當(dāng)今的汽車變得非常的復(fù)雜，有幾個趨勢推動了復(fù)雜性的日益增加，比如信息娛樂系統(tǒng)技術(shù)的興起、車內(nèi)不斷增加的傳感器數(shù)量和計算能力以及世界各國政府不斷制定法規(guī)要求汽車制造商提高燃油經(jīng)濟(jì)性的平均水平。為了滿足平均燃油經(jīng)濟(jì)性水平要求，制造商轉(zhuǎn)向油電混合動力汽車。但是，隨著傳統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)與電力電子系統(tǒng)的混合，增加電子組件的同時也增加了測試的難度。汽車動力總成測試的挑戰(zhàn)如下：

電池測試

挑戰(zhàn)：

混合電動汽車和純電動汽車的典型電池拓?fù)涠际且噪姵貑卧獮榛A(chǔ)，每個單元的電壓都很低，大多數(shù)電池的電壓一般在1至4V范圍內(nèi)。電池以串聯(lián)和并聯(lián)方式相互連接就形成電池模塊，電池模塊之間通過串聯(lián)連接來獲得整個汽車所需的總線電壓，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有出色的擴(kuò)展性，但是要測試拓?fù)渲械拿總€單元卻非常困難。

例如，如圖所示，假設(shè)第一個模塊中藍(lán)色電池單元為5V，該單元處在5V共模電壓的位置上，這一電壓使用工作范圍為10V的傳統(tǒng)多功能數(shù)據(jù)采集設(shè)備即可測量。


但是，在下圖中，剛才測量的5V單元具有400V共模電壓，測量這個單元使用普通的多功能DAQ設(shè)備是無法實現(xiàn)的。此測量可使用數(shù)字萬用表或DMM進(jìn)行，但是每通道的成本非常高且無法將該測量與其他的測量同步。


解決方案：PXIe-4310

PXIe-4310是一款8通道600V CAT0通道間隔離設(shè)備，可在+/- 1V至+/- 600V范圍內(nèi)進(jìn)行同步測量。通道間隔離是在高共模電壓下進(jìn)行低電壓測量的關(guān)鍵，而同步測量可精確地展現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)。在PXI平臺上，動態(tài)系統(tǒng)可輕松與其他測量同步。

電子電力部件測試

電機(jī)和控制系統(tǒng)包含4個主要部件，控制器、電池、電機(jī)和逆變器。測試時主要采用硬件在環(huán)（HIL）的方法，它是一種用于測試嵌入式控制系統(tǒng)的方法。測試過程中，真正的待測對象由實時仿真代替，在測量控制信號后以仿真的傳感器信號進(jìn)行回應(yīng)，以便控制器相信它控制的是真實的物理系統(tǒng)。電機(jī)控制器的HIL系統(tǒng)用動態(tài)的仿真對象代替逆變器、電池和電機(jī)，HIL系統(tǒng)讀取來自控制器的高速PWM信號作為模擬的輸入，然后計算真實電機(jī)如何相應(yīng)這些輸入，并向ECU提供仿真的電壓和電流傳感器反饋信號。電子電力仿真面臨著一些獨特的挑戰(zhàn)。

挑戰(zhàn)一：超快速PWM信號輸入到模型

ECU提供的PWM信號速度非?？?，通?；l為2-20kHz，模型必須非?？焖俚淖x取PWM信號并做出響應(yīng)，其運行頻率通常要比PWM信號開關(guān)頻率快100倍，才能捕獲干凈的PWM上升沿和下降沿。因此，模型和仿真對象本身的運行頻率必須在200kHz至2MHz。

解決方案：模型循環(huán)速率

仿真到FPGA


為了達(dá)到電力電子仿真所需的速度，NI將仿真計算從CPU 轉(zhuǎn)移到FPGA，這樣I/O節(jié)點和計算節(jié)點都位于FPGA硬件上，因而I/O和計算之間就不存在通信延遲了，這有助于實現(xiàn)微秒級循環(huán)速率的實時仿真，獲得200 kHz到2M kHz的循環(huán)速率。這些仿真可以在NI的大型FPGA平臺、FlexRIO和R系列上運行。


