電氣化迫使測(cè)試工程師加快速度

NateHolmes，NI首席解決方法經(jīng)理

更多測(cè)試，更復(fù)雜系統(tǒng)，更少時(shí)間

電池動(dòng)力總成技術(shù)和內(nèi)燃機(jī)（ICE）動(dòng)力總成技術(shù)從根本上來說是截然不同的。因此兩種技術(shù)要一系列截然不同的流程和測(cè)試方法。當(dāng)這兩種技術(shù)融合到混合動(dòng)力汽車（無縫集成）時(shí)，測(cè)試時(shí)間和成本有可能會(huì)大幅新增。

ICE完全是物理測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容是燃燒機(jī)械、壓力、溫度、流體、機(jī)械連接和動(dòng)力傳遞、排氣控制等，通過渦輪增壓器和增壓器以及其他方法提高燃燒室的爆炸效率或能量，將線性活塞運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)扭矩，并使用飛輪來平衡能量輸出。

而電動(dòng)動(dòng)力總成則完全是電氣測(cè)試，測(cè)試的是電力電子和開關(guān)頻率、電壓和電流、感應(yīng)和反電動(dòng)勢(shì)；電池容量、放電率、逆變器和轉(zhuǎn)換器的熱管理以及再生功率調(diào)節(jié)；電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)的相角和層壓板幾何形狀以及磁鐵位置和磁通線。

當(dāng)兩種技術(shù)以各種方式組合成混合動(dòng)力系統(tǒng)時(shí)，就要進(jìn)行集成測(cè)試，包括管理ICE和電子元件之間相互用途的控制方法、狀態(tài)圖以及規(guī)則，以確保系統(tǒng)能夠在所有駕駛條件和場(chǎng)景下做出適當(dāng)響應(yīng)。

混合動(dòng)力汽車（任何組合方式）比任何ICE或純電動(dòng)汽車（BEV）都更為復(fù)雜。

圖1.傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力總成和純電動(dòng)力總成之間的各種組合構(gòu)造。

日益復(fù)雜的系統(tǒng)所包含的組件也在不斷新增，這意味著故障概率新增了。關(guān)于測(cè)試工程師來說，這是1+1>>2。他們不僅要執(zhí)行傳統(tǒng)的ICE測(cè)試，還必須對(duì)電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)執(zhí)行新的且要求更高的子系統(tǒng)測(cè)試。測(cè)試工程師還必須設(shè)計(jì)廣泛的集成測(cè)試覆蓋范圍，以確保兩種技術(shù)無縫協(xié)同工作，供應(yīng)混合動(dòng)力汽車設(shè)計(jì)時(shí)所期望的效率、性能和駕駛體驗(yàn)。

滿足混合動(dòng)力電動(dòng)汽車測(cè)試需求

電動(dòng)動(dòng)力總成部件正在推動(dòng)更復(fù)雜的測(cè)試需求。測(cè)試工具正在不斷發(fā)展以跟上需求變化的步伐。測(cè)試工程師也必須緊跟不斷發(fā)展的技術(shù)，才能滿足汽車行業(yè)由于高速創(chuàng)新和新技術(shù)引入所帶來測(cè)試要求變化。以下是電動(dòng)動(dòng)力總成部件所引入的一些新測(cè)試要求，以及不斷進(jìn)步和完善、能夠滿足這些要求的測(cè)試工具。

更高保真度且更復(fù)雜的建模

相比ICE，電動(dòng)機(jī)和逆變器的響應(yīng)速度更快，且在其工作范圍內(nèi)表現(xiàn)出高度非線性特點(diǎn)。來自ECU的控制信號(hào)非常快（2-20kHZ），專用電機(jī)模型要以高出100倍的速度運(yùn)行（200kHz至2MHz），以便在硬件在環(huán)（HIL）測(cè)試中準(zhǔn)確地表示系統(tǒng)。假如是在用于ICEHIL基于處理器的實(shí)時(shí)系統(tǒng)上，這是無法高效實(shí)現(xiàn)的。因此，NI等測(cè)試系統(tǒng)供應(yīng)商正在開發(fā)基于FpGA的仿真工具，以在所需的微秒級(jí)循環(huán)速率下運(yùn)行使用專用電子建模工具創(chuàng)建的模型。斯巴魯已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了這樣一個(gè)系統(tǒng)，測(cè)試時(shí)間大幅縮短，僅為在測(cè)功機(jī)上進(jìn)行等效測(cè)試所需估計(jì)時(shí)間的1/20。

