當(dāng)今的汽車變得非常的復(fù)雜，有幾個(gè)趨勢(shì)推動(dòng)了復(fù)雜性的日益增加，比如信息娛樂系統(tǒng)技術(shù)的興起、車內(nèi)不斷增加的傳感器數(shù)量和計(jì)算能力以及世界各國(guó)政府不斷制定法規(guī)要求汽車制造商提高燃油經(jīng)濟(jì)性的平均水平。為了滿足平均燃油經(jīng)濟(jì)性水平要求，制造商轉(zhuǎn)向油電混合動(dòng)力汽車。但是，隨著傳統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)與電力電子系統(tǒng)的混合，增加電子組件的同時(shí)也增加了測(cè)試的難度。汽車動(dòng)力總成測(cè)試的挑戰(zhàn)如下：

電池測(cè)試

挑戰(zhàn)：

混合電動(dòng)汽車和純電動(dòng)汽車的典型電池拓?fù)涠际且噪姵貑卧獮榛A(chǔ)，每個(gè)單元的電壓都很低，大多數(shù)電池的電壓一般在1至4V范圍內(nèi)。電池以串聯(lián)和并聯(lián)方式相互連接就形成電池模塊，電池模塊之間通過串聯(lián)連接來獲得整個(gè)汽車所需的總線電壓，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有出色的擴(kuò)展性，但是要測(cè)試拓?fù)渲械拿總€(gè)單元卻非常困難。

例如，如圖所示，假設(shè)第一個(gè)模塊中藍(lán)色電池單元為5V，該單元處在5V共模電壓的位置上，這一電壓使用工作范圍為10V的傳統(tǒng)多功能數(shù)據(jù)采集設(shè)備即可測(cè)量。


但是，在下圖中，剛才測(cè)量的5V單元具有400V共模電壓，測(cè)量這個(gè)單元使用普通的多功能DAQ設(shè)備是無法實(shí)現(xiàn)的。此測(cè)量可使用數(shù)字萬用表或DMM進(jìn)行，但是每通道的成本非常高且無法將該測(cè)量與其他的測(cè)量同步。


解決方案：PXIe-4310

PXIe-4310是一款8通道600V CAT0通道間隔離設(shè)備，可在+/- 1V至+/- 600V范圍內(nèi)進(jìn)行同步測(cè)量。通道間隔離是在高共模電壓下進(jìn)行低電壓測(cè)量的關(guān)鍵，而同步測(cè)量可精確地展現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。在PXI平臺(tái)上，動(dòng)態(tài)系統(tǒng)可輕松與其他測(cè)量同步。

電子電力部件測(cè)試

電機(jī)和控制系統(tǒng)包含4個(gè)主要部件，控制器、電池、電機(jī)和逆變器。測(cè)試時(shí)主要采用硬件在環(huán)（HIL）的方法，它是一種用于測(cè)試嵌入式控制系統(tǒng)的方法。測(cè)試過程中，真正的待測(cè)對(duì)象由實(shí)時(shí)仿真代替，在測(cè)量控制信號(hào)后以仿真的傳感器信號(hào)進(jìn)行回應(yīng)，以便控制器相信它控制的是真實(shí)的物理系統(tǒng)。電機(jī)控制器的HIL系統(tǒng)用動(dòng)態(tài)的仿真對(duì)象代替逆變器、電池和電機(jī)，HIL系統(tǒng)讀取來自控制器的高速PWM信號(hào)作為模擬的輸入，然后計(jì)算真實(shí)電機(jī)如何相應(yīng)這些輸入，并向ECU提供仿真的電壓和電流傳感器反饋信號(hào)。電子電力仿真面臨著一些獨(dú)特的挑戰(zhàn)。

