寶馬如何用虛擬方法進行低電壓電源系統(tǒng)的開發(fā)

隨著汽車電氣化的發(fā)展，整車用電量增加，且對低電壓電源系統(tǒng)的要求更加苛刻。寶馬集團為低電壓車載電源系統(tǒng)設計并開發(fā)了數(shù)字孿生。憑借新定義的驗證方法和系統(tǒng)級物理和數(shù)字孿生的開發(fā)，可以模擬和仿真高度動態(tài)的過程，對低電壓電源系統(tǒng)全面施壓，從而快速確定薄弱環(huán)節(jié)，縮短開發(fā)時間并降低成本。

寶馬如何用虛擬方法進行低電壓電源系統(tǒng)的開發(fā)

寶馬的終極目標是改用虛擬方法進行低電壓電源系統(tǒng)的開發(fā)，從而實現(xiàn)數(shù)字孿生。因此，對于連接到電源系統(tǒng)并影響電源系統(tǒng)行為的組件而言，需要使用精確模型。跨越多個汽車安全完整性等級(ASIL)的安全相關組件包括制動器、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、風擋刮水器、前燈、中央電子控制單元(ECU)以及用于目標識別的傳感器。電力電子驅(qū)動的機器、音頻增強器、風扇和放大器等大功率組件會影響電源系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。因此，電源和線束需要精確模型。

作為第一步，寶馬在組件級測試臺上對物理組件進行了特性分析，從而改進了這些模型。之后，他們通過道路測試并在實驗室中重新回放這些現(xiàn)象，記錄了電子行為。最后，寶馬開發(fā)出了一款系統(tǒng)級測試臺作為實驗室內(nèi)的物理孿生(請參見圖01)，用于相對于現(xiàn)實驗證數(shù)字孿生的結(jié)果。寶馬將道路測試中記錄的電波形注入到物理和數(shù)字孿生的電源系統(tǒng)中，進一步優(yōu)化仿真。物理孿生還包括模擬和仿真技術(shù)，以便通過注入干擾，模仿真實的駕駛、啟動和故障行為。

在寶馬實現(xiàn)這個多階段模型特性分析和驗證流程(包括上述系統(tǒng)級驗證測試臺)之前，虛擬開發(fā)已經(jīng)成功提供了長期過程(例如行駛周期)的有效結(jié)果。首個低壓車載電源系統(tǒng)測試臺通過適當負載有初步改善，不過還沒有考慮高動態(tài)的影響。

隨著功能安全的進一步開發(fā)，尤其是高度自動駕駛汽車(HAV)和完全自動駕駛汽車(FAV)的重點開發(fā)，故障安全功能和故障運行功能變得更加重要。同時，這些安全功能和現(xiàn)有的非安全關鍵型設備和子系統(tǒng)(例如暖通空調(diào)系統(tǒng))都連接到同一個能量(電壓)源。這可能會給安全相關組件以及舒適系統(tǒng)帶來嚴重影響。憑借新定義的驗證方法及系統(tǒng)級物理和數(shù)字孿生的開發(fā)，可以模擬和仿真這些高度動態(tài)的過程，對低電壓電源系統(tǒng)全面施壓，從而快速確定薄弱環(huán)節(jié)，促進設計和采取適當?shù)膽獙Υ胧?/p>

NI的產(chǎn)品如何發(fā)揮作用

在這一部分，我們將詳細介紹，寶馬如何使用NI的產(chǎn)品搭建測試系統(tǒng)。

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利用能夠高速進行高精度測量和過程細化的高性能模塊化儀器，滿足前述要求。模塊化設計支持可自定義的測試應用。NI的實時PXI系統(tǒng)可滿足這些要求。儀器充當中央測試系統(tǒng)和主連接，可保證無縫集成全面協(xié)調(diào)(時間、觸發(fā)器、同步)整個系統(tǒng)級驗證測試臺所需的所有必要測量和控制功能。

