新能源汽车电驱系统的高效硬件在环测试

德斯贝斯机电控制技术有限公司主要提供机电控制技术产品的开发工具链，主要服务于快速成型、硬件在环、代码自动生成、虚拟仿真等领域。2022年12月8日，在盖世汽车主办的2022第三届汽车电驱动及关键技术大会上，德贝斯机电控制技术有限公司电驱动工程团队经理李锦彪介绍，硬件在环测试的主要作用是提供测试环境，即使在没有实车、真电机、逆变器的情况下，也可以通过模拟板模拟实车的电驱动环境。无论是硬件的功能级故障还是接口级故障，都可以很好的在环模拟硬件，实现故障注入测试，方便研发前期的产品级测试，提高测试效率，降低测试成本。

李锦彪表示，与传统汽车测试相比，电动汽车测试最大的挑战是车型的挑战。因为要保证被控对象模型能够准确模拟电路的特性，所以模型方案的数量会非常多，对建模效率和硬件计算平台性能的要求也会更高。对于电传动系统，Desbeth提供了信号级、功率级和机械台架级的硬件在环测试能力，并且这种高效的测试系统还具有动态、高精度的优点，能够快速响应电传动系统的各种测试需求。

德斯贝斯机电控制技术有限公司电气传动工程组经理

组织以下演讲内容:

Desbeth是一家在德国成立的公司。30多年来，我们一直是世界各地主要OEM和Tier1模拟测试的合作伙伴。今天，我们很高兴有机会与业内专家和同事分享Desbeth在模拟测试领域的解决方案和经验。

硬件在环测试及其意义

按照传统的V型开发流程，前期算法开发、快速算法验证、产品代码制作都属于RD，而我们属于测试领域。控制器的A-sample或B-sample产品生产出来后，在性能在平台上校准之前，HIL可以介入测试环境。硬件在环测试的主要功能是提供测试环境。即使测试环境中没有实车、真电机、逆变器，我们也可以通过IO板模拟实车的电驱动环境，测试MCU等电控单元，保证在HIL平台上提前验证上百个测试用例。

对于产品级功能安全测试，尤其是软件功能安全规范，ISO26262也推荐用户使用HIL。为了测试不同的功能场景，HIL可以很好地构建测试场景，而ISO26262则要求用户准备相应的测试方法。根据电机、电池、电控、控制器等不同测试领域，HIL将适应不同的测试场景。对于HIL，ISO26262也有一定的要求，即整个测试系统必须通过ISO26262对功能安全的认证，以保证测试结果的置信度。

规范中定义的各种测试方法可以覆盖软件功能安全性的所有测试场景。比如对于电机控制器，算法级的测试可以通过传统的模型在环和软件在环来完成，但是对于通信故障、硬件电路采样、位置传感器涡流换相延时等硬件相关的功能，就需要依靠硬件在环测试来解决。无论是底层硬件的功能层面还是接口层面的故障，HIL都能很好的模拟出来，让用户在研发前期进行产品层面的测试

接下来，HIL平台的拓扑结构。首先会设置一台本地电脑，主要负责搭建前期的模型，编写后期的测试环境和测试用例。核心部分是测试台中的处理单元，实时处理器和高速仿真板都具有高速计算模型的能力。各种测试环境模型都可以在仿真单元中高速运行，核心仿真处理单元会调用I/O通道，I/O通道的数量和规模取决于被测部件。如温度传感器、电机位置传感器等特殊传感器，都需要专门的板卡进行加工。如果IO板的通道或被测部件的规格特殊，还可以增加信号调理板，以满足整个测试环境硬件层面的功能。

整个机柜可以通过线束与被测部件连接，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，故障注入测试是必不可少的，一般可以通过两种方式实现。一种方式是通过软件模拟功能逻辑和控制逻辑的故障，如电机的过压、过流、超温等。另一种方式是硬件故障注入，电气故障注入单元由上位机控制，在上位机接口处短路，让下面相应的开关继电器在不损坏线束的情况下，直接处理设备和系统内部相应的信号，最终实现故障注入的测试。

