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作者：Nate Holmes，NI首席解決方案經(jīng)理 更多測試，更復雜系統，更少時(shí)間 電池動(dòng)力總成技術(shù)和內燃機（ICE）動(dòng)力總成技術(shù)從根本上來(lái)說(shuō)是截然不同的。因此兩種技術(shù)需要一系列截然不同的流程和測試方法。當這兩種技術(shù)融合到混合動(dòng)力汽車(chē)（無(wú)縫集成）時(shí)，測試時(shí)間和成本有可能會(huì )大幅增加。 ICE完全是物理測試，測試內容是燃燒機械、壓力、溫度、流體、機械連接和動(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(xiàn)性活塞運動(dòng)轉換為旋轉扭矩，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試，測試的是電力電子和開(kāi)關(guān)頻率、電壓和電流、感應和反電動(dòng)勢；電池容量、放電率、逆變器和轉換器的熱管理以及再生功率調節；電動(dòng)機/發(fā)電機的相角和層壓板幾何形狀以及磁鐵位置和磁通線(xiàn)。 當兩種技術(shù)以各種方式組合成混合動(dòng)力系統時(shí)，就需要進(jìn)行集成測試，包括管理ICE和電子元件之間相互作用的控制方案、狀態(tài)圖以及規則，以確保系統能夠在所有駕駛條件和場(chǎng)景下做出適當響應。 混合動(dòng)力汽車(chē)（任何組合方式）比任何ICE或純電動(dòng)汽車(chē)（BEV）都更為復雜。 
圖1.傳統內燃機動(dòng)力總成和純電動(dòng)力總成之間的各種組合構造。 日益復雜的系統所包含的組件也在不斷增加，這意味著(zhù)故障概率增加了。對于測試工程師來(lái)說(shuō)，這是1 + 1 >> 2。他們不僅要執行傳統的ICE測試，還必須對電動(dòng)動(dòng)力系統執行新的且要求更高的子系統測試。測試工程師還必須設計廣泛的集成測試覆蓋范圍，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(chē)設計時(shí)所期望的效率、性能和駕駛體驗。 滿(mǎn)足混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)測試需求 電動(dòng)動(dòng)力總成部件正在推動(dòng)更復雜的測試需求。測試工具正在不斷發(fā)展以跟上需求變化的步伐。測試工程師也必須緊跟不斷發(fā)展的技術(shù)，才能滿(mǎn)足汽車(chē)行業(yè)由于高速創(chuàng )新和新技術(shù)引入所帶來(lái)測試要求變化。以下是電動(dòng)動(dòng)力總成部件所引入的一些新測試要求，以及不斷進(jìn)步和完善、能夠滿(mǎn)足這些要求的測試工具。 更高保真度且更復雜的建模 相比ICE，電動(dòng)機和逆變器的響應速度更快，且在其工作范圍內表現出高度非線(xiàn)性特征。來(lái)自ECU的控制信號非�？欤�2-20kHZ），專(zhuān)用電機模型需要以高出100倍的速度運行（200kHz至2MHz），以便在硬件在環(huán)（HIL）測試中準確地表示系統。如果是在用于ICE HIL基于處理器的實(shí)時(shí)系統上，這是無(wú)法高效實(shí)現的。因此，NI等測試系統提供商正在開(kāi)發(fā)基于FPGA的仿真工具，以在所需的微秒級循環(huán)速率下運行使用專(zhuān)用電子建模工具創(chuàng )建的模型。斯巴魯已經(jīng)成功實(shí)現了這樣一個(gè)系統，測試時(shí)間大幅縮短，僅為在測功機上進(jìn)行等效測試所需估計時(shí)間的1/20。 功率級測試 通常，ECU和逆變器封裝在一起，使得信號電平（-10到10V和幾mA）的測試變得非常困難。在全功率下進(jìn)行測試，拉灌實(shí)際電流要比把組件拆開(kāi)進(jìn)行測試要方便得多。但是，這意味著(zhù)在高達200千瓦的功率電平下進(jìn)行測試。這么大的功率電平需要使用能夠提供通道間隔離的專(zhuān)用設備和電源，可以吸收和提供如此大規模的動(dòng)態(tài)負載，例如NI聯(lián)盟商Loccioni為法拉利混合動(dòng)力跑車(chē)的Magneti Marelli逆變器開(kāi)發(fā)的終端逆變器測試平臺。 電池模塊/電池組驗證 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，需要測試的電壓范圍高達0-800V以及相對于共模電壓的測量精度要求非常高，這些測試可能非常困難（或非常昂貴）。
