HW/SW混合模拟如何使电动汽车更智能、更硬、更环保(第一部分)|电子设计

电动汽车和插电式混合动力汽车(电动汽车和插电式混合动力汽车)正在帮助世界结束对化石燃料的依赖，同时降低车主的交通成本。但电动汽车/插电式混合动力汽车的传动系统设计比传统汽车更具挑战性，这在很大程度上是因为其中涉及大量的机电组件，以及它们之间复杂的相互作用。因此，在这个日益复杂的设计领域，硬件在环(HIL)模拟和测试已经成为汽车行业最重要的工具之一。

HIL测试结合了电池仿真，可以为测试电动汽车部件和系统提供竞争优势。电池仿真有助于加速测试电力动力系统，直流快速充电，以及其他需要电池测试的电动汽车应用程序。(来源:NH研究,https://nhresearch.com/testing-electric-vehicles-with-battery-emulation/）

由于HIL在许多其他复杂机电系统产品(农业设备、公用事业规模的风力涡轮机等)的创造中也扮演着重要角色，电子设计邀请了Joel Van Sickel, MathWorks的高级应用工程师，介绍了HIL测试的一些重要概念。他还揭示了HIL测试为电动汽车/插电式混合动力汽车和其他节能产品的开发带来的一些优势，这些优势将有助于向充满活力、可持续的经济转型。

当你提到HIL模拟时，这是ECU的模拟(我认为这是正确的?)，硬件是由ECU控制的，还是完全由其他东西控制的?

好问题。在讨论HIL测试时，模拟的是由发动机控制单元(ECU)控制的硬件/系统。

所以“ECU”是被测试控制器的正确术语。ECU是汽车行业的通用术语;否则，它就被称为控制器或嵌入式系统，通常是在微控制器上实现的。但是其他一些相关的混合硬件/软件测试类型被用于设计和开发，可能涉及也可能不涉及ECU。

在我们深入研究这项技术之前，让我们先熟悉一些跨行业使用的更常见的术语:

特定的术语(这些术语总是传达实时系统的特定实现)

CHIL模拟(控制器硬件在环):这也是人们在提到HIL时通常所指的内容。在这种情况下，有真正的控制硬件，例如连接到实时计算机的ECU，它模拟被控制的硬件。
PHIL仿真(电源硬件在环):在这种情况下，控制器和部分电源处理硬件正在进行测试，系统的其余部分是虚拟的。例如，对于电动汽车的传动系统，电机控制器可以连接到逆变器和牵引电机，但电池是模拟的。实时计算机将计算出电池对给定驱动剖面的响应，并将此信息提供给dc-dc转换器，后者将模拟电池的输出电压，这样逆变器和电机就会响应，就像连接到真正的电池一样。
RCP(快速控制原型):这是CHIL的补充。该控制器由实时计算机模拟，并与实际(硬件)系统相连接。

通用术语

HIL仿真:上面提到的任何实时系统，但在大多数情况下都指的是CHIL仿真。MathWorks专门使用HIL模拟来指代CHIL模拟。

HIL测试是否可以用于研究多个子系统之间的交互作用，甚至可以用于动力传动系统或电池系统的端到端检查?

HIL系统可以扩展到模拟非常大的系统，并且可以连接多个控制器而不是一个。需要规划来设置HIL系统，以确保每个控制器都有足够的I/O通道和计算带宽。这种端到端工作通常由具有最多HIL经验的客户完成。开始使用HIL测试的公司通常会先模拟一个系统，然后再扩展。

模拟多个子系统实际上是提高系统效率的一个很好的机会。随着越来越多的系统同时运行(电池、逆变器、电机、冷却系统、刹车等)，确定最有效的运行模式就变得越来越有挑战性。让来自所有不同系统的真实控制器在相同的HIL模拟中相互作用，为如何优化系统以协同工作提供了重要的见解。在这个过程中，一些竞争性的目标是系统效率、航程、行驶质量、电池退化和热考虑。

这种EV模型适用于硬件在环(HIL)部署。测试设置的完整细节可以在MathWorks网站上看到点击这里．(来源:MathWorks)

