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基于硬件在環(huán)的整車控制器功能安全測試技術(shù)研究

2020-01-22 21:29:28·  來源：?？W(wǎng)  作者：孫德明 劉全周 等  
　
摘要：基于功能安全的 ECU 開發(fā)理念已逐漸成為主流，但對(duì)于符合功能安全要求的ECU測試技術(shù)的研究還較少。參考 ISO26262 中汽車電子系統(tǒng)的開發(fā)和測試標(biāo)準(zhǔn)，闡述了
摘要：基于功能安全的 ECU 開發(fā)理念已逐漸成為主流，但對(duì)于符合功能安全要求的 ECU 測試技術(shù)的研究還較少。參考 ISO26262 中汽車電子系統(tǒng)的開發(fā)和測試標(biāo)準(zhǔn)，闡述了符合功能安全要求的純電動(dòng)汽車整車控制器硬件在環(huán)測試方法?？紤]整車控制器的功能和實(shí)際工作場景，以其關(guān)鍵功能模塊為例進(jìn)行了功能安全分析，確定了汽車安全完整性等級(jí)（ASIL）并提出了具體的安全需求，依照標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的測試用例?；?dSPAC 設(shè)備設(shè)計(jì)了整車控制器硬件在環(huán)測試方案，搭建了測試環(huán)境，并對(duì)某車型整車控制器進(jìn)行了硬件在環(huán)測試。該方法以滿足汽車控制器功能安全需求為目標(biāo)，建立了系統(tǒng)的測試  流程，可應(yīng)用于對(duì)基于功能安全設(shè)計(jì)的  ECU 的測試驗(yàn)證。

0 引言
汽車的電氣化和智能化使其功能越來越多，電控單元 也不斷增加，整個(gè)車輛構(gòu)成了一個(gè)復(fù)雜的電子電氣系統(tǒng)， 隨之而來的是更多潛在的安全問題［１］。對(duì)此國際標(biāo)準(zhǔn)組織經(jīng) 過 6 年 時(shí) 間 于 2011 年 發(fā) 布 了 功 能 安 全 標(biāo) 準(zhǔn) ISO26262，旨在為車輛功能安全的設(shè)計(jì)提供參考標(biāo)準(zhǔn)，并且根據(jù)發(fā)展情況在 2018 年發(fā)布了第二版 ISO26262 規(guī)范［２］。我國也于 2017 年發(fā)布了基于 ISO26262 的國家標(biāo) 準(zhǔn) GB／T34590《道路車輛 功能安全》［３］。目前，基于功能安全的開發(fā)理念愈來愈受到企業(yè)重視，在 電控單元如 EPS、TCU 和 MCU 等開發(fā)上已經(jīng)得到了很多研究和應(yīng)用［４－８］。

 
隨著全球環(huán)境和能源問題的日益嚴(yán)峻，從傳統(tǒng)的燃油車轉(zhuǎn)向發(fā)展新能源汽車已成為人們的共識(shí)。整車控制器（VCU）作為電動(dòng)汽車的「大腦」是協(xié)調(diào)、控制整車運(yùn)行的中樞，同電機(jī)控制器和電池管理系統(tǒng)共同構(gòu)成電動(dòng)汽車 3 大核心零部件，我國規(guī)定整車企業(yè)必須掌握整車控制技術(shù)的開發(fā)能力。硬件在環(huán)測試（HIL）是「Ｖ」開發(fā)流程中的重要一環(huán)，在各種 ECU 的開發(fā)中得到了廣泛的應(yīng)用，HIL 測試也基本成為 VCU 在量產(chǎn)前必要的驗(yàn)證過程。
 
VCU 在電動(dòng)汽車上的重要作用使安全性成為最重要的考慮，所以功能安全上的要求對(duì) VCU 的開發(fā)有非常重要的意義。很多的上下游廠商已經(jīng)在提供符合功能安全要求的產(chǎn)品，有 很多文獻(xiàn)也對(duì) VCU 的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。但是大多數(shù)的研究重點(diǎn)是在 VCU 的失效分析和對(duì)應(yīng)的功能設(shè)計(jì)上，對(duì)符合功能安全要求的測試驗(yàn)證的應(yīng)用研究較少。本文結(jié)合 ISO26262 中對(duì)軟件集成測試相關(guān)的要求，通過純電動(dòng)汽車整車控制器來研究符合功能安全要求的硬件在環(huán)測試方法。
 
