斯巴魯通過HIL提高混合動(dòng)力車的測(cè)試速度

如今，汽車往往配備了多個(gè)ECU來管理豐富的功能和高級(jí)控制裝置。在混合動(dòng)力車中，電機(jī)ECU發(fā)揮著更復(fù)雜的作用，除了要管理自身的動(dòng)力系統(tǒng)之外，還要管理發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)之間的交互。

斯巴魯?shù)哪腹靖皇恐毓I(yè)株式會(huì)社開發(fā)出首款混合動(dòng)力車—Subaru XV Crosstrek Hybrid。這是我們初次嘗試向日本國內(nèi)和北美市場(chǎng)提供量產(chǎn)型混合動(dòng)力汽車。我們的工程師為早期的混合動(dòng)力原型車開發(fā)了一個(gè)電機(jī)ECU，但是該組件不符合將車輛上市的嚴(yán)格要求。對(duì)于量產(chǎn)型車輛，ECU需要具備各種控制功能以防止損壞車身并確保駕駛員和乘客在各種操作條件下的安全，包括難以或無法在物理硬件上進(jìn)行測(cè)試的極端情況。

全新的測(cè)試方法

我們的工程師把ECU連接至實(shí)時(shí)電機(jī)仿真來測(cè)試和驗(yàn)證各種條件，包括在傳統(tǒng)機(jī)械測(cè)試中可能會(huì)損壞系統(tǒng)的極端外界條件。他們開發(fā)出一種機(jī)制，以確保這種軟件仿真方法能夠?qū)崿F(xiàn)成功測(cè)試的三個(gè)主要目標(biāo)：

·在各種條件下驗(yàn)證ECU的功能，包括難以創(chuàng)建或復(fù)制的極端環(huán)境

·將測(cè)試用例與需求關(guān)聯(lián)起來，確保完整的測(cè)試覆蓋范圍

·輕松執(zhí)行回歸測(cè)試，以便快速驗(yàn)證設(shè)計(jì)迭代

為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，我們的工程團(tuán)隊(duì)采用V型圖方法來完成設(shè)計(jì)與驗(yàn)證流程。圖中顯示的是一種適用于嵌入式軟件設(shè)計(jì)與部署驗(yàn)證的分段式方法，其中列出了每個(gè)階段的測(cè)試點(diǎn)。在設(shè)計(jì)流程的多個(gè)步驟中，團(tuán)隊(duì)需要使用硬件在環(huán)(HIL)系統(tǒng)，通過可精準(zhǔn)代表實(shí)際汽車電機(jī)的實(shí)時(shí)電機(jī)仿真模型，驗(yàn)證電機(jī)ECU的性能。此外，借助HIL系統(tǒng)，我們的工程師可以自動(dòng)記錄測(cè)試結(jié)果，并在修改ECU后自動(dòng)執(zhí)行回歸測(cè)試，從而滿足可追溯性要求。

成功開發(fā)系統(tǒng)

我們開發(fā)了全新的驗(yàn)證系統(tǒng)，該系統(tǒng)由真實(shí)的電機(jī)ECU和可模擬電機(jī)運(yùn)行狀況的HIL系統(tǒng)組成。HIL系統(tǒng)可以通過設(shè)置電感和電阻等物理參數(shù)來仿真電機(jī)各種運(yùn)行條件。它還可以設(shè)置電力電子器件的參數(shù)，包括故障條件或測(cè)試場(chǎng)景，例如負(fù)載扭矩與所需旋轉(zhuǎn)速度的組合。通過在測(cè)試過程中簡(jiǎn)單地更改參數(shù)，HIL系統(tǒng)可以輕松模擬復(fù)雜的測(cè)試場(chǎng)景，比如之前的汽車打滑場(chǎng)景甚至是會(huì)破壞物理硬件的逆變器電力電子故障。當(dāng)操作員請(qǐng)求某個(gè)測(cè)試模式時(shí)，HIL系統(tǒng)會(huì)像真實(shí)的電機(jī)一樣做出響應(yīng)，然后可以將整體系統(tǒng)響應(yīng)與預(yù)期響應(yīng)進(jìn)行交叉對(duì)照，以驗(yàn)證控制器能夠安全處理各種測(cè)試場(chǎng)景。

