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德斯拜思機電控制技術(shù)（上海）有限公司主要提供機電控制技術(shù)產(chǎn)品開發(fā)工具鏈，主要服務(wù)于快速原型、硬件在環(huán)、自動代碼生成、虛擬仿真等領(lǐng)域。2022年12月8日，由蓋世汽車主辦的2022第三屆汽車電驅(qū)動及關(guān)鍵技術(shù)大會中，德斯拜思機電控制技術(shù)（上海）有限公司電驅(qū)動工程團隊經(jīng)理李晉彪介紹，硬件在環(huán)測試的主要作用是提供測試環(huán)境，即便在沒有實車和真實電機、逆變器的情況下，也能通過仿真板卡去模擬出實車上的電驅(qū)動環(huán)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(huán)都能很好地進行仿真，實現(xiàn)故障注入測試，以便于在研發(fā)早期進行產(chǎn)品級別的測試，提高測試效率、降低測試成本。
李晉彪表示，相對于傳統(tǒng)汽車的測試，電動汽車測試的最大挑戰(zhàn)是模型的挑戰(zhàn)。因需要保證被控對象模型能夠精確仿真出電路的特性，模型方案的數(shù)量將十分龐大，且對建模效率及硬件計算平臺性能的要求也會更高。針對電驅(qū)動系統(tǒng)，德斯拜思提供信號級、功率級和機械臺架級的硬件在環(huán)測試能力，且該高效測試系統(tǒng)還具備動態(tài)性、高精度等優(yōu)勢，能快速響應(yīng)電驅(qū)系統(tǒng)的多種測試需求。
李晉彪 | 德斯拜思機電控制技術(shù)（上海）有限公司電驅(qū)動工程團隊經(jīng)理
以下為演講內(nèi)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仿真測試的合作伙伴，今天很高興有機會向業(yè)界各位專家和同仁分享德斯拜思在仿真測試領(lǐng)域的方案和經(jīng)驗。
硬件在環(huán)測試及其意義
根據(jù)傳統(tǒng)V型開發(fā)流程，從早期算法開發(fā)到算法快速驗證、產(chǎn)品代碼生產(chǎn)都屬于研發(fā)，而我們屬于測試領(lǐng)域。當控制器的A樣或B樣產(chǎn)品生產(chǎn)出來后，在上臺架做性能的標定之前，HIL就可以介入到測試環(huán)境中，硬件在環(huán)測試的主要作用就是提供測試環(huán)境，即便測試環(huán)境中沒有實車和真實的電機、逆變器，我們也能通過IO板卡去仿真出實車上的電驅(qū)動環(huán)境，測試MCU等電控單元，以保證在HIL臺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進行產(chǎn)品級的功能安全測試，尤其是軟件功能安全規(guī)范。為了測試不同的功能場景，ISO26262要求用戶需準備對應(yīng)的測試方法，而HIL就可以很好地實現(xiàn)測試場景的搭建，根據(jù)電機、電池、電控、控制器等不同的測試領(lǐng)域，HIL會根據(jù)不同的測試場景進行適配。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(jié)果的置信水平。
圖片來源：德斯拜思
在規(guī)范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(tǒng)的模型在環(huán)、軟件在環(huán)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(guān)的功能，就需要依靠硬件在環(huán)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(fā)早期進行產(chǎn)品級別的測試。
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接下來是HIL臺架搭建的拓撲。首先會一臺上位機電腦，主要負責前期模型的搭建以及后期測試環(huán)境、測試用例的編寫。核心部件是測試臺架當中的處理單元，無論是實時處理器還是高速仿真板卡都具有高速運算模型的能力。各種測試環(huán)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(diào)用I/O通道，I/O通道的數(shù)量和規(guī)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，都需要特殊的板卡進行處理。如果IO板卡的通道或被測件規(guī)格比較特殊，也可以加入信號調(diào)理板卡，滿足整個測試環(huán)境硬件層面的功能。
整體機柜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(jù)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(xiàn)，一種是通過軟件模擬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(yīng)的開關(guān)繼電器就能在不破壞線束的情況下，直接在設(shè)備和系統(tǒng)內(nèi)部處理對應(yīng)的信號，最終實現(xiàn)故障注入的測試。
