控制策略通用元件的集合，所述的可定制化组件是可进行二次配置元件的集合，各元件区分时序和优先级运行。与现有技术相比，本发明具有可移植性高、通用性强以及二次开发灵活性高等优点。

Description

一种微混合动力系统集成控制设备

技术领域

本发明涉及一种控制设备，尤其是涉及一种微混合动力系统集成控制设备。

背景技术

微混合动力系统由于集成了发动机自动起/停功能、具备中等大小的安全电压且成本较低，近年来得到了整车和供应商的广泛关注和开发。

微混合动力系统整车控制策略由于动力系统形式多种多样(BSG、ISG等)以及同一行业中并行开发的几个不同混合动力项目需求，原有的软件几乎不能重复用于不同的动力系统。使得各个项目间重复的工作量急剧增加，故在开发中迫切需要一种能够在不同形式的微混合动力项目间复用的整车控制策略软件架构。

目前的微混合动力系统整车控制策略各个模块之间耦合性较高，通用性较差。为适应不同车型的微混合动力汽车，需要重新匹配和设计软件架构，这无疑增加了开发周期和开发成本。因此开发通用性强、可移植性好的软件架构是有助于减少微混系统开发成本。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可移植性好、通用性强以及二次开发灵活性高的微混合动力系统集成控制设备。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种微混合动力系统集成控制设备，根据AUTOSAR体系标准进行开发，并用于微混合动力系统整车集成控制器，其特征在于，所述的控制设备采用分层设计，包括接口抽象层，与基础软件层通讯连接；

信号处理层，通过接口抽象层与基础软件层进行通讯，并进行信号分类、信号处理和信号汇总；

应用程序策略层，与信号处理层连接，包括通用组件和可定制化组件，所述的通用组件是整车控制策略通用元件的集合，所述的可定制化组件是可进行二次配置元件的集合，各元件区分时序和优先级运行。

所述的接口抽象层包括输入接口抽象层和输出接口抽象层，分别封装用于与所述的基础软件层通讯的应用程序接口。

所述的应用程序接口基于C语言的S-function实现，包括硬线信号接口和CAN信号接口。

所述的信号处理层包括输入信号处理层和输出信号处理层，所述的输入信号处理层与输入接口抽象层对应连接，所述的输出信号处理层与输出接口抽象层对应连接。

所述的输入信号处理层依次执行以下步骤：

信号分类，将信号分为硬线信号、发动机控制器CAN信号、电机控制器CAN信号、电池管理系统CAN信号和其它车载控制器CAN信号；

信号处理，对信号进行数据类型的转换、信号有效性检验和标定量设置；

信号汇总，形成信号集合，包含应用程序策略层和信号处理层、信号处理层和接口抽象层、应用程序策略层各子模块之间交互的所有信号；

所述的输出信号处理层则按照信号汇总、信号处理、信号分类次序依次执行。

所述的数据类型包括单精度浮点型、无符号八位整型和布尔型，其转换规则为：数字量定义为布尔型，模式量定义为无符号八位整型，其他类型定义为单精度浮点型。

所述的通用组件包括统一功能构件和可配置构件；

所述的统一功能构件包括驾驶员意图识别、整车上下电管理、电网络对象控制、热能对象管理以及系统诊断与保护；

所述的可配置构件包括转矩对象控制以及动力与传动控制，所述的转矩对象控制基于模板二次开发模式切换与转矩分配策略，所述的动力与传动控制中包含不同车型和不同零部件参数的MAP表。

所述的可定制化组件包括附件控制模块和可扩展控制器模块；

所述的附件控制模块集成不同附件的上层控制逻辑从而控制协调附件的工作；

所述的可扩展控制器模块为嵌入进整车控制器内部的虚拟控制器，该可扩展控制器模块集成变速箱控制单元和电池管理系统的部分或全部功能，或者作为零部件控制器的冗余软件。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)设计的软件架构符合AUTOSAR体系，将应用程序策略层分为：通用组件和可定制化组件，有效提高了应用软件的管理灵活性和通用性；

