NI关于测试电动和混合动力汽车的动力系统的解决方案 提高准确性和覆盖率

当今的汽车变得非常的复杂，有几个趋势推动了复杂性的日益增加，比如信息娱乐系统技术的兴起、车内不断增加的传感器数量和计算能力以及世界各国政府不断制定法规要求汽车制造商提高燃油经济性的平均水平。为了满足平均燃油经济性水平要求，制造商转向油电混合动力汽车。但是，随着传统机械系统与电力电子系统的混合，增加电子组件的同时也增加了测试的难度。汽车动力总成测试的挑战如下：

电池测试

挑战：

混合电动汽车和纯电动汽车的典型电池拓扑都是以电池单元为基础，每个单元的电压都很低，大多数电池的电压一般在1至4V范围内。电池以串联和并联方式相互连接就形成电池模块，电池模块之间通过串联连接来获得整个汽车所需的总线电压，这种拓扑结构具有出色的扩展性，但是要测试拓扑中的每个单元却非常困难。

例如，如图所示，假设第一个模块中蓝色电池单元为5V，该单元处在5V共模电压的位置上，这一电压使用工作范围为10V的传统多功能数据采集设备即可测量。


但是，在下图中，刚才测量的5V单元具有400V共模电压，测量这个单元使用普通的多功能DAQ设备是无法实现的。此测量可使用数字万用表或DMM进行，但是每通道的成本非常高且无法将该测量与其他的测量同步。


解决方案：PXIe-4310

PXIe-4310是一款8通道600V CAT0通道间隔离设备，可在+/- 1V至+/- 600V范围内进行同步测量。通道间隔离是在高共模电压下进行低电压测量的关键，而同步测量可精确地展现动态系统。在PXI平台上，动态系统可轻松与其他测量同步。

电子电力部件测试

电机和控制系统包含4个主要部件，控制器、电池、电机和逆变器。测试时主要采用硬件在环（HIL）的方法，它是一种用于测试嵌入式控制系统的方法。测试过程中，真正的待测对象由实时仿真代替，在测量控制信号后以仿真的传感器信号进行回应，以便控制器相信它控制的是真实的物理系统。电机控制器的HIL系统用动态的仿真对象代替逆变器、电池和电机，HIL系统读取来自控制器的高速PWM信号作为模拟的输入，然后计算真实电机如何相应这些输入，并向ECU提供仿真的电压和电流传感器反馈信号。电子电力仿真面临着一些独特的挑战。

挑战一：超快速PWM信号输入到模型

ECU提供的PWM信号速度非常快，通常基频为2-20kHz，模型必须非常快速的读取PWM信号并做出响应，其运行频率通常要比PWM信号开关频率快100倍，才能捕获干净的PWM上升沿和下降沿。因此，模型和仿真对象本身的运行频率必须在200kHz至2MHz。

解决方案：模型循环速率

仿真到FPGA


为了达到电力电子仿真所需的速度，NI将仿真计算从CPU 转移到FPGA，这样I/O节点和计算节点都位于FPGA硬件上，因而I/O和计算之间就不存在通信延迟了，这有助于实现微秒级循环速率的实时仿真，获得200 kHz到2M kHz的循环速率。这些仿真可以在NI的大型FPGA平台、FlexRIO和R系列上运行。


用于HIL应用的NI CompactRIO平台

此外，可以在NI CompactRIO平台上运行这些类型的仿真，CompactRIO用于该应用领域的一个优势是所有I/O都链接到一个FPGA 。

挑战二：特殊电气建模工具

电力电子仿真通常使用更适合于特定类型仿真的专门建模工具，模型本身以及模型中使用的解决方案是专门针对该类型的高速电力电子仿真而设计。

解决方案：专业建模工具

OPAL-RT——FPGA中的eHS求解器

NI与OPAL-RT合作，将其行业领先的研发成果应用到NI FPGA上以更好地为建模环境提供支持。使用OPAL-RT工具，可以利用建模环境中的已有设计模型以及NI和OPAL-RT工具链将模型直接部署到FPGA中以实现非常高速的电力电子仿真。被称为eHS的求解器可允许HIL模型循环速度在亚微秒范围内，并无缝集成到NI现有的实时测试平台中。

VeriStand实时测试和仿真软件

这一过程还可结合VeriStand进一步实现，VeriStand是用于实时测试测试执行的NI软件工具，软件提供激励生成、数据记录、自动化以及模型所需的所有功能，可以创建功能全面的实时测试系统。因此，将eHS求解器与VeriStand相集成，即可在NI平台中实现高速模型和FPGA。

挑战三：非线性电机模型

电动机的参数在电动机整个电流和速度范围内的线性度极差，使用单个参数无法重现电机的真实行为。

图表显示了整个电机工作区间的典型电感表

解决方案：非线性电机模型



为了实现更高保真度的建模，NI支持导入有限元分析（FEA）模型数据，FEA模型数据使用参数值的查找表并根据模型的状态，在模拟的每次迭代中插入每个模型参数的新值。流程是选择已有的FEA模型，然后根据FEA模型的多次运行结果将参数导出到查找表，然后将参数导入VeriStand，最后计算实时测试结果。

挑战四：功率电平测试 - 500W到25MW
ECU和逆变器通常封装在同一个盒子中，使信号电平的测试非常困难。

解决方案：功率电平测试

ECU和逆变器通常封装在同一个物理外壳中，给电机和电池留出接口。控制器的电流和电压测量都在该外壳内进行，因此信号测量需要打开ECU的外壳来测量信号。但是，对于HIL中的功率信号测量来说，NI使用一个电力电子系统和一个可以拉灌电流的电源，这一过程称为负载仿真。因此，NI不是将电机驱动器连接到真正的电机，而是将其连接到模拟器，然后可以命令该模拟器系统像任何有源或无源负载一样输入和输出电流。这种有源负载的带宽>20 kHz，工作效率高达95%，这意味着它可以复制非常高速的动力学特性，几乎不浪费任何能量。