Vinod Reddy先生：基于模型的设计，由于它的核心思想是可执行的规范、快速的控制原型设计、早期验证和代码生成，已经日益成为HEV电子控制系统开发的主要手段

基于模型的设计(Model-Based Design)，由于它的核心思想是可执行的规范、快速的控制原型设计、早期验证和代码生成，已经日益成为HEV电子控制系统开发的主要手段，包括能量管理、电池管理和电机控制。

在汽车驾驶过程中，各种汽车部件功能“正确”十分重要，因此对控制这些部件的硬件/软件的严格验证是极其关键的。换言之，集成了各种调试/验证过程、具有可靠特性的嵌入式系统设计流程是必不可少的。

通常嵌入式系统设计流程包括：算法开发、仿真设计、系统实现、验证与确认等几个环节。但随着设计系统越来越复杂，尤其是验证与确认阶段需要更高的成本和更多的时间，在很多情况下，甚至比设计本身更复杂，工程师正面临着越来越多的挑战：比如开发的算法如何无缝扩展应用到系统开发中；系统仿真中，如何降低由于建立过程产生的误差对设计精确度的影响；如何在硬件平台上仿真设计的模型系统。

为了解决这些系统开发瓶颈，MathWorks公司提出了基于模型设计的系统开发理念，其意义在于：用虚拟模型描述系统中相对应的每一部分的物理原型，并在一个软件环境中对整个系统进行仿真，以便及时做出设计改进。MathWorks公司是世界领先的技术计算和基于模型的设计的软件开发商和供应商，拥有2 000多名员工，是一家私营公司，从1984年成立以来每年都在赢利。MathWorks公司的客户是世界各大洲100多个国家的100万多顶级技术人员，这些技术人员工作在世界上最先进的技术公司、政府实验室、金融机构以及3500多所大学，他们依靠MathWorks的产品和服务，因为MATLAB和Simulink已经成为他们进行工程项目和科学研究的基本工具。

独特的机会

在绿色、环保、低碳经济的今天，电动车和混合动力车 （HEV）无疑是中国汽车业界关注的焦点。中国的汽车企业如何确保HEV项目的成功？行业专家，MathWorks公司咨询服务经理Vinod Reddy先生与我们进行了有益的探讨。Vinod Reddy先生认为，基于模型的设计，由于它的核心思想是可执行的规范、快速的控制原型设计、早期验证和代码生成，已经日益成为HEV电子控制系统开发的主要手段，包括能量管理、电池管理和电机控制。

图1  电子控制系统及嵌入式软件已成为汽车的核心技术

因此，在谈到HEV的开发设计是否为基于模型的设计提供了独特的机会时，Vinod Reddy先生告诉记者，基于模型的设计在传统汽车设计中的应用已经成熟，但由于HEV控制系统的复杂性，使得基于模型的设计的优势更加明显，在HEV开发的过程中，零部件供应商必须与OEM更深入地合作，OEM参与开发设计的程度更多。

然而，鉴于OEM和供应商之间不同的业务模式以及OEM选择开发其HEV的途径，在计划和执行基于模型的设计时，工程师应该应用不同的条件，以确保整体HEV项目的成功。

Vinod Reddy先生还详细与我们分享了东风电动车辆股份有限公司如何成功地使用基于模型的设计开发混合动力电动汽车的电池管理系统。Vinod Reddy先生告诉记者，东风电动车辆股份有限公司在东风汽车公司中负责电动车和混合动力车 (HEV) 的研究和开发工作。东风汽车公司的大多数部件（如电机和电池）均由其他供应商提供。但是，由于电池管理和汽车能源管理的控制策略对 HEV 的性能和燃料经济性至关重要，并且这些控制器必须根据整车系统进行优化和集成，因此 DFEV 决定开发其 HEV 内部的电子控制系统，以此作为其自主知识产权。

东风的工程师们使用 MathWorks 公司的工具和基于模型的设计开发出一套复杂的电池管理控制系统，以供东风混合动力公交车EQ6110 使用。与普通的城市公交车相比，该车在降低排放的同时还将燃料经济性提高了30%。