(2)基于本发明的软件架构进行不同车型混合动力系统集成控制软件开发时，大大降低了开发周期，并减少了代码编写的重复工作量，有较强的工程借鉴价值；

(3)定义了层次化、模块化的微混合系统整车集成控制软件系统架构，并标准化了各个层次所提供的接口，从而保证软件的高模块性和高可配置性；

(4)采用可扩展控制器模块集成微混合动力系统中零部件的部分或者全部控制功能，可减少整车布线和控制器数量，有效地降低微混合动力系统汽车的成本。

附图说明

图1为本发明软件架构开发结构示意图；

图2为本发明实施例48V微混合动力系统集成控制设备结构示意图；

图3为本发明接口抽象层结构示意图；

图4为本发明信号处理层结构示意图；

图5为本发明应用程序策略层Simulink仿真框图；

图6为本发明应用程序策略层各子模块耦合关系结构示意图。

图中，1为输入接口抽象层，2为输入信号处理层，3为应用程序策略层，4为输出信号处理层，5为输出接口抽象层，6为通用组件，7为可定制化组件，8为信号分类，9为信号处理，10为信号汇总。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

为了提高混合动力系统集成控制程序的通用性和管理灵活性，减少二次开发的时间成本。本发明实施例提供了一种48V微混合动力系统集成控制设备。

本发明实施例使用Matlab/Simulink进行微混合动力整车控制逻辑的开发，Simulink内嵌基于C语言的S-function封装的基础软件层(BSW)和相应的应用程序接口(API)，使用Simulink自带的Embedded Coder工具生成基础软件和应用程序代码，并下载到真实的控制器中。

本发明软件架构根据AUTOSAR体系标准进行开发，并用于微混合动力系统整车集成控制器，该软件架构采用分层设计，包括接口抽象层，与基础软件层通讯连接；信号处理层，通过接口抽象层与基础软件层进行通讯，并进行信号分类8、信号处理9和信号汇总10；应用程序策略层3，与信号处理层连接，包括通用组件6和可定制化组件7，所述的通用组件6是整车控制策略通用元件的集合，所述的可定制化组件7是可进行二次配置元件的集合，各元件区分时序和优先级运行。所述的通用组件6和可定制化组件7对应AUTOSAR架构中的Composition，在各个Composition中，使用Function-call Subsystem分组件(Component)，对应AUTOSAR的运行实例(Runnable)，Function-call对应触发Runnable的事件(Events)。Function-call设置不同时序区分程序执行优先级。其中接口抽象层包括输入接口抽象层1(IHL)和输出接口抽象层5，信号处理层包括输入信号处理层2和输出信号处理层4。

如图1所示，本软件架构开发由三个部分组成：开发工具、开发规范、软件管理。

对于开发工具，使用Matlab/Simulink开发混合动力系统集成控制逻辑，Simulink内嵌基于C语言S-function封装的基础软件层(BSW)和相应的应用程序接口(API)，使用Simulink自带的Embedded Coder工具生成基础软件和应用程序代码，并将其下载到真实的控制器中。在Simulink环境下，本软件划分为五个层，分别是：输入接口抽象层1、输入信号处理层2、应用程序策略层3、输出信号处理层4、输出接口抽象层5，符合Simulink基于信号传递的开发机制。

对于开发规范，基于软件工程标准化开发流程，包括：软件设计、软件文档编写、软件维护。在进行开发之前，确定软件的架构和功能，形成详细、完整的技术文档。后续控制程序的开发严格参照技术文档，规范化的技术文档提高软件的可读性和复用性。软件开发是不断迭代的过程，针对整车控制程序，软件的维护是必不可少的。在混合动力系统集成控制程序中，信号是实现控制目标的前提和基础。本软件架构中，使用自己开发的信号命名体系、信号描述文件。比如信号dINP_EngSpd_rpm，d表示显示量，INP表示信号来自INP层，EngSpd是Engine Speed的简称，rpm则是该信号/变量的单位。特别地，本架构基于AUTOSAR体系，上层控制程序分模块化开发，区分时序和优先级。应用程序策略层3分为通用组件6和定制化组件7，对应AUTOSAR体系中的Composition念。在各个Composition中，使用Function-call Subsystem分模块(Component)，对应AUTOSAR的运行实例(Runnable)，Function-call对应触发Runnable的事件(Events)。Function-call设置不同时序区分程序执行优先级。对于微混系统整车控制程序而言，高压上下电、系统保护模块的优先级高于其他模块，具有较快的执行时序。