根據(jù)不同測試場景，我們也可以定制化測試環(huán)境，通過外接真實的負載或傳感器，最終實現(xiàn)整體上的臺架環(huán)境搭建。
無論是國外還是國內(nèi)，OEM和Tier1供應(yīng)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，提高產(chǎn)品研發(fā)的測試效率。第二，能夠節(jié)省臺架測試的搭建成本，一臺HIL的成本約為標準臺架的1/5或1/6，因此可以準備多套臺架同時并行多個項目。第三，技術(shù)的發(fā)展日新月異，而一致性和擴展性良好的HIL測試臺架可以應(yīng)對日益增加的復(fù)雜測試要求。
基于上述目標，HIL已在汽車行業(yè)內(nèi)廣泛應(yīng)用，此外HIL還具有獨特的優(yōu)勢。首先是可以在產(chǎn)品研發(fā)早期進行功能測試，此外，HIL測試系統(tǒng)可以很方便地復(fù)制，以及實現(xiàn)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復(fù)現(xiàn)產(chǎn)品的具體故障工況。
針對電驅(qū)系統(tǒng)的硬件在環(huán)測試系統(tǒng)
圖片來源：德斯拜思
傳統(tǒng)的電驅(qū)系統(tǒng)閉環(huán)拓撲包括主控制板、功率放大單元（逆變器）、電機以及機械負載。HIL通常有三種級別的測試，第一種是信號級別的測試，被測件為紅線左邊的控制板，在控制板中采集到信號后，系統(tǒng)會仿真出逆變器、電機以及機械負載的特性，最終實現(xiàn)閉環(huán)的調(diào)試。該層面需要針對控制板的IO做注入，我們會直接反映出采樣信號，然后對接到控制板中。
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板+驅(qū)動板。在HIL中我們會仿真電機模型，并在仿真板卡中運行。仿真板卡通常為普通的IO板卡，信號規(guī)格不會特別高，而驅(qū)動板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(zhuǎn)換，我們一般會引入功率負載的概念。這一產(chǎn)品的主要作用是接收真實的三相電壓并采集到板卡內(nèi)部，板卡計算出的電流會產(chǎn)生出真實的電流，直接進入電流傳感器，形成完整的閉環(huán)。
最后一種是機械級臺架的測試，最簡單的是提供負載電機，對被測件的電機做對拖。再復(fù)雜一些則可以根據(jù)不同的車載位置，加入變速箱、傳動軸或底盤相關(guān)的轉(zhuǎn)向、制動等機械部件，并在對應(yīng)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，因此仿真模型的精確度對測試的影響度較高，尤其是對于電力電子和電驅(qū)動的應(yīng)用。對于逆變器、電機、高頻的DC/DC等電力電子單元，毫秒級別的仿真無法滿足要求，必須把仿真壓縮到納秒級別，這樣一來就會引入FPGA仿真策略。在整個開關(guān)周期內(nèi)，仿真頻率基本上為開關(guān)頻率的100-1000倍，在一次開關(guān)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(guān)效應(yīng)產(chǎn)生的電流紋波，也能精確地仿真出來。
我們的仿真步長最小可以壓縮在100ns以內(nèi)，理論上最高支持100kHz的開關(guān)頻率，因此能高精度地仿真出電機特性。用戶可通過供應(yīng)商或臺架標定并導(dǎo)入電機模型參數(shù)，能達到90-95%的精確度，對于功能測試和控制邏輯測試而言，這一精度已經(jīng)足夠高。
在信號級HIL測試中，我們會在整體上對仿真架構(gòu)進行切割，將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板卡中，與控制板進行對接。通過這樣的仿真，電流基波響應(yīng)范圍會更寬，電流紋波也可以得到精確的復(fù)現(xiàn)。
圖片來源：德斯拜思
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(zhí)行電機仿真，60V一般是針對48V輕型混動車、EPS或發(fā)電機的仿真，整個模塊可通過并聯(lián)的形式提升電流和功率等級。
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機械級臺架相當于簡單的性能標定臺架。機械臺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臺架中，在對應(yīng)的位置加入負載電機。以轉(zhuǎn)向電機為例，可以在上面加上旋轉(zhuǎn)電機模擬駕駛員打方向盤的行為，并在拉桿末端加上直線電機模擬轉(zhuǎn)向阻力。機械臺架上通常有模擬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，通過模擬量采樣后轉(zhuǎn)化成串口數(shù)據(jù)發(fā)回機柜，從而解決采樣精度和傳輸距離的問題。
機械臺架的定制化程度較高，根據(jù)不同的應(yīng)用場景，我們從最簡單的對拖到最復(fù)雜的高性能三電機臺架都能根據(jù)客戶需求去做定制化處理。
