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混合動力和純電動動力系統(tǒng)執(zhí)行HIL測試的關(guān)鍵考慮因素

2021-10-08 13:19:52·  來源：恩艾NI  
　
混合動力和純電動動力系統(tǒng)在許多全電動或混合動力系統(tǒng)中，ECU必須管理多個獨(dú)立電源產(chǎn)生的電力。例如，混合動力傳動系統(tǒng)包含一個或多個電動機(jī)以及一個內(nèi)燃發(fā)動機(jī)
混合動力和純電動動力系統(tǒng)
 
在許多全電動或混合動力系統(tǒng)中，ECU必須管理多個獨(dú)立電源產(chǎn)生的電力。例如，混合動力傳動系統(tǒng)包含一個或多個電動機(jī)以及一個內(nèi)燃發(fā)動機(jī)。無論使用的是何種混合動力傳動系統(tǒng)類型，都意味著ECU必須以安全且可重復(fù)的方式控制兩個耦合對象，這兩個對象的動態(tài)速度可能截然不同，需要大量測試才能確?？刂葡到y(tǒng)的穩(wěn)定性。
 
例如，在路面結(jié)冰的駕駛條件下，車輪會突然失去牽引力。在加速時，這可能會導(dǎo)致電機(jī)速度急劇增加，需要安全地應(yīng)對。但是，從物理角度考慮，這種安全行為不可能在測功機(jī)上再現(xiàn)，即使是在測試跑道上，也是非常耗時和高難度的。由于針對這種特定安全條件開發(fā)的復(fù)雜控制算法必須進(jìn)行驗(yàn)證，測試需要考慮到極端的駕駛條件，以滿足量產(chǎn)車輛的質(zhì)量要求。


圖9. 混合動力系統(tǒng)的HIL測試需要考慮更多的因素

混合動力和全電動傳動系統(tǒng)都增加了ECU測試的復(fù)雜性。不管是哪種情況，驅(qū)動電動機(jī)都需要ECU產(chǎn)生高速PWM信號來驅(qū)動電力電子硬件。如果要HIL測試系統(tǒng)對來自被測ECU的高速數(shù)字信號做出正確的響應(yīng)，仿真必須以數(shù)量級達(dá)1μs的超快速循環(huán)速率運(yùn)行。另一個需要考慮的方面是，電動機(jī)表現(xiàn)出復(fù)雜的非線性行為，例如磁性飽和和齒槽轉(zhuǎn)矩，這些行為都很難直接建模。線性模型可用于測試ECU的基本功能，但復(fù)雜的行為也需要建模，才能進(jìn)行更嚴(yán)格的測試、調(diào)整和優(yōu)化。
 
傳統(tǒng)的仿真系統(tǒng)無法達(dá)到1μs的循環(huán)速率，這限制了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的測試能力，迫使他們嚴(yán)重依于賴昂貴的測功機(jī)或現(xiàn)場測試。在失去牽引力的情況下，如果要通過現(xiàn)場測試來確保在所有可能運(yùn)行條件下的安全性，所需的費(fèi)用非常高昂甚至不可能實(shí)現(xiàn)。然而，提高仿真速度和保真度有助于在仿真中進(jìn)行更多可重復(fù)的測試，從而減少物理測試的時間和成本。
 
要達(dá)到1μs的模擬周期，需要測試徹底改變電動機(jī)和電力電子HIL測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。一個關(guān)鍵方法是摒棄傳統(tǒng)的基于處理器的HIL系統(tǒng)，采用基于FPGA的仿真器。
 
由于通信總線將處理器和I/O分離開，傳統(tǒng)的基于處理器的HIL系統(tǒng)可提供的最大速度僅為50 kHz左右。在仿真的單個時間步長內(nèi)，對輸入進(jìn)行采樣后，采樣數(shù)據(jù)傳輸?shù)教幚砥鬟M(jìn)行處理，處理結(jié)果傳輸回I/O節(jié)點(diǎn)，并更新輸出結(jié)果。對于PCI或PXI總線，通信的延遲通常可占整個仿真周期的四分之三。將計(jì)算任務(wù)轉(zhuǎn)移到FPGA上有助于提高計(jì)算速度。然而，提高速度的最快方法是在單個設(shè)備上并列配置處理節(jié)點(diǎn)和I/O節(jié)點(diǎn)，這樣可最小化通信延遲。
 
對高級電機(jī)驅(qū)動器進(jìn)行實(shí)時仿真時，面臨的另一個挑戰(zhàn)是實(shí)現(xiàn)仿真保真度和速度的平衡。雖然進(jìn)行功能級HIL測試時，簡單的常量參數(shù)或線性模型就足夠了，但通常需要提高模擬保真度來提高測試的可靠性以及優(yōu)化先進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器。在不增加計(jì)算復(fù)雜度的情況下提高模擬保真度的一個有效方法是使用查找表替換模型參數(shù)，并在每次仿真迭代時更新這些參數(shù)。
 
使用有限元分析結(jié)果或通過實(shí)驗(yàn)得出的表格，您可以模擬復(fù)雜的非線性行為，例如齒槽轉(zhuǎn)矩或磁飽和，并設(shè)計(jì)可正確響應(yīng)復(fù)雜現(xiàn)象的控制器。無論是哪種情況，查找表都可以捕獲復(fù)雜的行為，而無需在仿真中直接對其進(jìn)行建模。

   36140_ATVT_Powertrain_EV_Solutions_Brief_A4_zh_cn_WR (1).pdf
  
 
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