混合動(dòng)力電動(dòng)汽車測(cè)試秘密大起底

電池動(dòng)力總成技術(shù)和內(nèi)燃機(jī)（ICE）動(dòng)力總成技術(shù)需要一系列截然不同的流程和測(cè)試方法。當(dāng)這兩種技術(shù)融合到混合動(dòng)力汽車（無(wú)縫集成）時(shí)，測(cè)試時(shí)間和成本有可能會(huì)大幅增加。面對(duì)越來(lái)越復(fù)雜的系統(tǒng)，如何最大限度的節(jié)約時(shí)間和成本，且聽NI首席解決方案經(jīng)理Nate Holmes來(lái)支招。

混合動(dòng)力車系統(tǒng)復(fù)雜度不斷增加

ICE完全是物理測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容是燃燒機(jī)械、壓力、溫度、流體、機(jī)械連接和動(dòng)力傳遞、排氣控制等，通過(guò)渦輪增壓器和增壓器以及其他方法提高燃燒室的爆炸效率或能量，將線性活塞運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)扭矩，并使用飛輪來(lái)平衡能量輸出。

而電動(dòng)動(dòng)力總成則完全是電氣測(cè)試，測(cè)試的是電力電子和開關(guān)頻率、電壓和電流、感應(yīng)和反電動(dòng)勢(shì)；電池容量、放電率、逆變器和轉(zhuǎn)換器的熱管理以及再生功率調(diào)節(jié)；電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)的相角和層壓板幾何形狀以及磁鐵位置和磁通線。

當(dāng)兩種技術(shù)以各種方式組合成混合動(dòng)力系統(tǒng)時(shí)，就需要進(jìn)行集成測(cè)試，包括管理ICE和電子元件之間相互作用的控制方案、狀態(tài)圖以及規(guī)則，以確保系統(tǒng)能夠在所有駕駛條件和場(chǎng)景下做出適當(dāng)響應(yīng)。

混合動(dòng)力汽車（任何組合方式）比任何ICE或純電動(dòng)汽車（BEV）都更為復(fù)雜。

圖1.傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力總成和純電動(dòng)力總成之間的各種組合構(gòu)造。

日益復(fù)雜的系統(tǒng)所包含的組件也在不斷增加，這意味著故障概率增加了。對(duì)于測(cè)試工程師來(lái)說(shuō)，這是1 + 1 >> 2。他們不僅要執(zhí)行傳統(tǒng)的ICE測(cè)試，還必須對(duì)電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)執(zhí)行新的且要求更高的子系統(tǒng)測(cè)試。測(cè)試工程師還必須設(shè)計(jì)廣泛的集成測(cè)試覆蓋范圍，以確保兩種技術(shù)無(wú)縫協(xié)同工作，提供混合動(dòng)力汽車設(shè)計(jì)時(shí)所期望的效率、性能和駕駛體驗(yàn)。

滿足混合動(dòng)力電動(dòng)汽車測(cè)試需求

電動(dòng)動(dòng)力總成部件正在推動(dòng)更復(fù)雜的測(cè)試需求。測(cè)試工具正在不斷發(fā)展以跟上需求變化的步伐。測(cè)試工程師也必須緊跟不斷發(fā)展的技術(shù)，才能滿足汽車行業(yè)由于高速創(chuàng)新和新技術(shù)引入所帶來(lái)測(cè)試要求變化。以下是電動(dòng)動(dòng)力總成部件所引入的一些新測(cè)試要求，以及不斷進(jìn)步和完善、能夠滿足這些要求的測(cè)試工具。

更高保真度且更復(fù)雜的建模

相比ICE，電動(dòng)機(jī)和逆變器的響應(yīng)速度更快，且在其工作范圍內(nèi)表現(xiàn)出高度非線性特征。來(lái)自ECU的控制信號(hào)非?？欤?-20kHZ），專用電機(jī)模型需要以高出100倍的速度運(yùn)行（200kHz至2MHz），以便在硬件在環(huán)（HIL）測(cè)試中準(zhǔn)確地表示系統(tǒng)。如果是在用于ICE HIL基于處理器的實(shí)時(shí)系統(tǒng)上，這是無(wú)法高效實(shí)現(xiàn)的。