功率級(jí)測(cè)試

通常，ECU和逆變器封裝在一起，使得信號(hào)電平（-10到10V和幾mA）的測(cè)試變得非常困難。在全功率下進(jìn)行測(cè)試，拉灌實(shí)際電流要比把組件拆開進(jìn)行測(cè)試要方便得多。但是，這意味著在高達(dá)200千瓦的功率電平下進(jìn)行測(cè)試。這么大的功率電平要使用能夠供應(yīng)通道間隔離的專用設(shè)備和電源，可以吸收和供應(yīng)如此大規(guī)模的動(dòng)態(tài)負(fù)載，例如NI聯(lián)盟商Loccioni為法拉利混合動(dòng)力跑車的MagnetiMarelli逆變器開發(fā)的終端逆變器測(cè)試平臺(tái)。

電池模塊/電池組驗(yàn)證

電池，尤其是高容量插入式混合電池，必須在單元、模塊和電池組級(jí)別上分別進(jìn)行特性分析。電池單元以串聯(lián)/并聯(lián)方式組成電池組，要測(cè)試的電壓范圍高達(dá)0-800V以及相關(guān)于共模電壓的測(cè)量精度要求非常高，這些測(cè)試可能非常困難（或非常昂貴）。

圖2.電池組架構(gòu)（單元、模塊、電池組）和所需的電壓電平測(cè)量范圍

該電池組實(shí)際上擁有自己的ECU，也就是電池管理系統(tǒng)（BMS），不僅要對(duì)模擬電池組進(jìn)行組件級(jí)測(cè)試（比如使用NI聯(lián)盟商Bloomy開發(fā)的這一BMS測(cè)試解決方法），在其上運(yùn)行控制算法和函數(shù)，也要在子系統(tǒng)級(jí)別下對(duì)實(shí)際電池組進(jìn)行測(cè)試。這些測(cè)試發(fā)生在熱室中，因?yàn)殡姵氐墓ぷ魈匦苑浅４蟪潭纫蕾囉跍囟取y(cè)試包含特性分析和耐久性測(cè)試兩個(gè)方面，因?yàn)殡姵亟M性能的核心屬性是充電/放電行為和整個(gè)生命周期內(nèi)以及在各種溫度條件下的循環(huán)時(shí)間（電池組在各種氣候條件下正常使用的持續(xù)時(shí)間）。為了在可接受的時(shí)間內(nèi)完成測(cè)試并具有統(tǒng)計(jì)意義，汽車制造商正在并行測(cè)試許多（數(shù)十到數(shù)百個(gè)）電池組。高效地管理這些測(cè)試裝置、生成的數(shù)據(jù)以及確保數(shù)據(jù)的可追溯性和測(cè)試數(shù)據(jù)有效性的置信度，要專門為此設(shè)計(jì)測(cè)試自動(dòng)化、系統(tǒng)管理和數(shù)據(jù)管理工具。

集成測(cè)試

假如汽車制造商只能依賴實(shí)驗(yàn)室或道路/軌道測(cè)試來進(jìn)行物理驗(yàn)證測(cè)試，那么要確保測(cè)試能夠覆蓋所有預(yù)期用例和工作條件是不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)檫@將非常昂貴且耗時(shí)。為了解決這個(gè)問題，測(cè)試工程師正在嘗試通過HIL測(cè)試來增強(qiáng)系統(tǒng)集成測(cè)試時(shí)的數(shù)據(jù)測(cè)試。HIL測(cè)試是基于模擬的物理驗(yàn)證和確認(rèn)測(cè)試之間。在系統(tǒng)集成測(cè)試中，可以根據(jù)要驗(yàn)證的組件或行為來模擬系統(tǒng)的各個(gè)部分。擁有靈活的測(cè)試環(huán)境和架構(gòu)可以支持模擬和實(shí)際組件的各種組合，從而顯著縮短測(cè)試時(shí)間，同時(shí)供應(yīng)廣泛的測(cè)試覆蓋率，并提高對(duì)系統(tǒng)級(jí)性能和可靠性的信心。