1 功能安全標(biāo)準(zhǔn)ISO26262 
ISO26262 是從電子電氣系統(tǒng)功能安全基本標(biāo)準(zhǔn) IEC61508 上派生而來，專門為道路車輛功能安全所制定，適用于汽車整個(gè)生命周期內(nèi)的所有活動(dòng)。2018 年發(fā)布的第二版 ISO26262 標(biāo)準(zhǔn)主要是取消了 2011 版中的車重限制，將標(biāo)準(zhǔn)適用范圍拓展到了所有車輛，并且增加了半導(dǎo)體功能安全的指南。ISO26262 定義了一整套功能安全管理體系，稱之為安全生命周期，如圖１ 所示，安全生命周期可分為概念階段、產(chǎn)品開發(fā)階段和開始生產(chǎn)后階段。
對(duì)于電控單元的開發(fā)來說，安全生命周期中的概念階 段和產(chǎn)品開發(fā)階段尤其重要。概念階段對(duì)應(yīng)產(chǎn)品開發(fā)初期，需要對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行危險(xiǎn)分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估（HARA），以此確定汽車安全完整性等級(jí)（ASIL），并根據(jù) ASIL 設(shè)定對(duì)應(yīng)部件或功能的安全目標(biāo)。ASIL等級(jí)的確認(rèn)是通過嚴(yán)重度、暴露率和可控性這 3 個(gè)獨(dú)立的因素來確定，3 個(gè)因素不同等級(jí)間的組合對(duì)應(yīng)不同的 ASIL，具體對(duì)應(yīng)關(guān)系如表 1 所示，其中 ASIL 的 Ａ～Ｄ 對(duì)功能安全的要求依次增高，質(zhì)量管理（ＱＭ）對(duì)功能安全無要求。
 
在產(chǎn)品開發(fā)階段，ISO26262 標(biāo)準(zhǔn)中同樣對(duì)產(chǎn)品的測試流程提供了要求和建議，包括硬件級(jí)測試、軟件級(jí)測試、系統(tǒng)集成測試及車輛集成測試，并為不同級(jí)別的測試方法 提供了參考。本文主要研究驗(yàn)證完整的 VCU 軟件功能即
軟件集成測試，其他級(jí)別測試不做深入分析。在 ISO26262 中對(duì)軟件集成測試的測試案例設(shè)計(jì)方法、覆蓋率的衡量方法和測試環(huán)境（表２）均提出了要求。由表２可知，對(duì)于 HIL 測試環(huán)境，ASILC 和 ASILD 等級(jí)安全目標(biāo)的測試需求是強(qiáng)烈推薦，ASILC 和 ASILD 則為建議使用。
綜上可知，符合功能安全要求的軟件集成測試也要參考對(duì)應(yīng)的功能安全目標(biāo)，概念階段的 ASIL 等級(jí)決定了測試階段的具體方式。
2 VCU 功能安全分析
VCU 是電動(dòng)汽車的控制中樞，它通過傳感器接收駕駛員指令，綜合分析后向其他控制器發(fā)送命令，同時(shí)也要監(jiān)控整車的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)處理一些故障，保證整車各部件安全穩(wěn)定的運(yùn)行。因此 VCU 的可靠性同行車安全息息相關(guān)，一個(gè)傳感器的失效或是 VCU 某個(gè)功能邏輯的錯(cuò)誤就可能會(huì)帶來很大的安全風(fēng)險(xiǎn)。通常 VCU 按功能可分為以下幾個(gè)模塊：高壓上下電、檔位管理、扭矩控制、模式切換、能量管理、附件管理和故障診斷等。會(huì)嚴(yán)重影響到安全的功能模塊主要是高壓上下電、扭矩管理和故障診斷， 下面以此為例做 HARA 分析并設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的測試用例。
2.1 危險(xiǎn)分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估
高壓上下電功能里，會(huì)引起安全問題的主要是無法正常高壓上電和下電，最常見的原因是高壓繼電器粘連，這 個(gè)問題很多設(shè)計(jì)都能考慮到。此外，還有一種危險(xiǎn)場景：在充電時(shí)仍可以鑰匙高壓上電，該中情況下駕駛?cè)藛T的誤操作可能使得車輛移動(dòng)，造成充電裝置損壞，引發(fā)觸電危險(xiǎn)，對(duì)此評(píng)估結(jié)果如表３所示，其最高 ASIL 等級(jí)為 Ｃ。
同樣，扭矩控制中非期望的加速可能會(huì)造成車輛失控，人員傷亡，該情境下的 ASIL 等級(jí)為最高 Ｄ 級(jí)。非期望的減速可能會(huì)造成追尾，但相比非期望加速危害較輕， 該情境下 ASIL 等級(jí)為Ｃ 級(jí)。引起加速異常的常見原因是加速踏板電氣故障如傳感器短地、短電或是校驗(yàn)錯(cuò)誤， 其次是 VCU 軟件踏板解析出現(xiàn)異常。
故障診斷是 VCU 非常重要的功能，該功能確保在遇到故障時(shí)，VCU 會(huì)控制車輛工作在限定狀態(tài)，可以保護(hù)乘員安全。如大部分 VCU 通過 ABS 報(bào)文識(shí)別當(dāng)前車速進(jìn)而調(diào)節(jié)扭矩輸出，若 ABS 報(bào)文丟失或是傳輸異常，無法反映當(dāng)前真實(shí)車速，在定速巡航控制時(shí)可能會(huì)造成車輛一直加速，引發(fā)事故，對(duì)此評(píng)估結(jié)果如表 4 所示，其最高 ASIL 等級(jí)為Ｄ 級(jí)。
2.2 安全需求分析
本文以 VCU 常見的３ 個(gè)危險(xiǎn)事件為例介紹了 ASIL 等級(jí)確定方法，每一個(gè)危險(xiǎn)事件都要有對(duì)應(yīng)的安全目標(biāo)， 并應(yīng)建立相應(yīng)的功能安全需求。需要說明的是，在確認(rèn)安全需求后，通常會(huì)使用 FTA 等方法對(duì) ASIL 等級(jí)進(jìn)行分解，將安全需求分配到具體的系統(tǒng)要素上，具體到 VCU， 主要關(guān)注軟件功能設(shè)計(jì)和故障處理。
 