使用HIL的电动汽车传动系统的哪些部分提供了最大的提高效率的机会?如果可能，请提供一两个例子。

汽车测试工程师使用HIL来改善动力传动系统开发周期的方法之一是，将该系统用作虚拟测力计(也称为虚拟动态测力计)，它可以模拟传统上用于测试电机的机器，而无需将其放入汽车中。测功器和它的虚拟孪生元件将测试电机连接到一个校准负载上，然后以一系列特定的速度运行，同时精确测量电机在每个测试点施加的扭矩。

在虚拟动态仿真中，在实时计算机上对变频器和电机进行仿真，并将开发中的电机控制器连接到输出端。这使得控制器的大量测试和校准无需使用所有需要进行大量动态测试的设备。动态测试硬件昂贵，测试时间有限，限制了汽车制造商的测试能力。(有关详情，请参阅“基于虚拟动态纳米仿真的永磁同步电机转矩控制器设计．”)

本文给出了电动汽车测功机测试模型的实例。测试环境包含一个异步机(ASM)和一个内部永磁同步机(IPMSM)，它们通过一个机械轴背靠背地连接在一起。两台机器都是由高压电池通过控制三相转换器供电。164千瓦的ASM产生负载转矩，35千瓦的IPMSM是被测电机。被测控制机(IPMSM)子系统控制IPMSM的转矩。该控制器包括一种基于pi的多速率控制结构。(来源:MathWorks)

电流饱和是可以用虚拟动态分析仪分析的最重要参数之一。随着电机中电流的增加，电压和电流之间的关系从线性关系变为非线性关系。简单的控制方法在低速度下是有效的，随着电流的增加就变得不那么有效了。

磁链弱化控制的实施解决了这个问题，不仅提高了电机的效率，而且与传统的线性控制技术相比，还增加了电机运行时的最大功率。HIL模拟可用于微调磁通减弱算法，以使电机提供最佳的效率和性能。

在机械、电子和电气系统之间是否有任何特定类型的微妙互动是HIL测试特别擅长的?举一两个例子就太好了!

虚拟测力计还经常用于分析空间谐波，从而了解电机将如何产生扭矩。即使在理想的条件下，由于转子和其他部件在负载下的弯曲，电机产生的转矩也会出现一些机械脉动。

一个虚拟的dyno允许工程师分析系统的端到端行为，然后看看控制器是否可以编程来补偿脉动，以产生更一致的转矩输出。这种分析对电动汽车和插电式混合动力汽车都很有价值，因为它可以改善操作和用户感觉，并提高电动传动系统的寿命。

图3中的图代表了HIL测试设置的输出。它们显示了电动汽车中PMSM电机产生的扭矩及其温度。在模拟的前半部分，电机将车辆加速到规定的速度，然后继续施加扭矩，推动车辆上山。在仿真的后半部分，电机充当了发电机的角色，从电机转矩符号的变化可以看出。(来源:MathWorks)

HIL模拟也成为模拟电气化运输系统中使用的大型、复杂电池系统的首选工具。它可以用来建模和分析单个电池以及整个电池子系统的行为。通过观察单个细胞或细胞组，设计师能够洞察细胞平衡等问题。在广泛的操作条件下执行完整电池组的详细模型，可以进行严格的系统级分析。

这种类型的模拟非常有价值，因为电池有各种各样的状态，很难在真实世界的测试中重现。例如，电池对热效应非常敏感，热效应是由周围环境和充放电过程中的自热引起的。因此，有必要在特定温度和充电状态的大矩阵中测试电池组。在“现实世界”中进行这一系列测试需要昂贵的设备，而且非常耗时。

相比之下，使用精确模型执行的HIL模拟可以在数小时内快速配置并提供高粒度的数据。HIL也大大简化了评估汽车的性能和性能，因为随着时间的推移，电池会退化。同样的模型可以用来洞察效率，并允许设计师探索各种充电策略。

HIL也使得评估热管理策略的严格权衡研究更容易进行。最后一个不太明显的问题是，电池涉及电气和化学安全问题。因此，测试它们需要一个实验室设置，甚至更昂贵和更具挑战性的操作，作为一个工作空间配备只处理电气安全问题。

采访的第一部分到此结束。在第2部分中，MathWorks的Joel Van Sickel将详细介绍HIL/CHIL系统的实现，以及在将系统功能划分为硬件和软件时需要考虑的一些问题。他还将讨论HIL/ child测试如何帮助设计师提高车辆的效率。