电动汽车功率控制单元软件数字化设计的研究综述及展望︱浙江大学( 二 ) 作为纯电动汽车的核心零部件

近年来，国际上技术制裁与封锁等事故频发，尤其软件数字化设计首当其冲，相关技术核心多由国外掌握，我国在工业软件的研发设计方面存在明显差距，系统建立起相关的技术积累成为当务之急。因此，本文从电动汽车PCU软件设计验证高覆盖率、高效率的挑战出发，从数字平台、数学建模、数值算法三方面系统梳理其最新研究进展，并在此基础上展望PEDA的发展方向。
1数字平台
典型的纯电动汽车驱动系统结构如图2所示，包含整车控制器、电池单元、功率控制单元、电机、传动系统及整车等部分。从控制的角度出发，实际的系统可分为控制系统和被控对象两部分。控制系统包含软件层面的整车控制算法和电驱控制算法等；被控对象包含硬件层面的功率电路和机械单元等。

文章图片
图2电动汽车典型电驱动系统拓扑结构
为满足高安全与高性能， PCU的设计遵循电动汽车标准的快速应用开发流程，即V型开发流程，功率控制单元PCU的V型开发流程如图3所示。

文章图片
图3功率控制单元PCU的V型开发流程
V型的左半边为设计阶段，右半边为验证阶段。整个过程在设计阶段解耦成系统-硬件-软件三个层面进行分层开发，在验证阶段再将其集成耦合至系统验证。呈现多层“耦合—解耦—耦合”的特点。相比系统和硬件层面，软件层面的设计验证更新迅速且迭代频繁，是PCU设计验证的难点。
数字化平台由于其灵活高效的特征，在PCU软件设计V型图中的不同阶段，根据软件开发的技术成熟度，可以配置为：模型在环（ModelintheLoop,MIL）、快速原型机（RapidControlPrototype,RCP）、软件在环（SoftwareintheLoop,SIL）、处理器在环（ProcessorintheLoop,PIL）与硬件在环（HardwareintheLoop,HIL）等几种结构模式，以分别满足V型研发不同节点的设计验证需求。
1.1模型在环（MIL）
MIL的控制系统和被控对象均搭建在商用软件的环境中，如Simulink、PLECS等，电驱动系统模型在环结构如图4所示。 MIL适用于软件开发早期算法阶段的设计验证，通过在商用软件环境中添加组合已集成完毕的库模型以完成控制策略、动稳态分析和参数匹配等功能的设计。 MIL使用便捷，验证周期短，且后处理功能丰富，可以灵活地选取合适的模型求解方式，以获得精度高或速度快的数字化系统，是一种全数字化的数字平台。
目前MIL在学术界和工业界运用广泛，其形式已演变多样，如基于脚本的ScanTool ，是PCU在设计初期关于硬件选型、效率分析、热评估等问题有力的分析工具。但由于MIL以算法设计为目标，因此在软件的实现方式、硬件的运行环境等方面与真实物理系统相差较大，具有一定的局限性。

文章图片
图4电驱动系统模型在环结构
1.2快速原型机（RCP）
RCP由成熟的硬件在环技术衍生而来，其结构与信号硬件在环互补，电驱动系统快速原型机结构如图5所示。 RCP的控制系统由硬件性能强大的实时仿真器自动快速地搭建完成，而被控对象则为真实的物理对象。 RCP的设计验证范围与MIL类似，适用于早期的算法设计验证，特别是算法开发落后于实验环境搭建的场合。在虚拟的实时计算环境中设计算法，有助于快速迭代，加速软件设计过程。但同时， RCP面对新的设计需求性价比过低。因此，通常在复杂的物理系统中，将RCP与信号HIL配合使用，实现全数字化设计，是减少昂贵且破坏性设计验证的有效手段。