对于软件管理，包括：开发监督、软件测试、技术文档更新。开发监督贯穿整车控制程序开发的整个过程，实时迭代更新整车控制程序。软件测试与开发并行进行，包括子模块测试与集成测试。开发完毕形成相应的技术文档作为备份参考。

图2为基于AUTOSAR体系的48V微混合动力系统集成控制设备。其中，IHL和OHL分别表示输入接口抽象层1和输出接口抽象层5，分别封装了AUTOSAR体系的封装用于与所述的基础软件层通讯的应用程序接口(API)，关注动力系统集成控制逻辑，忽略底层相对繁琐的接口。在Matlab/Simulink开发环境下，模块化封装的应用程序接口(API)嵌入到Simulink库里，进行代码生成时，只需拖入相关模块即可。ISP和OSP分别表示输入信号处理层2和输出信号处理层4，负责和外界交互的所有信号的分类、处理和汇总。图中APP表示应用程序策略层3，从最外层看，分为两大组件：通用组件6、可定制化组件7。通用组件6是动力系统集成控制程序的基本模块集，包括：驾驶员意图识别(DRA)、整车上下电管理(VPM)、转矩对象控制(TQC)、电网络对象控制(EEM)、热能对象管理(TEM)、动力与传动控制(PTC)和系统诊断与保护(STP)。其中DRA、VPM、EEM、TEM和STP属于软件架构中通用组件6的统一功能构件，统一功能构件具有基本相同的接口以及功能；TQC和PTC属于通用组件6的可配置构件，其中TQC需要基于模板二次开发模式切换与转矩分配策略，PTC模块包含不同车型、不同零部件的参数MAP表。可定制化组件7包括附件控制(ACC)模块和可扩展控制器模块(SCU)，其中附件控制(ACC)模块集成附件的上层控制逻辑，可扩展控制器模块(SCU)集成变速箱控制单元(TCU)和电池管理系统(BMS)等部分或者全部功能，另一方面，SCU可以作为零部件控制器的冗余软件，提高微混合系统的可靠性。

如图3所示，接口抽象层包括输入接口抽象层1和输出接口抽象层5，封装了访问基础软件层(BSW)的应用程序接口(API)，封装的API以S-function模块化的方式存在于Simulink环境下，包括硬线信号接口和CAN信号接口。以输入接口抽象层1为例，硬线信号API给出单个信号的接口，CAN信号API给出Bus信号，一帧信号都会被解包出来。在开发48V微混系统整车控制策略时，从Simulink库里拖入相应的模块替代Simulink中的in port/output port即可。

