德斯拜思機電控制技術(上海)有限公司主要提供機電控制技術産品開發工具鍊,主要服務于快速原型、硬件在環、自動代碼生成、虛拟仿真等領域。2022 年 12 月 8 日,由蓋世汽車主辦的 2022 第三屆汽車電驅動及關鍵技術大會中,德斯拜思機電控制技術(上海)有限公司電驅動工程團隊經理李晉彪介紹,硬件在環測試的主要作用是提供測試環境,即便在沒有實車和真實電機、逆變器的情況下,也能通過仿真闆卡去模拟出實車上的電驅動環境。無論是功能層面還是硬件底層接口層面的故障,硬件在環都能很好地進行仿真,實現故障注入測試,以便于在研發早期進行産品級别的測試,提高測試效率、降低測試成本。
李晉彪表示,相對于傳統汽車的測試,電動汽車測試的最大挑戰是模型的挑戰。因需要保證被控對象模型能夠精确仿真出電路的特性,模型方案的數量将十分龐大,且對建模效率及硬件計算平台性能的要求也會更高。針對電驅動系統,德斯拜思提供信号級、功率級和機械台架級的硬件在環測試能力,且該高效測試系統還具備動态性、高精度等優勢,能快速響應電驅系統的多種測試需求。
李晉彪 | 德斯拜思機電控制技術(上海)有限公司電驅動工程團隊經理
以下為演講内容整理:
德斯拜思是一家成立于德國的公司,30 多年來我們一直是全球各大主機廠和 Tier1 仿真測試的合作夥伴,今天很高興有機會向業界各位專家和同仁分享德斯拜思在仿真測試領域的方案和經驗。
硬件在環測試及其意義
根據傳統 V 型開發流程,從早期算法開發到算法快速驗證、産品代碼生産都屬于研發,而我們屬于測試領域。當控制器的 A 樣或 B 樣産品生産出來後,在上台架做性能的标定之前,HIL 就可以介入到測試環境中,硬件在環測試的主要作用就是提供測試環境,即便測試環境中沒有實車和真實的電機、逆變器,我們也能通過 IO 闆卡去仿真出實車上的電驅動環境,測試 MCU 等電控單元,以保證在 HIL 台架上對成百上千條測試用例進行提前驗證。
ISO26262 也推薦用戶使用 HIL 進行産品級的功能安全測試,尤其是軟件功能安全規範。為了測試不同的功能場景,ISO26262 要求用戶需準備對應的測試方法,而 HIL 就可以很好地實現測試場景的搭建,根據電機、電池、電控、控制器等不同的測試領域,HIL 會根據不同的測試場景進行适配。ISO26262 對 HIL 也有一定要求,即整個測試體系必須通過 ISO26262 功能安全的認證,以保證測試結果的置信水平。
圖片來源:德斯拜思
在規範中定義的各種測試方法可覆蓋軟件功能安全的所有測試場景。例如對于電機控制器,算法層面的測試可通過傳統的模型在環、軟件在環完成,但對于通信故障、硬件電路采樣、位置傳感器電渦流相變延遲等硬件相關的功能,就需要依靠硬件在環測試來解決。無論是功能層面還是硬件底層接口層面的故障,HIL 都能很好地進行仿真,以便于用戶在研發早期進行産品級别的測試。
接下來是 HIL 台架搭建的拓撲。首先會一台上位機電腦,主要負責前期模型的搭建以及後期測試環境、測試用例的編寫。核心部件是測試台架當中的處理單元,無論是實時處理器還是高速仿真闆卡都具有高速運算模型的能力。各種測試環境模型都可以放在仿真單元中高速運行,核心的仿真處理單元會調用 I/O 通道,I/O 通道的數量和規模則取決于被測件。如面對溫度傳感器、電機位置傳感器等特殊傳感器,都需要特殊的闆卡進行處理。如果 IO 闆卡的通道或被測件規格比較特殊,也可以加入信号調理闆卡,滿足整個測試環境硬件層面的功能。
整體機櫃可以通過線束和被測件進行連接,中間可以插入電氣故障注入單元的功能模塊,根據 ISO26262 的要求,故障注入測試不可或缺,一般可通過兩種方式實現,一種是通過軟件模拟功能邏輯和控制邏輯的故障,例如電機的過壓、過流、過溫等故障;還有一種方式是硬件故障注入,電氣故障注入單元受到上位機的控制,在上位機界面進行短接,下面對應的開關繼電器就能在不破壞線束的情況下,直接在設備和系統内部處理對應的信号,最終實現故障注入的測試。
根據不同測試場景,我們也可以定制化測試環境,通過外接真實的負載或傳感器,最終實現整體上的台架環境搭建。
