新能源汽车电驱系统的高效硬件在环测试

德斯拜思机电控制技术（上海）有限公司主要提供机电控制技术产品开发工具链，主要服务于快速原型、硬件在环、自动代码生成、虚拟仿真等领域。2022年12月8日，由盖世汽车主办的2022第三届汽车电驱动及关键技术大会中，德斯拜思机电控制技术（上海）有限公司电驱动工程团队经理李晋彪介绍，硬件在环测试的主要作用是提供测试环境，即便在没有实车和真实电机、逆变器的情况下，也能通过仿真板卡去模拟出实车上的电驱动环境。无论是功能层面还是硬件底层接口层面的故障，硬件在环都能很好地进行仿真，实现故障注入测试，以便于在研发早期进行产品级别的测试，提高测试效率、降低测试成本。

李晋彪表示，相对于传统汽车的测试，电动汽车测试的最大挑战是模型的挑战。因需要保证被控对象模型能够精确仿真出电路的特性，模型方案的数量将十分庞大，且对建模效率及硬件计算平台性能的要求也会更高。针对电驱动系统，德斯拜思提供信号级、功率级和机械台架级的硬件在环测试能力，且该高效测试系统还具备动态性、高精度等优势，能快速响应电驱系统的多种测试需求。

李晋彪 | 德斯拜思机电控制技术（上海）有限公司电驱动工程团队经理

以下为演讲内容整理：

德斯拜思是一家成立于德国的公司，30多年来我们一直是全球各大主机厂和Tier1仿真测试的合作伙伴，今天很高兴有机会向业界各位专家和同仁分享德斯拜思在仿真测试领域的方案和经验。

硬件在环测试及其意义

根据传统V型开发流程，从早期算法开发到算法快速验证、产品代码生产都属于研发，而我们属于测试领域。当控制器的A样或B样产品生产出来后，在上台架做性能的标定之前，HIL就可以介入到测试环境中，硬件在环测试的主要作用就是提供测试环境，即便测试环境中没有实车和真实的电机、逆变器，我们也能通过IO板卡去仿真出实车上的电驱动环境，测试MCU等电控单元，以保证在HIL台架上对成百上千条测试用例进行提前验证。

ISO26262也推荐用户使用HIL进行产品级的功能安全测试，尤其是软件功能安全规范。为了测试不同的功能场景，ISO26262要求用户需准备对应的测试方法，而HIL就可以很好地实现测试场景的搭建，根据电机、电池、电控、控制器等不同的测试领域，HIL会根据不同的测试场景进行适配。ISO26262对HIL也有一定要求，即整个测试体系必须通过ISO26262功能安全的认证，以保证测试结果的置信水平。

图片来源：德斯拜思

在规范中定义的各种测试方法可覆盖软件功能安全的所有测试场景。例如对于电机控制器，算法层面的测试可通过传统的模型在环、软件在环完成，但对于通信故障、硬件电路采样、位置传感器电涡流相变延迟等硬件相关的功能，就需要依靠硬件在环测试来解决。无论是功能层面还是硬件底层接口层面的故障，HIL都能很好地进行仿真，以便于用户在研发早期进行产品级别的测试。

图片来源：德斯拜思

接下来是HIL台架搭建的拓扑。首先会一台上位机电脑，主要负责前期模型的搭建以及后期测试环境、测试用例的编写。核心部件是测试台架当中的处理单元，无论是实时处理器还是高速仿真板卡都具有高速运算模型的能力。各种测试环境模型都可以放在仿真单元中高速运行，核心的仿真处理单元会调用I/O通道，I/O通道的数量和规模则取决于被测件。如面对温度传感器、电机位置传感器等特殊传感器，都需要特殊的板卡进行处理。如果IO板卡的通道或被测件规格比较特殊，也可以加入信号调理板卡，满足整个测试环境硬件层面的功能。

整体机柜可以通过线束和被测件进行连接，中间可以插入电气故障注入单元的功能模块，根据ISO26262的要求，故障注入测试不可或缺，一般可通过两种方式实现，一种是通过软件模拟功能逻辑和控制逻辑的故障，例如电机的过压、过流、过温等故障；还有一种方式是硬件故障注入，电气故障注入单元受到上位机的控制，在上位机界面进行短接，下面对应的开关继电器就能在不破坏线束的情况下，直接在设备和系统内部处理对应的信号，最终实现故障注入的测试。