根据不同的测试场景，还可以定制测试环境，最后通过连接真实的负载或传感器，搭建整体的台架环境。

无论是在国外还是在国内，原始设备制造商和一级供应商都希望使用HIL。主要目的是覆盖尽可能多的测试用例，提高产品开发的测试效率。其次，可以节省台架试验的建设成本。HIL的成本大约是标准工作台的1/5或1/6，因此可以准备多套工作台，同时运行多个项目。第三，技术的发展日新月异，具有良好一致性和扩展性的HIL测试平台可以应对日益复杂的测试需求。

基于上述目标，HIL在汽车工业中得到了广泛的应用，并且具有独特的优势。首先，功能测试可以在产品开发初期进行。此外，HIL测试系统可以很容易地复制和自动化。针对危险的极端工况或一些特定的故障工况，也可以通过故障注入来重现产品的特定故障工况。

电力传动系统硬件在环测试系统

传统的电传动系统闭环拓扑结构包括主控板、功放单元、电机和机械负载。HIL通常有三级测试，第一级是信号级测试，被测部分是红线左侧的控制板。信号采集到控制板后，系统会模拟逆变器、电机、机械负载的特性，最终实现闭环调试。这一层需要注入控制板的IO，我们会直接反射采样信号，然后连接到控制板。

第二种是功率级测试，OEM厂商多采用。功率级测试的直接测试部分是控制板+驱动板。在HIL，我们将模拟电机模型，并在模拟板上运行。模拟板一般是普通的IO板，信号规格不是特别高，而驱动板的输出一般是三相电压，一般是400V或者800V。所以中间需要接口转换，我们通常会引入功率负载的概念。该产品的主要功能是接收真实的三相电压，并采集到板卡内部。板卡计算出来的电流会产生真实的电流，直接进入电流传感器，形成一个完整的闭环。

最后一个是机械台架试验。最简单的就是提供一个负载电机来拖动被测零件的电机。如果更复杂的话，可以根据不同的车载位置增加与变速箱、传动轴或底盘相关的转向、制动等机械部分，在相应的位置做载荷注入。

可以看出，以上所有方案都离不开模型的仿真，所以仿真模型的准确性对试验有很高的影响，尤其是对于电力电子和电力传动的应用。对于逆变器、电机、高频DC/DC等电力电子单元，毫秒级仿真无法满足要求，必须将仿真压缩到纳秒级，这就导致了FPGA仿真策略的引入。在整个开关周期内，模拟频率基本是开关频率的100 -1000倍，一个开关周期内可以模拟100-1000次，达到1%甚至0.1%的精度。因此，可以模拟非常高的电流基频，甚至可以精确地模拟由开关效应引起的电流纹波。

我们的仿真步长最低可以压缩到100ns以内，理论上最高可以支持100kHz的开关频率，所以可以高精度的仿真电机特性。用户可以通过供应商或测试台进行电机模型参数的标定和导入，准确率可以达到90-95%，足够高的功能测试和控制逻辑测试。

在信号级HIL测试中，我们会整体切割仿真架构，将部分模型放入处理器，主要包括IO配置、机械模型等对仿真步长要求不高的模型；逆变器和电机等电力电子单元通常放置在FPGA板中，与控制板相连。通过这种仿真，电流的基波响应范围将更宽，并且电流纹波可以被精确地再现。

对于功率级HIL测试，除了电机模拟之外，不需要模拟逆变器。逆变器直接成为用户的被测部分，中间需要增加一个电子负载单元。常用的电子负载一般是30V或者60V的低压档位。30V可用于简单的电机模拟，60V一般用于48V轻型混合动力汽车、EPS或发电机的模拟。整个模块可以并联连接，以提高电流和功率水平。

机械台架相当于简单的性能校准台架。机械台架不仅要测试电机和控制器，还要测试机械部分。我们会把机械部分放在机架上，在相应的位置加上负载电机。以转向电机为例，可以在它上面加一个旋转电机来模拟驾驶员的转向行为，在拉杆的末端加一个直线电机来模拟转向阻力。机械工作台上通常有模拟力传感器或电压、电流和温度传感器。为了保证采样的准确性，我们会有专门的采样单元，尽可能靠近采样点进行采样，模拟采样后转换成串行数据送回机柜，解决了采样精度和传输距离的问题。