在充電時(shí)鑰匙高壓未下電這一危險(xiǎn)事件中，安全目標(biāo) 應(yīng)為充電時(shí)禁止鑰匙高壓上電，對(duì)應(yīng)的功能安全需求可以是「VCU 應(yīng)能監(jiān)控充電槍連接信號(hào)，當(dāng)有充電槍信號(hào)時(shí)， VCU 應(yīng)能在適當(dāng)時(shí)間內(nèi)完成鑰匙高壓下電」。另一方面， 如果將充電時(shí)鑰匙高壓下電的安全目標(biāo)定位「避免車輛移動(dòng)」的話，可以增加一條安全需求「充電時(shí) VCU 應(yīng)控制 EPB 夾緊并進(jìn)入自動(dòng) P 檔」，這樣在功能上就做到了冗余控制。 
 
2.3 基于功能安全分析的測試用例設(shè)計(jì)
ISO26262 標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)集成測試的過程提出了具體要求，包括測試計(jì)劃、測試規(guī)格、測試執(zhí)行和測試報(bào)告等。好的測試用例應(yīng)該是描述正確、便于理解且易于執(zhí)行，本文介紹的測試用例設(shè)計(jì)方法主要適用于 HIL 測試環(huán)境，其他環(huán)境下也可參考使用。
以某車型 VCU 故障處理部分的功能設(shè)計(jì)「當(dāng) ABS 信號(hào)無效超過2000ms 時(shí)，VCU 通過電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算車速，上報(bào)二級(jí)故障，車速在 10s 內(nèi)限制在 60km／ｈ，且禁止巡航功能」為例進(jìn)行分析。
１）在 ABS 通信正常時(shí)，VCU 通過 ABS 發(fā)送的車速信號(hào)來識(shí)別當(dāng)前車速；
２）當(dāng)發(fā)生 ABS 報(bào)文校驗(yàn)和錯(cuò)誤時(shí)，VCU 認(rèn)為 ABS 信號(hào)無效，時(shí)間超過3000ms 后確認(rèn)故障發(fā)生，上報(bào)二級(jí)故障；
３）VCU 通過電機(jī)速度來自己計(jì)算車速，并通過調(diào)節(jié)扭矩請(qǐng)求在 10s 內(nèi)使車速不大于 60km／ｈ；
４）若在巡航狀態(tài)時(shí)發(fā)生故障，退出巡航狀態(tài)。
 
通過上述分析，可以將測試點(diǎn)分解為 ABS 通信無效識(shí)別方式、故障確認(rèn)時(shí)間閾值、車速識(shí)別轉(zhuǎn)換、車速限制閾值、車速限制時(shí)間閾值和巡航禁止等。每一個(gè)測試點(diǎn)至少需編寫一條測試用例，用例編號(hào)唯一，故障確認(rèn)時(shí)間閾值測試用例如表５所示，根據(jù) 2.1 節(jié)的分析，該用例 ASIL 等級(jí)為 Ｄ。
 