硬件在環(huán)測試領(lǐng)域的新需求
隨著技術(shù)的發(fā)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(huán)境中，這也對臺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(zhí)行端的電氣拓撲上來看，早期我們主要研究電機+逆變器，后面會研究低壓的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(xié)議和標準，而慢充交流充電則涉及到OBC的測試，OBC的電路更加復(fù)雜，開關(guān)頻率也會特別高，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(guī)模的電路仿真。因此隨著電力電子在汽車行業(yè)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(tǒng)汽車的HIL測試，汽車行業(yè)中電力電子HIL測試的最大挑戰(zhàn)是模型的挑戰(zhàn)。我們需要保證被控對象模型能夠精確仿真出電路的特性，而電路類型會決定整個系統(tǒng)的復(fù)雜程度；其次，開關(guān)元器件的數(shù)量，尤其是開關(guān)頻率是非常關(guān)鍵的技術(shù)指標，開關(guān)頻率越高，為了保證精度，模型就要算得越快，這將對模型效率和搭載的硬件計算平臺性能提出更高要求。
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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(guān)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(yīng)用場景通常為DCDC電路。而對于更復(fù)雜的模型，例如OBC，其中的諧振變流器開關(guān)頻率非常高，且模型拓撲非常復(fù)雜，因此會對模型提出非常高的要求。我們會以300K開關(guān)頻率為依據(jù)進行切割，對于300K以內(nèi)的開關(guān)頻率可以做到瞬時的精確建模，如果超過300K，那么就需要“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(guān)頻率之內(nèi)，仍然可以實現(xiàn)功能級別的測試。
我們通常會使用2-3塊板卡做分布式仿真，板卡與板卡之間會使用高速互連線纜進行連接，能達到納秒級別的通訊速率，并將延遲壓縮在1微秒以內(nèi)，以保證實時性。FPGA板卡和處理器板卡之間會有高速的光纖通信，此處的信號延遲稍長，約為2-3微秒，非核心的關(guān)鍵信號通常會在這里進行傳遞。
圖片來源：德斯拜思
除了模型之外，目前業(yè)界逐漸涌現(xiàn)出來的需求就是電機模擬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臺架。高壓功率臺架首先需要電池的模擬單元，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，電機模擬器會模擬三相、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(tǒng)采用能量循環(huán)的機制，最終實現(xiàn)閉環(huán)的能量回饋。整個系統(tǒng)會與實驗室的電網(wǎng)隔離開，從而保證系統(tǒng)的安全性。
中間用到的核心模塊是高壓電子負載模塊。閉環(huán)測試對功率臺架的動態(tài)性要求非常高，當模型計算完成后真實電流需要在短時間內(nèi)產(chǎn)生，且中間的延遲不能影響到控制器的閉環(huán)。我們在高壓1250V下采用了碳化硅的控制技術(shù)，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范圍內(nèi)。
除了電驅(qū)動，我們還會涉及到充電方面的HIL測試。其主要特點是標準種類較多，不同的充電槍規(guī)格和通信協(xié)議會對整個系統(tǒng)的適配性提出更高要求。
圖片來源：德斯拜思
我們通常會使用專門的轉(zhuǎn)接通信測試盒以及轉(zhuǎn)接盒進行測試，因此無論是哪種標準，最終我們都可以適配相應(yīng)的測試場景。
根據(jù)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擬器，對實車進行充電，既可以進行通信協(xié)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(yè)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(shù)和方案。
（以上內(nèi)容來自德斯拜思機電控制技術(shù)（上海）有限公司電驅(qū)動工程團隊經(jīng)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(qū)動及關(guān)鍵技術(shù)大會中發(fā)表的《新能源汽車電驅(qū)系統(tǒng)的高效硬件在環(huán)測試》主題演講。）