根据不同测试场景，我们也可以定制化测试环境，通过外接真实的负载或传感器，最终实现整体上的台架环境搭建。

无论是国外还是国内，OEM和Tier1供应商之所以要使用HIL，主要目的首先在于希望能尽可能多地覆盖测试用例，提高产品研发的测试效率。第二，能够节省台架测试的搭建成本，一台HIL的成本约为标准台架的1/5或1/6，因此可以准备多套台架同时并行多个项目。第三，技术的发展日新月异，而一致性和扩展性良好的HIL测试台架可以应对日益增加的复杂测试要求。

基于上述目标，HIL已在汽车行业内广泛应用，此外HIL还具有独特的优势。首先是可以在产品研发早期进行功能测试，此外，HIL测试系统可以很方便地复制，以及实现测试自动化。针对较危险的极端工况或某些特定的故障工况，也可以通过故障注入复现产品的具体故障工况。

针对电驱系统的硬件在环测试系统

图片来源：德斯拜思

传统的电驱系统闭环拓扑包括主控制板、功率放大单元（逆变器）、电机以及机械负载。HIL通常有三种级别的测试，第一种是信号级别的测试，被测件为红线左边的控制板，在控制板中采集到信号后，系统会仿真出逆变器、电机以及机械负载的特性，最终实现闭环的调试。该层面需要针对控制板的IO做注入，我们会直接反映出采样信号，然后对接到控制板中。

第二种是功率级测试，多用于OEM。功率级测试的直接被测件是控制板+驱动板。在HIL中我们会仿真电机模型，并在仿真板卡中运行。仿真板卡通常为普通的IO板卡，信号规格不会特别高，而驱动板输出的一般是三相电压，通常为400V或800V。因此中间需要加入接口转换，我们一般会引入功率负载的概念。这一产品的主要作用是接收真实的三相电压并采集到板卡内部，板卡计算出的电流会产生出真实的电流，直接进入电流传感器，形成完整的闭环。

最后一种是机械级台架的测试，最简单的是提供负载电机，对被测件的电机做对拖。再复杂一些则可以根据不同的车载位置，加入变速箱、传动轴或底盘相关的转向、制动等机械部件，并在对应位置做负载的注入。

可以看到以上的所有方案都绕不开模型的仿真，因此仿真模型的精确度对测试的影响度较高，尤其是对于电力电子和电驱动的应用。对于逆变器、电机、高频的DC/DC等电力电子单元，毫秒级别的仿真无法满足要求，必须把仿真压缩到纳秒级别，这样一来就会引入FPGA仿真策略。在整个开关周期内，仿真频率基本上为开关频率的100-1000倍，在一次开关周期中可以仿真100次-1000次，达到1%甚至是0.1%的精度。因此可仿真出很高地电流基波频率，即便是开关效应产生的电流纹波，也能精确地仿真出来。

我们的仿真步长最小可以压缩在100ns以内，理论上最高支持100kHz的开关频率，因此能高精度地仿真出电机特性。用户可通过供应商或台架标定并导入电机模型参数，能达到90-95%的精确度，对于功能测试和控制逻辑测试而言，这一精度已经足够高。

在信号级HIL测试中，我们会在整体上对仿真架构进行切割，将一部分模型放到处理器当中，主要包括IO的配置、机械模型等仿真步长要求不高的模型；而逆变器、电机等电力电子单元则通常放在FPGA板卡中，与控制板进行对接。通过这样的仿真，电流基波响应范围会更宽，电流纹波也可以得到精确的复现。

图片来源：德斯拜思

对于功率级HIL测试，除了电机仿真之外，不需要再仿真逆变器，逆变器直接成为用户的被测件，中间需要加入电子负载单元。常用的电子负载一般为30V或60V的低压档位，30V可用于简单的执行电机仿真，60V一般是针对48V轻型混动车、EPS或发电机的仿真，整个模块可通过并联的形式提升电流和功率等级。