用于HIL應(yīng)用的NI CompactRIO平臺

此外，可以在NI CompactRIO平臺上運行這些類型的仿真，CompactRIO用于該應(yīng)用領(lǐng)域的一個優(yōu)勢是所有I/O都鏈接到一個FPGA 。

挑戰(zhàn)二：特殊電氣建模工具

電力電子仿真通常使用更適合于特定類型仿真的專門建模工具，模型本身以及模型中使用的解決方案是專門針對該類型的高速電力電子仿真而設(shè)計。

解決方案：專業(yè)建模工具

OPAL-RT——FPGA中的eHS求解器

NI與OPAL-RT合作，將其行業(yè)領(lǐng)先的研發(fā)成果應(yīng)用到NI FPGA上以更好地為建模環(huán)境提供支持。使用OPAL-RT工具，可以利用建模環(huán)境中的已有設(shè)計模型以及NI和OPAL-RT工具鏈將模型直接部署到FPGA中以實現(xiàn)非常高速的電力電子仿真。被稱為eHS的求解器可允許HIL模型循環(huán)速度在亞微秒范圍內(nèi)，并無縫集成到NI現(xiàn)有的實時測試平臺中。

VeriStand實時測試和仿真軟件

這一過程還可結(jié)合VeriStand進(jìn)一步實現(xiàn)，VeriStand是用于實時測試測試執(zhí)行的NI軟件工具，軟件提供激勵生成、數(shù)據(jù)記錄、自動化以及模型所需的所有功能，可以創(chuàng)建功能全面的實時測試系統(tǒng)。因此，將eHS求解器與VeriStand相集成，即可在NI平臺中實現(xiàn)高速模型和FPGA。

挑戰(zhàn)三：非線性電機(jī)模型

電動機(jī)的參數(shù)在電動機(jī)整個電流和速度范圍內(nèi)的線性度極差，使用單個參數(shù)無法重現(xiàn)電機(jī)的真實行為。

圖表顯示了整個電機(jī)工作區(qū)間的典型電感表

解決方案：非線性電機(jī)模型



為了實現(xiàn)更高保真度的建模，NI支持導(dǎo)入有限元分析（FEA）模型數(shù)據(jù)，F(xiàn)EA模型數(shù)據(jù)使用參數(shù)值的查找表并根據(jù)模型的狀態(tài)，在模擬的每次迭代中插入每個模型參數(shù)的新值。流程是選擇已有的FEA模型，然后根據(jù)FEA模型的多次運行結(jié)果將參數(shù)導(dǎo)出到查找表，然后將參數(shù)導(dǎo)入VeriStand，最后計算實時測試結(jié)果。

挑戰(zhàn)四：功率電平測試 - 500W到25MW
ECU和逆變器通常封裝在同一個盒子中，使信號電平的測試非常困難。

解決方案：功率電平測試

ECU和逆變器通常封裝在同一個物理外殼中，給電機(jī)和電池留出接口。控制器的電流和電壓測量都在該外殼內(nèi)進(jìn)行，因此信號測量需要打開ECU的外殼來測量信號。但是，對于HIL中的功率信號測量來說，NI使用一個電力電子系統(tǒng)和一個可以拉灌電流的電源，這一過程稱為負(fù)載仿真。因此，NI不是將電機(jī)驅(qū)動器連接到真正的電機(jī)，而是將其連接到模擬器，然后可以命令該模擬器系統(tǒng)像任何有源或無源負(fù)載一樣輸入和輸出電流。這種有源負(fù)載的帶寬>20 kHz，工作效率高達(dá)95%，這意味著它可以復(fù)制非常高速的動力學(xué)特性，幾乎不浪費任何能量。