因此，NI等測(cè)試系統(tǒng)提供商正在開發(fā)基于FPGA的仿真工具，以在所需的微秒級(jí)循環(huán)速率下運(yùn)行使用專用電子建模工具創(chuàng)建的模型。斯巴魯已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了這樣一個(gè)系統(tǒng)，測(cè)試時(shí)間大幅縮短，僅為在測(cè)功機(jī)上進(jìn)行等效測(cè)試所需估計(jì)時(shí)間的1/20。

功率級(jí)測(cè)試

通常，ECU和逆變器封裝在一起，使得信號(hào)電平（-10到10V和幾mA）的測(cè)試變得非常困難。在全功率下進(jìn)行測(cè)試，拉灌實(shí)際電流要比把組件拆開進(jìn)行測(cè)試要方便得多。但是，這意味著在高達(dá)200千瓦的功率電平下進(jìn)行測(cè)試。

這么大的功率電平需要使用能夠提供通道間隔離的專用設(shè)備和電源，可以吸收和提供如此大規(guī)模的動(dòng)態(tài)負(fù)載，例如NI聯(lián)盟商Loccioni為法拉利混合動(dòng)力跑車的Magneti Marelli逆變器開發(fā)的終端逆變器測(cè)試平臺(tái)。

電池模塊/電池組驗(yàn)證

電池，尤其是高容量插入式混合電池，必須在單元、模塊和電池組級(jí)別上分別進(jìn)行特性分析。電池單元以串聯(lián)/并聯(lián)方式組成電池組，需要測(cè)試的電壓范圍高達(dá)0-800V以及相對(duì)于共模電壓的測(cè)量精度要求非常高，這些測(cè)試可能非常困難（或非常昂貴）。

圖2.電池組架構(gòu)（單元、模塊、電池組）和所需的電壓電平測(cè)量范圍

該電池組實(shí)際上擁有自己的ECU，也就是電池管理系統(tǒng)（BMS），不僅需要對(duì)模擬電池組進(jìn)行組件級(jí)測(cè)試（比如使用NI聯(lián)盟商Bloomy開發(fā)的這一BMS測(cè)試解決方案），在其上運(yùn)行控制算法和函數(shù)，也需要在子系統(tǒng)級(jí)別下對(duì)實(shí)際電池組進(jìn)行測(cè)試。

這些測(cè)試發(fā)生在熱室中，因?yàn)殡姵氐墓ぷ魈匦苑浅４蟪潭纫蕾囉跍囟取y(cè)試包含特性分析和耐久性測(cè)試兩個(gè)方面，因?yàn)殡姵亟M性能的核心屬性是充電/放電行為和整個(gè)生命周期內(nèi)以及在各種溫度條件下的循環(huán)時(shí)間（電池組在各種氣候條件下正常使用的持續(xù)時(shí)間）。

為了在可接受的時(shí)間內(nèi)完成測(cè)試并具有統(tǒng)計(jì)意義，汽車制造商正在并行測(cè)試許多（數(shù)十到數(shù)百個(gè)）電池組。高效地管理這些測(cè)試裝置、生成的數(shù)據(jù)以及確保數(shù)據(jù)的可追溯性和測(cè)試數(shù)據(jù)有效性的置信度，需要專門為此設(shè)計(jì)測(cè)試自動(dòng)化、系統(tǒng)管理和數(shù)據(jù)管理工具。

集成測(cè)試

如果汽車制造商只能依賴實(shí)驗(yàn)室或道路/軌道測(cè)試來(lái)進(jìn)行物理驗(yàn)證測(cè)試，那么要確保測(cè)試能夠覆蓋所有預(yù)期用例和工作條件是不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)檫@將非常昂貴且耗時(shí)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，測(cè)試工程師正在嘗試通過(guò)HIL測(cè)試來(lái)增強(qiáng)系統(tǒng)集成測(cè)試時(shí)的數(shù)據(jù)測(cè)試。

HIL測(cè)試是基于模擬的物理驗(yàn)證和確認(rèn)測(cè)試之間。在系統(tǒng)集成測(cè)試中，可以根據(jù)要驗(yàn)證的組件或行為來(lái)模擬系統(tǒng)的各個(gè)部分。擁有靈活的測(cè)試環(huán)境和架構(gòu)可以支持模擬和實(shí)際組件的各種組合，從而顯著縮短測(cè)試時(shí)間，同時(shí)提供廣泛的測(cè)試覆蓋率，并提高對(duì)系統(tǒng)級(jí)性能和可靠性的信心。