無論是國外還是國内,OEM 和 Tier1 供應商之所以要使用 HIL,主要目的首先在于希望能盡可能多地覆蓋測試用例,提高産品研發的測試效率。第二,能夠節省台架測試的搭建成本,一台 HIL 的成本約為标準台架的 1/5 或 1/6,因此可以準備多套台架同時并行多個項目。第三,技術的發展日新月異,而一緻性和擴展性良好的 HIL 測試台架可以應對日益增加的複雜測試要求。
基于上述目标,HIL 已在汽車行業内廣泛應用,此外 HIL 還具有獨特的優勢。首先是可以在産品研發早期進行功能測試,此外,HIL 測試系統可以很方便地複制,以及實現測試自動化。針對較危險的極端工況或某些特定的故障工況,也可以通過故障注入複現産品的具體故障工況。
針對電驅系統的硬件在環測試系統
傳統的電驅系統閉環拓撲包括主控制闆、功率放大單元(逆變器)、電機以及機械負載。HIL 通常有三種級别的測試,第一種是信号級别的測試,被測件為紅線左邊的控制闆,在控制闆中采集到信号後,系統會仿真出逆變器、電機以及機械負載的特性,最終實現閉環的調試。該層面需要針對控制闆的 IO 做注入,我們會直接反映出采樣信号,然後對接到控制闆中。
第二種是功率級測試,多用于 OEM。功率級測試的直接被測件是控制闆 + 驅動闆。在 HIL 中我們會仿真電機模型,并在仿真闆卡中運行。仿真闆卡通常為普通的 IO 闆卡,信号規格不會特别高,而驅動闆輸出的一般是三相電壓,通常為 400V 或 800V。因此中間需要加入接口轉換,我們一般會引入功率負載的概念。這一産品的主要作用是接收真實的三相電壓并采集到闆卡内部,闆卡計算出的電流會産生出真實的電流,直接進入電流傳感器,形成完整的閉環。
最後一種是機械級台架的測試,最簡單的是提供負載電機,對被測件的電機做對拖。再複雜一些則可以根據不同的車載位置,加入變速箱、傳動軸或底盤相關的轉向、制動等機械部件,并在對應位置做負載的注入。
可以看到以上的所有方案都繞不開模型的仿真,因此仿真模型的精确度對測試的影響度較高,尤其是對于電力電子和電驅動的應用。對于逆變器、電機、高頻的 DC/DC 等電力電子單元,毫秒級别的仿真無法滿足要求,必須把仿真壓縮到納秒級别,這樣一來就會引入 FPGA 仿真策略。在整個開關周期内,仿真頻率基本上為開關頻率的 100-1000 倍,在一次開關周期中可以仿真 100 次 -1000 次,達到 1% 甚至是 0.1% 的精度。因此可仿真出很高地電流基波頻率,即便是開關效應産生的電流紋波,也能精确地仿真出來。
我們的仿真步長最小可以壓縮在 100ns 以内,理論上最高支持 100kHz 的開關頻率,因此能高精度地仿真出電機特性。用戶可通過供應商或台架标定并導入電機模型參數,能達到 90-95% 的精确度,對于功能測試和控制邏輯測試而言,這一精度已經足夠高。
在信号級 HIL 測試中,我們會在整體上對仿真架構進行切割,将一部分模型放到處理器當中,主要包括 IO 的配置、機械模型等仿真步長要求不高的模型;而逆變器、電機等電力電子單元則通常放在 FPGA 闆卡中,與控制闆進行對接。通過這樣的仿真,電流基波響應範圍會更寬,電流紋波也可以得到精确的複現。
對于功率級 HIL 測試,除了電機仿真之外,不需要再仿真逆變器,逆變器直接成為用戶的被測件,中間需要加入電子負載單元。常用的電子負載一般為 30V 或 60V 的低壓檔位,30V 可用于簡單的執行電機仿真,60V 一般是針對 48V 輕型混動車、EPS 或發電機的仿真,整個模塊可通過并聯的形式提升電流和功率等級。
機械級台架相當于簡單的性能标定台架。機械台架要測的不僅僅是電機、控制器,還包含機械部件。我們會把機械部件放到台架中,在對應的位置加入負載電機。以轉向電機為例,可以在上面加上旋轉電機模拟駕駛員打方向盤的行為,并在拉杆末端加上直線電機模拟轉向阻力。機械台架上通常有模拟量的力傳感器或電壓、電流、溫度傳感器,為了保證采樣的精度,我們會有專門的采樣單元在盡可能靠近采樣點的位置進行采樣,通過模拟量采樣後轉化成串口數據發回機櫃,從而解決采樣精度和傳輸距離的問題。
機械台架的定制化程度較高,根據不同的應用場景,我們從最簡單的對拖到最複雜的高性能三電機台架都能根據客戶需求去做定制化處理。
硬件在環測試領域的新需求