Vinod Reddy先生告诉记者，东风的工程师们有用C编程开发控制器的经验，但电池管理系统项目更为复杂。此外，电池管理系统项目与整车控制系统的集成也是一大挑战。在确定了项目需求之后，东风的工程师们使用MATLAB、Simulink和 Stateflow开发出基本的浮点控制器模型。同时，该项目组使用测试数据开发出电池的Simulink模型。该模型可以在控制器模型验证时，提供电池动态信息，从而使测试结果更准确。

项目组首先对控制子模块进行单元测试，然后将各子模块集成。再将完整的控制器模型和Simulink的电池模型链接在一起，运行仿真来验证控制逻辑的基本功能。 为进一步优化控制器的算法，工程师使用 Real-Time Workshop很方便地快速生成控制模型的代码，并下载到快速原型器来控制实际电池，以实现对算法的验证。借助Simulink Fixed Point TM和 Fixed-Point Toolbox，项目组将浮点模型转换为定点模型，并再次运行仿真，以验证转换质量。工程师们采用MC/DC (修正条件/决策覆盖率) 指标来评估测试的完整性。在使用Real-Time Workshop Embedded Coder生成了模型的产品代码之后，他们用软件在回路测试的方法验证了生成的代码是否按照设计的方式运行，在该测试中用 Simulink 的电池模型与控制代码形成闭环进行测试。在最后的验证阶段，项目组将代码下载到他们的基于Freescale S12微处理器的电池控制ECU中。利用被控对象生成的代码，他们对ECU进行硬件在环的仿真，以此验证控制软件和ECU硬件是否很好的集成在一起。他们将控制器安装到样车中进行可靠性和耐久性的路试，使用CANape对控制器进行标定，而标定工具用到的ASAP2 标定文件是与产品代码一起自动生成的。目前嵌入式电池控制系统已安装在东风EQ6110公交车中进行试运行工作。

图2  HEV的能量管理、电池管理和电机控制实时显示系统

全面的优势

对于“与其他方式相比，基于模型的设计有哪些优势？”这个问题，Vinod Reddy先生解释道，在传统的设计流程中，算法是经手动转换为C程序代码去进行硬件级别测试。但该转换过程不但耗时且易出错，采用基于模型设计就是先将算法模型化、物理建模模型化，以及环境模型化，然后基于MATLAB与Simulink平台，在后续的设计中不断进行仿真，再用自动代码生成工具产生实际系统所需的软件代码。这种设计方法可以让工程师在设计初期即能运用实际可行的模型进行系统测试与仿真，实际上是将测试提前到了仿真阶段，力争尽早发现并解决问题，而且可以排除由于人工介入可能导致的错误。除了使用Simulink 和Real-Time Workshop Embedded Coder以外，也可采用MathWorks公司的嵌入式MATLAB（Embedded MATLAB）该程序采用可直接从MATLAB转换到C程序代码的方式，保证了生成代码的效率和可靠性。再加上MathWorks 公司已经推出的Simulink Design Verifier、PolySpace 、Link for Candence Incisive/ADI VisualDSP++等工具，MathWorks公司为用户提供了一套完整的市场解决方案。

未来的发展

当被问及汽车行业的公司应该如何培训工程师，使其能够尽快地开始进行HEV汽车的设计工作时，Vinod Reddy先生表示，目前许多年轻的汽车工程师都已经有使用这些软件工具的能力，但是他们最缺乏的是在团队的环境下，大规模使用这些工具的能力。Vinod Reddy先生认为，人才在整个过程中也是关键，一定要确认工程师有专业领域知识，一定要了解汽车、发动机，这些都是必须了解的。还要确保他们是经过有素训练的，在产品过程，设计方法论方面都要有经验。

Vinod Reddy先生告诉记者，OEM使用HEV控制设计产品大致有3条途径：1）内部单一阶段开发，从系统级仿真到目标原型再到产品；2）两个阶段，把开发流程分成单独的OEM方的原型制作阶段和供应商来进行的详细的产品开发阶段；3）移植阶段，由外部专家把原型制作变成可产品化的设计。对于每一条途径，组织开发的关键条件、OEM/供应商连接、开发流程以及工具链定义这些都被运用到确保HEV项目的成功中。