３ VCU 硬件在環(huán)測試
3.1 VCU 硬件在環(huán)測試方案
在待測 VCU 軟硬件比較完整且穩(wěn)定后可將其連接至虛擬整車環(huán)境中進(jìn)行 HIL 測試。HIL 測試能最大程度上模擬實(shí)車運(yùn)行環(huán)境，更重要的是能方便、精確的向  VCU 注入各種故障，滿足功能安全設(shè)計(jì)的驗(yàn)證需求。本文基于 dSPACE 平臺(tái)搭建 VCU HIL 測試系統(tǒng)，測試方案如圖
 
dSPACE 仿真器可為 HIL 系統(tǒng)提供電氣環(huán)境，整車模型（ASM）包括整車運(yùn)行必要的部件，并按照實(shí)車結(jié)構(gòu)形成閉環(huán)環(huán)境，通過高性能處理器實(shí)時(shí)運(yùn)算。通過故障注入單元（FIU）可以注入短電、短地和開路故障等。通過上位機(jī)可執(zhí)行測試操作并能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測試。
 
3.2 測試驗(yàn)證
VCU HIL 測試軟硬件環(huán)境搭建完畢后，首先對(duì) VCU 進(jìn)行開環(huán)測試，確認(rèn)電氣接口特性符合設(shè)計(jì)要求、總線通信報(bào)文收發(fā)正確。然后按照 ISO26262 要求，進(jìn)行功能需求測試和故障注入測試，使用 ControlDesk 搭建的測試界面如圖３所示。
以 ABS 通信無效故障處理為例對(duì)某車型 VCU 進(jìn)行測試，測試用例參考表５，測試結(jié)果如圖 4 和 5 所示。通過設(shè)置 ABS＿Enable 信號(hào)來注入通信丟失故障，ABS＿Enable 信號(hào)值為 1 時(shí)通信正常，為 0 時(shí)通信停止。為確定 ABS 通信無效故障確認(rèn)時(shí)間，可以設(shè)置通信停止時(shí)間，并通過觀測故障報(bào)警信號(hào)和車輛巡航狀態(tài)來確定故障確認(rèn)時(shí)間閾值和故障處理的準(zhǔn)確性。
使整車以 80km／ｈ 的速度進(jìn)行定速巡航，在24.1s 時(shí)設(shè)置 ABS＿Enable 無效并且持續(xù)時(shí)間為 2990ms 后 VCU 仍然保持 80km／ｈ的速度巡航，電機(jī)扭矩請(qǐng)求無任何變化，VCU 故障等級(jí)報(bào)警信號(hào)為無故障（圖４）。同樣使整車巡航在 80km／ｈ，在 24.9s 時(shí)設(shè)置 ABS＿Enable 無效且持續(xù) 3000ms，VCU 請(qǐng)求扭矩先降至零然后為負(fù)，此時(shí)車輛退出巡航且進(jìn)入了滑行能量回收模式，但 VCU 故障報(bào)警信號(hào)仍然為無故障（圖５）。測試結(jié)果表明，ABS 通信無效故障確認(rèn)時(shí)間為 3000ms，且故障發(fā)生后會(huì)禁止巡航功能，符合 ABS 通信功能安全設(shè)計(jì)要求；發(fā)生故障時(shí)未能正確處理故障報(bào)警信號(hào)，不符合設(shè)計(jì)規(guī)范，需進(jìn)行修改。

4 結(jié)論
功能安全標(biāo)準(zhǔn) ISO26262 為道路車輛的開發(fā)、測試、生產(chǎn)和維護(hù)提供了規(guī)范，本文參考標(biāo)準(zhǔn)要求闡述了符合功能 安全要求的純電動(dòng)汽車整車控制器的硬件在環(huán)測試技術(shù)， 包括對(duì)功能安全分析、ASIL 等級(jí)的確認(rèn)和具體的功能安全需求的分解，并以 ABS 通信無效故障為例詳細(xì)介紹了測試用例設(shè)計(jì)。最后使用 dSPACE 軟硬件系統(tǒng)搭建 VCU 硬件在環(huán)測試平臺(tái)，對(duì)某車型的 VCU 進(jìn)行了HIL 測試。結(jié)果表明，該方法能為功能安全設(shè)計(jì)驗(yàn)證提供系統(tǒng)的流程 和便利的條件。
 
 
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