图片来源：德斯拜思

机械级台架相当于简单的性能标定台架。机械台架要测的不仅仅是电机、控制器，还包含机械部件。我们会把机械部件放到台架中，在对应的位置加入负载电机。以转向电机为例，可以在上面加上旋转电机模拟驾驶员打方向盘的行为，并在拉杆末端加上直线电机模拟转向阻力。机械台架上通常有模拟量的力传感器或电压、电流、温度传感器，为了保证采样的精度，我们会有专门的采样单元在尽可能靠近采样点的位置进行采样，通过模拟量采样后转化成串口数据发回机柜，从而解决采样精度和传输距离的问题。

机械台架的定制化程度较高，根据不同的应用场景，我们从最简单的对拖到最复杂的高性能三电机台架都能根据客户需求去做定制化处理。

硬件在环测试领域的新需求

随着技术的发展，各个主机厂、Tier1的需求越来越多，越来越多的被测件都会集成到测试环境中，这也对台架搭建尤其是模型搭建提出了更高要求。

从汽车的充电端到执行端的电气拓扑上来看，早期我们主要研究电机+逆变器，后面会研究低压的DCDC，当测试完逆变器，就需要对充电进行测试。直流充电快充主要测试的是充电协议和标准，而慢充交流充电则涉及到OBC的测试，OBC的电路更加复杂，开关频率也会特别高，从而会对模型提出更高要求。

部分客户可能还会需要做充电桩的仿真，前端还包括储能逆变、光伏储能等大规模的电路仿真。因此随着电力电子在汽车行业的切入点越来越多，需要测的东西也越来越多了。

相对于传统汽车的HIL测试，汽车行业中电力电子HIL测试的最大挑战是模型的挑战。我们需要保证被控对象模型能够精确仿真出电路的特性，而电路类型会决定整个系统的复杂程度；其次，开关元器件的数量，尤其是开关频率是非常关键的技术指标，开关频率越高，为了保证精度，模型就要算得越快，这将对模型效率和搭载的硬件计算平台性能提出更高要求。

图片来源：德斯拜思

常见的建模方案，首先是基于拓扑建模，其中可能会用到两种方法：第一种是相对简单的电路建模，其中的关键在于需要对离线模型做实时化的处理。我们会提供特殊的解析器，能对离线电路模型做实时化的处理，并能下载到处理器中，从而达到2-3微秒的仿真步长。这种方式的应用场景通常为DCDC电路。而对于更复杂的模型，例如OBC，其中的谐振变流器开关频率非常高，且模型拓扑非常复杂，因此会对模型提出非常高的要求。我们会以300K开关频率为依据进行切割，对于300K以内的开关频率可以做到瞬时的精确建模，如果超过300K，那么就需要“拿空间换时间”，即用FPGA的大容量空间去存储整个电路的仿真差表，以保证实时的计算速度。最终我们能保证在500K的开关频率之内，仍然可以实现功能级别的测试。

我们通常会使用2-3块板卡做分布式仿真，板卡与板卡之间会使用高速互连线缆进行连接，能达到纳秒级别的通讯速率，并将延迟压缩在1微秒以内，以保证实时性。FPGA板卡和处理器板卡之间会有高速的光纤通信，此处的信号延迟稍长，约为2-3微秒，非核心的关键信号通常会在这里进行传递。

图片来源：德斯拜思

除了模型之外，目前业界逐渐涌现出来的需求就是电机模拟器高压功率级的仿真。在高压功率下，电压等级可能会达到800V甚至是1000V的档位，因此需要搭配一套高压功率台架。高压功率台架首先需要电池的模拟单元，它会和电池模型进行交互，整体电压受模型计算的控制；此外，电机模拟器会模拟三相、六相等不同电流，并与电机模型进行交互，整个电机的电流由模型进行控制，被测件即电机控制器。其中电压等级可达到800V或1000V，目前我们主流的配置都在1000V以上。整个系统采用能量循环的机制，最终实现闭环的能量回馈。整个系统会与实验室的电网隔离开，从而保证系统的安全性。

中间用到的核心模块是高压电子负载模块。闭环测试对功率台架的动态性要求非常高，当模型计算完成后真实电流需要在短时间内产生，且中间的延迟不能影响到控制器的闭环。我们在高压1250V下采用了碳化硅的控制技术，能保证基波频率达到3K-4K左右，以保证不失真地仿真出电流波形，且总谐波失真也能压缩在很小的范围内。

除了电驱动，我们还会涉及到充电方面的HIL测试。其主要特点是标准种类较多，不同的充电枪规格和通信协议会对整个系统的适配性提出更高要求。