机械台架具有高度的定制化。根据不同的应用场景，我们可以根据客户的要求定制台架，从最简单的一对拖车到最复杂的高性能三电机台架。

硬件回路测试领域的新要求

随着技术的发展，需要越来越多的OEM和Tier1，越来越多的被测零件会集成到测试环境中，这也对平台搭建，尤其是模型搭建提出了更高的要求。

从汽车从充电端到执行端的电气拓扑来看，前期主要研究电机+逆变器，后期会研究低压DCDC。测试完逆变器后，我们需要测试充电。DC快充主要测试充电协议和标准，慢充交流充电涉及OBC的测试。OBC的电路比较复杂，开关频率会特别高，这对模型提出了更高的要求。

有的客户可能还需要做充电桩的仿真，前端还包括储能逆变器、光伏储能等大规模电路仿真。因此，随着越来越多的电力电子器件应用于汽车行业，需要测量的东西也越来越多。

与传统的汽车HIL试验相比，汽车工业电力电子HIL试验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准确模拟电路的特性，电路类型将决定整个系统的复杂程度；其次，开关元件的数量，尤其是开关频率，是一个关键的技术指标。开关频率越高，模型计算速度越快，才能保证精度，这就对模型的效率和硬件计算平台的性能提出了更高的要求。

常见的建模方案首先是基于拓扑建模，其中可以采用两种方法:第一种是相对简单的电路建模，关键在于离线模型的实时处理。我们会提供专门的解析器，可以实时处理离线的电路模型，并下载到处理器中，从而达到2-3微秒的仿真步长。这种方法的应用场景通常是DCDC电路。对于更复杂的模型，比如OBC，谐振变换器的开关频率很高，模型的拓扑结构也很复杂，所以会对模型提出非常高的要求。我们将按照300K的开关频率进行切割，对于300K以内的开关频率，我们可以实现瞬时精确建模。如果超过300 K，就需要“以空间换时间”，即利用FPGA的大容量空间存储整个电路的仿真差表，保证实时计算速度。最终可以保证在500K的开关频率范围内，仍然可以实现功能级测试。

分布式仿真我们一般用2-3块板。板卡之间通过高速互联电缆连接，可以达到纳秒级的通信速率，将延迟压缩在1微秒以内，保证实时性。FPGA板和处理器板之间会有高速光纤通信，这里的信号延迟稍微长一点，大约2-3微秒，非核心的关键信号通常在这里传输。

除了模型，行业内新兴的需求是电机模拟器的高压功率级的模拟。在高压电源下，电压等级可能达到800V，甚至1000V，所以需要一套高压电源台架。高压功率台架首先需要一个电池模拟单元，它会和电池模型进行交互，整体电压由模型计算控制。此外，电机模拟器将模拟三相和六相的不同电流，并与电机模型交互。整个电机的电流由模型控制，被测部分是电机控制器。电压等级可达800V或1000V。目前我们的主流配置都是1000V以上。整个系统采用能量循环的机制，最终实现闭环能量回馈。整个系统将与实验室的电网隔离，从而保证系统的安全性。

中间使用的核心模块是高压电子负载模块。闭环测试对试验台的动态性能要求很高。模型计算完成后，需要在短时间内产生真实电流，中间的延时不能影响控制器的闭环。我们采用了碳化硅在1250V的控制技术，可以保证基波频率达到3K-4K左右，这样就可以无失真地模拟电流波形，将总谐波失真压缩在很小的范围内。

除了电力驱动，我们还将涉及充电的HIL测试。其主要特点是标准种类繁多，不同的充电枪规格和通信协议会对整个系统的适应性提出更高的要求。

通常我们使用专门的测试盒进行交换通信，使用交换盒进行测试，所以无论哪种标准，最终都能适应相应的测试场景。

根据客户需求，还可以模拟大功率充电桩。通过直接搭建充电桩模拟器，实现实车充电，不仅可以进行通信协议握手验证等各种一次性测试，还可以通过功率流模拟测试交流充电、DC充电、双向反馈。

未来会有越来越多的测试需求，dSPACE承诺我们将继续为所有客户提供最先进的技术和解决方案。

2022年12月8日，在盖世汽车主办的2022第三届汽车电驱动及关键技术大会上，公司电驱动工程组经理李锦彪发表了《新能源汽车电驱动系统高效硬件在环测试》主题演讲。)