如图4所示，信号处理层主要操作包括：信号分类8、信号处理9、信号汇总10。图例是以输入信号处理2(ISP)为例来阐述的。对于输出信号处理层4(OSP)，相应的操作顺序为信号汇总10、信号处理9和信号分类8。信号分类8是将信号分为硬线信号、发动机控制器CAN信号、电机控制器CAN信号、电池管理系统CAN信号和其它车载控制器CAN信号，各个子模块汇总整车控制程序需要用到的所有信号，以Simulink/Signal对象的形式存在于Matlab/Simulink环境中。信号处理9是对信号进行数据类型的转换、信号有效性检验和标定量设置。本发明实施例规定了三种数据类型：单精度浮点型(Single)、无符号八位整型(Uint)和布尔型(Boolean)，进入应用层的信号需要强制数据类型转换，转换原则是：数字量定义为布尔型(Boolean)，模式量定义为无符号八位整型(Uint)，其他类型统一为单精度浮点型(Single)。本发明实施例中的信号有效性检验模块用于检验信号的正确性，减弱信号突变或者跳动对应用层控制程序的影响。特别地，本发明实施例中设置了标定模块，便于实车测试和标定。标定模块(Calibration Block)包括输入信号、标定开关和标定值。其中，标定开关设置是Boolean型数据，标定值的数据类型和模块输入信号类型一致。标定量的设置通过设置为Simulink/Parameter对象的方式实现。信号汇总10为所有信号最终汇总在一个Simulink总线上，形成信号集合，包含应用程序策略3和信号处理层、信号处理层和接口抽象层、应用程序策略层3各子模块之间交互的所有信号，所有需要用到的信号都从一个结构体中获取，实现了应用层各个子模块之间的具体通信。

图5为应用程序策略层3的Simulink框图，其中ACC、SCU模块属于可定制化组件7，其他模块属于通用组件6。其中DRA模块根据档位、车速、转矩参数等信息，决策出驾驶员需求扭矩。对于整车控制程序而言，准确识别出驾驶员意图，获取加速员需求扭矩是进行转矩分配的前提。VPM模块获取INP层的钥匙、继电器等状态信号，决策出整车上下电过程。整车上电完成是整车控制逻辑执行的前提，该模块的时序较快，执行优先级高。PTC模块是动力与传动系统的转矩参数相关的模块，包括动力与传动系统相关转矩参数，比如：电机最大转矩、电机额定转矩、发动机最大转矩MAP等。EEM模块是电网络对象管理模块，包括对48V电池、DC/DC和12V电池网络的管理与控制，其核心原则是依据SOC决策出DC/DC的工作模式。TEM是热能对象管理模块，包含热管理策略，主要获取温度等信息，控制水泵、风机等散热装置运行，确保各个零部件正常运转。TQC模块是转矩控制对象，是控制程序的核心。实现转矩在发动机和电机之间的合理分配，以实现更多的节油。在本实施案例中，TQC模块和VPM、EEM、PTC、DRA模块都存在信号交互。STP模块的功能是系统故障识别与处理，TQC模块、EEM模块、TEM模块决策出来的信号，都要经过STP模块的处理，确保控制信号满足系统安全的要求。ACC模块和SCU模块属于可定制化模块，ACC模块功能是控制协调附件的工作。不同车型，附件差异较大，该模块的主要思路是根据整车工作状态协调附件的工作状态，实现整车性能最优。SCU是可扩展控制器模块，比如没有电池管理单元，该模块依据控制器硬件资源可以实现BCU(电池控制器)的部分或者全部功能。SCU模块基于控制器集成思路，可以减少控制器数量，降低整车成本。

图6表示该软件架构下各个子模块的运行流程与耦合关系。其中，VPM是混合动力系统集成控制程序的运行前提，优先级最高。TQC模块获取需求扭矩和整车传动相关参数，在效率最优原则下，决策出不同工作模式下电机转矩和发动机转矩的大小。TQC模块运行时，EEM模块和TEM模块会施加作用。简单地描述为：电机与电网络对象工作的耦合，热能对象对电机、发动机转矩的影响。TQC、EEM、TEM决策出来的控制信号都经过STP层的，确保控制信号满足系统安全的要求。在执行流程上，STP模块是相对接近输出信号处理层4的。STP模块负责故障识别与处理，包括电机、发动机、电池等零部件的保护。该模块具有很强的通用性，对于微混合动力汽车，该模块只需要匹配信号和参数即可适用于不同车型。本发明实施例中，定制化组件中的ACC模块的参数会传递给PTC，通过PTC模块施加到TQC模块上，影响到整车转矩的分配；而SCU模块属于嵌入进整车控制器内部的虚拟控制器，该模块和通用组件6各个子模块之间交互的信号可以类似理解为虚拟CAN信号。SCU承担了部分总成器件的控制，减少了控制器数量，降低CAN负载率，符合控制器集成的趋势，可以有效降低微混合动力汽车的系统成本。