圖2.電池組架構（單元、模塊、電池組）和所需的電壓電平測量范圍 該電池組實(shí)際上擁有自己的ECU，也就是電池管理系統（BMS），不僅需要對模擬電池組進(jìn)行組件級測試（比如使用NI聯(lián)盟商Bloomy開(kāi)發(fā)的這一BMS測試解決方案），在其上運行控制算法和函數，也需要在子系統級別下對實(shí)際電池組進(jìn)行測試。這些測試發(fā)生在熱室中，因為電池的工作特性非常大程度依賴(lài)于溫度。測試包含特性分析和耐久性測試兩個(gè)方面，因為電池組性能的核心屬性是充電/放電行為和整個(gè)生命周期內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時(shí)間）。為了在可接受的時(shí)間內完成測試并具有統計意義，汽車(chē)制造商正在并行測試許多（數十到數百個(gè)）電池組。高效地管理這些測試裝置、生成的數據以及確保數據的可追溯性和測試數據有效性的置信度，需要專(zhuān)門(mén)為此設計測試自動(dòng)化、系統管理和數據管理工具。 集成測試 如果汽車(chē)制造商只能依賴(lài)實(shí)驗室或道路/軌道測試來(lái)進(jìn)行物理驗證測試，那么要確保測試能夠覆蓋所有預期用例和工作條件是不現實(shí)的，因為這將非常昂貴且耗時(shí)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，測試工程師正在嘗試通過(guò)HIL測試來(lái)增強系統集成測試時(shí)的數據測試。HIL測試是基于模擬的物理驗證和確認測試之間。在系統集成測試中，可以根據要驗證的組件或行為來(lái)模擬系統的各個(gè)部分。擁有靈活的測試環(huán)境和架構可以支持模擬和實(shí)際組件的各種組合，從而顯著(zhù)縮短測試時(shí)間，同時(shí)提供廣泛的測試覆蓋率，并提高對系統級性能和可靠性的信心。
圖3.在可支持真實(shí)和模擬系統組件的各種組合的平臺上進(jìn)行標準化可以顯著(zhù)提高測試效率和設備復用率。 照片來(lái)源：Powertrain Instrumentation and Test Systems, 2016 為什么汽車(chē)制造商不制造純電動(dòng)汽車(chē)？ 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、更低的噪聲、零排放、低維護和駕駛成本，更安全，更簡(jiǎn)單（更少移動(dòng)組件和故障點(diǎn)），而且還為設計工程師提供了令人興奮的自由發(fā)揮空間，因為電動(dòng)車(chē)移除或大大簡(jiǎn)化了復雜且昂貴的重型組件，如內燃機和相關(guān)的皮帶驅動(dòng)系統、排氣和催化轉換器以及變速箱。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(chē)制造商必須滿(mǎn)足各國政府對汽車(chē)的各種效率和排放要求，他們認為電氣化具有誘人的性能優(yōu)勢。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(chē)輛具備電動(dòng)車(chē)的一些優(yōu)勢。但他們仍必須避免堅持使用足夠大的電池組來(lái)制造純電動(dòng)汽車(chē)，因為電池成本有望不斷下降。 好消息是，我們正在迅速實(shí)現這一目標，并且正大力投資到電池技術(shù)的創(chuàng )新，這不僅是汽車(chē)領(lǐng)域的需求，也是消費者技術(shù)（例如手機）的需求。電池性能/成本曲線(xiàn)給我們帶來(lái)了巨大希望，每年成本的降幅高達兩位數，并且沒(méi)有放緩的跡象。
圖4.電池組價(jià)格/ KWh持續下降，正在不斷趨近大眾市場(chǎng)愿意接受純電動(dòng)汽車(chē)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(chē)制造商轉向混合動(dòng)力車(chē)的問(wèn)題在于，混合動(dòng)力車(chē)不僅沒(méi)有降低汽車(chē)的復雜性，反而增加了汽車(chē)的復雜性�；旌蟿�(dòng)力系統包含更多組件，因而可能的故障點(diǎn)也更多。此外，混合動(dòng)力車(chē)還需要解決集成兩種不同動(dòng)力系統技術(shù)這一棘手的問(wèn)題。管理此集成需要高級組件以及更高級的軟件和控制方法。 跟上創(chuàng )新的步伐 汽車(chē)制造商積極開(kāi)發(fā)混合動(dòng)力汽車(chē)的目的在很大程度上是為了滿(mǎn)足政府對汽車(chē)燃油效率和排放等級的要求，同時(shí)也面臨著(zhù)需要在與競爭對手相同的時(shí)間期限內提供有吸引力的電氣化產(chǎn)品（已確定為消費者的強烈需求）的壓力。 這些因素加速了電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)發(fā)的時(shí)間進(jìn)度表，給測試工程師帶來(lái)了更大的壓力，要求他們在更短的時(shí)間內對更復雜系統完成更多的測試，以確保這些混合動(dòng)力車(chē)輛設計的安全性、可靠性和高性能。幸運的是，測試平臺工具和技術(shù)的發(fā)展速度恰好能夠趕上一般汽車(chē)行業(yè)的創(chuàng )新速度。汽車(chē)測試小組必須充分利用這些進(jìn)步來(lái)滿(mǎn)足其組織和汽車(chē)項目團隊日益增長(cháng)的需求。 |