PXI硬件通過工程軟件產(chǎn)品(包括LabVIEW和VeriStand)進行控制。除此之外，測量系統(tǒng)架構(gòu)允許將第三方工具和設備完全集成到整個裝置中，從而保留這些工具和設備上的現(xiàn)有儀器(例如用于殘余總線仿真的Vector CANoe)。這款基于軟件互聯(lián)PXI的測試系統(tǒng)已經(jīng)成為一種全功能解決方案，可以處理第三方設備的通信總線仿真、測量和控制，例如電子負載、源和內(nèi)部開發(fā)的原型，以及用于安全環(huán)境的邏輯接口，其中包括安全開關、繼電器、斷路器等(請參見圖02)。

建立的測量裝置支持開發(fā)高度自動化的測試序列，從而在整個驗證工作流中實現(xiàn)以前從未實現(xiàn)過的可重復性。當前系統(tǒng)的前代產(chǎn)品是作為慕尼黑工業(yè)大學與寶馬之間的一個合作項目而開發(fā)的，因此寶馬對于可重用的高性能模塊化儀器擁有很多積極體驗。模塊化儀器還可滿足苛刻的要求，例如高頻測量(>3 MS/s)、與第三方產(chǎn)品的通信、測試自動化功能和結(jié)果報告的自動生成。此外，軟件工具鏈非常全面，無論是專家還是學生，都可以獲得簡單的測試解決方案。

而且，PXI系統(tǒng)的模塊化和可擴展設計支持在任何時間點擴展和調(diào)整測量和控制功能，因此可以對裝置進行優(yōu)化，從而輕松且經(jīng)濟高效地應對未來的挑戰(zhàn)和要求。像SCB-68接線盒以及SH96連接器和電纜這樣的標準化連接概念細節(jié)雖然簡單，但功能強大，必要時可以輕松地升級系統(tǒng)以增強性能。

所用模型可直接從組件供應商采購，也可由寶馬自己開發(fā)。所用仿真工具和編程語言包括MathWorks MATLAB和Simulink軟件、Plexim PLECS、Python、Modelica Dymola等。內(nèi)部開發(fā)的模型通常通過系統(tǒng)識別方法生成，并且/或者通過從每個組件獲取電流或功率曲線來進行設計，以便執(zhí)行適當?shù)脑O備特性分析。這同樣包括測量反向高動態(tài)電流脈沖和故障注入行為。用于對系統(tǒng)進行負荷測試的信號的范圍為0 kHz至150 kHz。獲取的曲線隨后導入仿真系統(tǒng)作為查找表，以便進一步微調(diào)和改進現(xiàn)有模型。

降低成本、縮短開發(fā)時間，寶馬都做到了

借助這種驗證低電壓電源系統(tǒng)的新方法(包括物理和虛擬測試技術(shù))，寶馬能夠利用新模型開發(fā)方法設計全新模型。目前可以在整個設計和開發(fā)過程中更早地發(fā)現(xiàn)新缺陷，從而縮短開發(fā)時間并降低成本，因為工程師可以快速追蹤到初始的更高質(zhì)量原型。生成的數(shù)據(jù)和見解可以與供應商和寶馬內(nèi)部相關人員共享，從而進一步改進其模型。

由于對前述物理-數(shù)字設計流采取了穩(wěn)定性應對措施，目前某些已使用模型的運行速度提高了95%，而在10 kHz至100 kHz范圍內(nèi)對電源系統(tǒng)的干擾已經(jīng)降低了75%。此外，在150 kHz以下的頻率范圍內(nèi)，新模型和改進模型與真實組件相比，已經(jīng)實現(xiàn)小于5%的偏差。因此，據(jù)PANDA項目等研究計劃預測，寶馬有信心將開發(fā)周期加快20%，從而通過數(shù)字設計縮短產(chǎn)品上市時間。

該解決方案中用到的NI產(chǎn)品如下：

PXI系統(tǒng)

基于FPGA的多功能I/O

VeriStand

LabVIEW

原文標題：開發(fā)周期加快20%，寶馬是如何利用數(shù)字孿生方案做到的?

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審核編輯：湯梓紅