本发明微混合动力系统集成控制设备基于AUTOSAR体系。AUTOSAR定义了模块化、层次化的软件系统架构，并标准化了各个层次所提供的接口，从而保证软件的高模块性和高可配置性。开发符合AUTOSAR体系的微混合动力系统集成控制设备，将应用程序策略层3分为通用组件6和可定制化组件7，适配不同的微混车型时，只需要二次配置可定制化组件7，通用组件6改动幅度较小，有利于软件集成与验证，减少了开发的复杂度，缩短开发周期。

此外，鉴于微混合动力系统对整车成本要求苛刻，集成零部件控制功能的整车控制器及其软件架构，可减少整车布线和控制器数量，节约了整车开发成本，并有助于微混动力系统的产业化。

Claims (6)

1.一种微混合动力系统集成控制设备，根据AUTOSAR体系标准进行开发，并用于微混合动力系统整车集成控制器，其特征在于，所述的控制设备采用分层设计，包括接口抽象层，与基础软件层通讯连接；

信号处理层，通过接口抽象层与基础软件层进行通讯，并进行信号分类、信号处理和信号汇总；

应用程序策略层，与信号处理层连接，包括通用组件和可定制化组件，所述的通用组件是整车控制策略通用元件的集合，所述的可定制化组件是可进行二次配置元件的集合，各元件区分时序和优先级运行；

所述的可定制化组件包括附件控制模块和可扩展控制器模块；

所述的附件控制模块集成不同附件的上层控制逻辑从而控制协调附件的工作；

所述的可扩展控制器模块为嵌入进整车控制器内部的虚拟控制器，该可扩展控制器模块集成变速箱控制单元和电池管理系统的部分或全部功能，或者作为零部件控制器的冗余软件；

所述的信号处理层包括输入信号处理层和输出信号处理层，所述的输入信号处理层与输入接口抽象层对应连接，所述的输出信号处理层与输出接口抽象层对应连接；

所述的输入信号处理层依次执行以下步骤：

信号分类，将信号分为硬线信号、发动机控制器CAN信号、电机控制器CAN信号、电池管理系统CAN信号和其它车载控制器CAN信号；

信号处理，对信号进行数据类型的转换、信号有效性检验和标定量设置；

信号汇总，形成信号集合，包含应用程序策略层和信号处理层、信号处理层和接口抽象层、应用程序策略层各子模块之间交互的所有信号。

2.根据权利要求1所述的一种微混合动力系统集成控制设备，其特征在于，所述的接口抽象层包括输入接口抽象层和输出接口抽象层，分别封装用于与所述的基础软件层通讯的应用程序接口。

3.根据权利要求2所述的一种微混合动力系统集成控制设备，其特征在于，所述的应用程序接口基于C语言的S-function实现，包括硬线信号接口和CAN信号接口。

4.根据权利要求1所述的一种微混合动力系统集成控制设备，其特征在于，所述的输出信号处理层则按照信号汇总、信号处理、信号分类次序依次执行。

5.根据权利要求1所述的一种微混合动力系统集成控制设备，其特征在于，所述的数据类型包括单精度浮点型、无符号八位整型和布尔型，其转换规则为：数字量定义为布尔型，模式量定义为无符号八位整型，其他类型定义为单精度浮点型。

6.根据权利要求1所述的一种微混合动力系统集成控制设备，其特征在于，所述的通用组件包括统一功能构件和可配置构件；

所述的统一功能构件包括驾驶员意图识别、整车上下电管理、电网络对象控制、热能对象管理以及系统诊断与保护；

所述的可配置构件包括转矩对象控制以及动力与传动控制，所述的转矩对象控制基于模板二次开发模式切换与转矩分配策略，所述的动力与传动控制中包含不同车型和不同零部件参数的MAP表。