随着技術的發展,各個主機廠、Tier1 的需求越來越多,越來越多的被測件都會集成到測試環境中,這也對台架搭建尤其是模型搭建提出了更高要求。
從汽車的充電端到執行端的電氣拓撲上來看,早期我們主要研究電機 + 逆變器,後面會研究低壓的 DCDC,當測試完逆變器,就需要對充電進行測試。直流充電快充主要測試的是充電協議和标準,而慢充交流充電則涉及到 OBC 的測試,OBC 的電路更加複雜,開關頻率也會特别高,從而會對模型提出更高要求。
部分客戶可能還會需要做充電樁的仿真,前端還包括儲能逆變、光伏儲能等大規模的電路仿真。因此随着電力電子在汽車行業的切入點越來越多,需要測的東西也越來越多了。
相對于傳統汽車的 HIL 測試,汽車行業中電力電子 HIL 測試的最大挑戰是模型的挑戰。我們需要保證被控對象模型能夠精确仿真出電路的特性,而電路類型會決定整個系統的複雜程度;其次,開關元器件的數量,尤其是開關頻率是非常關鍵的技術指标,開關頻率越高,為了保證精度,模型就要算得越快,這将對模型效率和搭載的硬件計算平台性能提出更高要求。
常見的建模方案,首先是基于拓撲建模,其中可能會用到兩種方法:第一種是相對簡單的電路建模,其中的關鍵在于需要對離線模型做實時化的處理。我們會提供特殊的解析器,能對離線電路模型做實時化的處理,并能下載到處理器中,從而達到 2-3 微秒的仿真步長。這種方式的應用場景通常為 DCDC 電路。而對于更複雜的模型,例如 OBC,其中的諧振變流器開關頻率非常高,且模型拓撲非常複雜,因此會對模型提出非常高的要求。我們會以 300K 開關頻率為依據進行切割,對于 300K 以内的開關頻率可以做到瞬時的精确建模,如果超過 300K,那麼就需要 " 拿空間換時間 ",即用 FPGA 的大容量空間去存儲整個電路的仿真差表,以保證實時的計算速度。最終我們能保證在 500K 的開關頻率之内,仍然可以實現功能級别的測試。
我們通常會使用 2-3 塊闆卡做分布式仿真,闆卡與闆卡之間會使用高速互連線纜進行連接,能達到納秒級别的通訊速率,并将延遲壓縮在 1 微秒以内,以保證實時性。FPGA 闆卡和處理器闆卡之間會有高速的光纖通信,此處的信号延遲稍長,約為 2-3 微秒,非核心的關鍵信号通常會在這裡進行傳遞。
除了模型之外,目前業界逐漸湧現出來的需求就是電機模拟器高壓功率級的仿真。在高壓功率下,電壓等級可能會達到 800V 甚至是 1000V 的檔位,因此需要搭配一套高壓功率台架。高壓功率台架首先需要電池的模拟單元,它會和電池模型進行交互,整體電壓受模型計算的控制;此外,電機模拟器會模拟三相、六相等不同電流,并與電機模型進行交互,整個電機的電流由模型進行控制,被測件即電機控制器。其中電壓等級可達到 800V 或 1000V,目前我們主流的配置都在 1000V 以上。整個系統采用能量循環的機制,最終實現閉環的能量回饋。整個系統會與實驗室的電網隔離開,從而保證系統的安全性。
中間用到的核心模塊是高壓電子負載模塊。閉環測試對功率台架的動态性要求非常高,當模型計算完成後真實電流需要在短時間内産生,且中間的延遲不能影響到控制器的閉環。我們在高壓 1250V 下采用了碳化矽的控制技術,能保證基波頻率達到 3K-4K 左右,以保證不失真地仿真出電流波形,且總諧波失真也能壓縮在很小的範圍内。
除了電驅動,我們還會涉及到充電方面的 HIL 測試。其主要特點是标準種類較多,不同的充電槍規格和通信協議會對整個系統的适配性提出更高要求。
我們通常會使用專門的轉接通信測試盒以及轉接盒進行測試,因此無論是哪種标準,最終我們都可以适配相應的測試場景。
根據客戶需要,我們也可以進行大功率充電樁的仿真。通過直接搭建充電樁的模拟器,對實車進行充電,既可以進行通信協議握手校驗等各種一次性測試,也可以通過功率流仿真去測試交流充電、直流充電和雙向回饋等工況。
未來業界的測試需求一定會越來越多,dSPACE 承諾我們會一如既往地為所有客戶提供最先進的技術和方案。
(以上内容來自德斯拜思機電控制技術(上海)有限公司電驅動工程團隊經理李晉彪于 2022 年 12 月 8 日由蓋世汽車主辦的 2022 第三屆汽車電驅動及關鍵技術大會中發表的《新能源汽車電驅系統的高效硬件在環測試》主題演講。)