因?yàn)檫@一流程需要非常高的計(jì)算性能，我們認(rèn)為NI是唯一能夠滿足這些要求的供應(yīng)商。我們選擇了基于FlexRIO FPGA模塊的核心系統(tǒng)硬件，也就是基于PXI的FPGA芯片控制器。這些模塊可執(zhí)行模擬電機(jī)運(yùn)行狀況的模型，所有部署的程序都使用NI LabVIEW系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行開發(fā)。

挑戰(zhàn)

利用自動(dòng)化測(cè)試開發(fā)全新的驗(yàn)證系統(tǒng)，以滿足斯巴魯?shù)谝豢盍慨a(chǎn)混合動(dòng)力車Subaru XV Hybrid的電子控制單元(ECU)所需的控制質(zhì)量等級(jí)要求，并創(chuàng)造出使用真實(shí)機(jī)器難以實(shí)現(xiàn)的嚴(yán)苛測(cè)試條件。

解決方案

使用NI FlexRIO硬件構(gòu)建驗(yàn)證系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以自動(dòng)執(zhí)行所有測(cè)試模式，并復(fù)制最嚴(yán)苛的測(cè)試環(huán)境，以盡可能保障用戶安全，同時(shí)達(dá)到所需的控制等級(jí)并滿足嚴(yán)苛的時(shí)間進(jìn)度要求。

選擇NI平臺(tái)的好處

在HIL系統(tǒng)中，仿真循環(huán)速率(也就是仿真的時(shí)間分辨率)是一個(gè)非常重要的參素。對(duì)于電機(jī)ECU，循環(huán)速率必須達(dá)到1.2μs或更低，模擬器才能運(yùn)行。其他供應(yīng)商的大多數(shù)仿真平臺(tái)都使用CPU進(jìn)行計(jì)算，循環(huán)速率在5μs至50μs范圍內(nèi)。

FlexRIO使用FPGA進(jìn)行控制和運(yùn)算來滿足處理需求，因此在運(yùn)算處理性能方面具備極大的優(yōu)勢(shì)。FlexRIO能夠達(dá)到所需仿真速率(1.2μs)，這是該系統(tǒng)采用FlexRIO的決定性因素。此外，F(xiàn)lexRIO內(nèi)置有高容量的動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存，因此我們可以利用使用JSOL公司的JMAG軟件工具鏈創(chuàng)建的JMAG-RT模型。這樣便可以表現(xiàn)出更接近真實(shí)電機(jī)的高度非線性特性。

此外，我們的工程師可以使用LabVIEW FPGA模塊在FlexRIO設(shè)備上對(duì)FPGA進(jìn)行圖形化編程，從而無需使用基于文本的語言(例如硬件描述語言)，即可使用FPGA技術(shù)快速開發(fā)系統(tǒng)。

開發(fā)出來的所有測(cè)試模式僅需118個(gè)小時(shí)就能自動(dòng)執(zhí)行完畢，而手動(dòng)執(zhí)行全部測(cè)試大約需要2300個(gè)小時(shí)。自動(dòng)化測(cè)試還可以降低風(fēng)險(xiǎn)以及減少手動(dòng)測(cè)試中可能發(fā)生的人為錯(cuò)誤。HIL系統(tǒng)的其他優(yōu)勢(shì)也有助于節(jié)省時(shí)間，比如準(zhǔn)備電機(jī)測(cè)試臺(tái)和樣車的設(shè)置步驟顯著減少，而且測(cè)試人員無需具備高壓操作資質(zhì)。