圖3.在可支持真實(shí)和模擬系統(tǒng)組件的各種組合的平臺(tái)上進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化可以顯著提高測(cè)試效率和設(shè)備復(fù)用率。

為何汽車制造商不制造純電動(dòng)汽車？

可以說，電動(dòng)動(dòng)力總成的性能更為優(yōu)越，其優(yōu)點(diǎn)包括更高的性能、更快速的響應(yīng)、更低的噪聲、零排放、低維護(hù)和駕駛成本，更安全，更簡(jiǎn)單（更少移動(dòng)組件和故障點(diǎn)），而且還為設(shè)計(jì)工程師供應(yīng)了令人興奮的自由發(fā)揮空間，因?yàn)殡妱?dòng)汽車移除或大大簡(jiǎn)化了復(fù)雜且昂貴的重型組件，如內(nèi)燃機(jī)和相關(guān)的皮帶驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、排氣和催化轉(zhuǎn)換器以及變速箱。這些組件由更小的組件代替，具有更高的功率/重量比，并且允許更靈活的放置。唯一的問題是純電動(dòng)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)過于昂貴（很大程度僅取決于一個(gè)部件：電池組）。

然而，汽車制造商必須滿足各國(guó)政府對(duì)汽車的各種效率和排放要求，他們認(rèn)為電氣化具有誘人的性能優(yōu)勢(shì)。因此，他們決定以各種有趣的方式將動(dòng)力總成技術(shù)分解并融合在一起，努力讓ICE車輛具備電動(dòng)汽車的一些優(yōu)勢(shì)。但他們?nèi)员仨毞乐箞?jiān)持使用足夠大的電池組來制造純電動(dòng)汽車，因?yàn)殡姵爻杀居型粩嘞陆怠?/p>

好消息是，我們正在迅速實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，并且正大力投資到電池技術(shù)的創(chuàng)新，這不僅是汽車領(lǐng)域的需求，也是消費(fèi)者技術(shù)（例如手機(jī)）的需求。電池性能/成本曲線給我們帶來了巨大希望，每年成本的降幅高達(dá)兩位數(shù)，并且沒有放緩的跡象。

圖4.電池組價(jià)格/KWh持續(xù)下降，正在不斷趨近大眾市場(chǎng)愿意接受純電動(dòng)汽車的100美元/KWh臨界點(diǎn)。

另一方面，汽車制造商轉(zhuǎn)向混合動(dòng)力車的問題在于，混合動(dòng)力車不僅沒有降低汽車的復(fù)雜性，反而新增了汽車的復(fù)雜性。混合動(dòng)力系統(tǒng)包含更多組件，因而可能的故障點(diǎn)也更多。此外，混合動(dòng)力車還要解決集成兩種不同動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)這一棘手的問題。管理此集成要高級(jí)組件以及更高級(jí)的軟件和控制方法。

跟上創(chuàng)新的步伐

汽車制造商積極開發(fā)混合動(dòng)力汽車的目的在很大程度上是為了滿足政府對(duì)汽車燃油效率和排放等級(jí)的要求，同時(shí)也面對(duì)著要在與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手相同的時(shí)間期限內(nèi)供應(yīng)有吸引力的電氣化產(chǎn)品（已確定為消費(fèi)者的強(qiáng)烈需求）的壓力。這些因素加速了電動(dòng)汽車開發(fā)的時(shí)間進(jìn)度表，給測(cè)試工程師帶來了更大的壓力，要求他們?cè)诟痰臅r(shí)間內(nèi)對(duì)更復(fù)雜系統(tǒng)完成更多的測(cè)試，以確保這些混合動(dòng)力車輛設(shè)計(jì)的安全性、可靠性和高性能。幸運(yùn)的是，測(cè)試平臺(tái)工具和技術(shù)的發(fā)展速度恰好能夠趕上一般汽車行業(yè)的創(chuàng)新速度。汽車測(cè)試小組必須充分利用這些進(jìn)步來滿足其組織和汽車項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)日益上升的需求。