圖3.在可支持真實(shí)和模擬系統(tǒng)組件的各種組合的平臺(tái)上進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化可以顯著提高測(cè)試效率和設(shè)備復(fù)用率。

照片來(lái)源：PowertrainInstrumentation and Test Systems, 2016

為什么汽車制造商不制造純電動(dòng)汽車？

可以說(shuō)，電動(dòng)動(dòng)力總成的性能更為優(yōu)越，其優(yōu)點(diǎn)包括更高的性能、更快速的響應(yīng)、更低的噪聲、零排放、低維護(hù)和駕駛成本，更安全，更簡(jiǎn)單（更少移動(dòng)組件和故障點(diǎn)），而且還為設(shè)計(jì)工程師提供了令人興奮的自由發(fā)揮空間，因?yàn)殡妱?dòng)車移除或大大簡(jiǎn)化了復(fù)雜且昂貴的重型組件，如內(nèi)燃機(jī)和相關(guān)的皮帶驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、排氣和催化轉(zhuǎn)換器以及變速箱。

這些組件由更小的組件代替，具有更高的功率/重量比，并且允許更靈活的放置。唯一的問(wèn)題是純電動(dòng)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)過(guò)于昂貴（很大程度僅取決于一個(gè)部件：電池組）。

然而，汽車制造商必須滿足各國(guó)政府對(duì)汽車的各種效率和排放要求，他們認(rèn)為電氣化具有誘人的性能優(yōu)勢(shì)。因此，他們決定以各種有趣的方式將動(dòng)力總成技術(shù)分解并融合在一起，努力讓ICE車輛具備電動(dòng)車的一些優(yōu)勢(shì)。但他們?nèi)员仨毐苊鈭?jiān)持使用足夠大的電池組來(lái)制造純電動(dòng)汽車，因?yàn)殡姵爻杀居型粩嘞陆怠?/p>

好消息是，我們正在迅速實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，并且正大力投資到電池技術(shù)的創(chuàng)新，這不僅是汽車領(lǐng)域的需求，也是消費(fèi)者技術(shù)（例如手機(jī)）的需求。電池性能/成本曲線給我們帶來(lái)了巨大希望，每年成本的降幅高達(dá)兩位數(shù)，并且沒有放緩的跡象。

圖4.電池組價(jià)格/ KWh持續(xù)下降，正在不斷趨近大眾市場(chǎng)愿意接受純電動(dòng)汽車的100美元/ KWh臨界點(diǎn)。

圖片來(lái)源：Bloomberg New Energy Finance (BNEF) survey, 2017.

另一方面，汽車制造商轉(zhuǎn)向混合動(dòng)力車的問(wèn)題在于，混合動(dòng)力車不僅沒有降低汽車的復(fù)雜性，反而增加了汽車的復(fù)雜性?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)包含更多組件，因而可能的故障點(diǎn)也更多。此外，混合動(dòng)力車還需要解決集成兩種不同動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)這一棘手的問(wèn)題。管理此集成需要高級(jí)組件以及更高級(jí)的軟件和控制方法。

測(cè)試平臺(tái)更新的速度需跟上汽車創(chuàng)新的步伐

汽車制造商積極開發(fā)混合動(dòng)力汽車的目的在很大程度上是為了滿足政府對(duì)汽車燃油效率和排放等級(jí)的要求，同時(shí)也面臨著需要在與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手相同的時(shí)間期限內(nèi)提供有吸引力的電氣化產(chǎn)品（已確定為消費(fèi)者的強(qiáng)烈需求）的壓力。這些因素加速了電動(dòng)汽車開發(fā)的時(shí)間進(jìn)度表，給測(cè)試工程師帶來(lái)了更大的壓力，要求他們?cè)诟痰臅r(shí)間內(nèi)對(duì)更復(fù)雜系統(tǒng)完成更多的測(cè)試，以確保這些混合動(dòng)力車輛設(shè)計(jì)的安全性、可靠性和高性能。

幸運(yùn)的是，測(cè)試平臺(tái)工具和技術(shù)的發(fā)展速度恰好能夠趕上一般汽車行業(yè)的創(chuàng)新速度。汽車測(cè)試小組必須充分利用這些進(jìn)步來(lái)滿足其組織和汽車項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)日益增長(zhǎng)的需求。