挑戰(zhàn)一：超快速PWM信號(hào)輸入到模型

ECU提供的PWM信號(hào)速度非?？?，通?；l為2-20kHz，模型必須非?？焖俚淖x取PWM信號(hào)并做出響應(yīng)，其運(yùn)行頻率通常要比PWM信號(hào)開關(guān)頻率快100倍，才能捕獲干凈的PWM上升沿和下降沿。因此，模型和仿真對(duì)象本身的運(yùn)行頻率必須在200kHz至2MHz。

解決方案：模型循環(huán)速率

仿真到FPGA


為了達(dá)到電力電子仿真所需的速度，NI將仿真計(jì)算從CPU 轉(zhuǎn)移到FPGA，這樣I/O節(jié)點(diǎn)和計(jì)算節(jié)點(diǎn)都位于FPGA硬件上，因而I/O和計(jì)算之間就不存在通信延遲了，這有助于實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)循環(huán)速率的實(shí)時(shí)仿真，獲得200 kHz到2M kHz的循環(huán)速率。這些仿真可以在NI的大型FPGA平臺(tái)、FlexRIO和R系列上運(yùn)行。


用于HIL應(yīng)用的NI CompactRIO平臺(tái)

此外，可以在NI CompactRIO平臺(tái)上運(yùn)行這些類型的仿真，CompactRIO用于該應(yīng)用領(lǐng)域的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是所有I/O都鏈接到一個(gè)FPGA 。

挑戰(zhàn)二：特殊電氣建模工具

電力電子仿真通常使用更適合于特定類型仿真的專門建模工具，模型本身以及模型中使用的解決方案是專門針對(duì)該類型的高速電力電子仿真而設(shè)計(jì)。

解決方案：專業(yè)建模工具

OPAL-RT——FPGA中的eHS求解器

NI與OPAL-RT合作，將其行業(yè)領(lǐng)先的研發(fā)成果應(yīng)用到NI FPGA上以更好地為建模環(huán)境提供支持。使用OPAL-RT工具，可以利用建模環(huán)境中的已有設(shè)計(jì)模型以及NI和OPAL-RT工具鏈將模型直接部署到FPGA中以實(shí)現(xiàn)非常高速的電力電子仿真。被稱為eHS的求解器可允許HIL模型循環(huán)速度在亞微秒范圍內(nèi)，并無縫集成到NI現(xiàn)有的實(shí)時(shí)測(cè)試平臺(tái)中。

VeriStand實(shí)時(shí)測(cè)試和仿真軟件

這一過程還可結(jié)合VeriStand進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)，VeriStand是用于實(shí)時(shí)測(cè)試測(cè)試執(zhí)行的NI軟件工具，軟件提供激勵(lì)生成、數(shù)據(jù)記錄、自動(dòng)化以及模型所需的所有功能，可以創(chuàng)建功能全面的實(shí)時(shí)測(cè)試系統(tǒng)。因此，將eHS求解器與VeriStand相集成，即可在NI平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)高速模型和FPGA。

挑戰(zhàn)三：非線性電機(jī)模型

電動(dòng)機(jī)的參數(shù)在電動(dòng)機(jī)整個(gè)電流和速度范圍內(nèi)的線性度極差，使用單個(gè)參數(shù)無法重現(xiàn)電機(jī)的真實(shí)行為。

圖表顯示了整個(gè)電機(jī)工作區(qū)間的典型電感表

解決方案：非線性電機(jī)模型



為了實(shí)現(xiàn)更高保真度的建模，NI支持導(dǎo)入有限元分析（FEA）模型數(shù)據(jù)，F(xiàn)EA模型數(shù)據(jù)使用參數(shù)值的查找表并根據(jù)模型的狀態(tài)，在模擬的每次迭代中插入每個(gè)模型參數(shù)的新值。流程是選擇已有的FEA模型，然后根據(jù)FEA模型的多次運(yùn)行結(jié)果將參數(shù)導(dǎo)出到查找表，然后將參數(shù)導(dǎo)入VeriStand，最后計(jì)算實(shí)時(shí)測(cè)試結(jié)果。

挑戰(zhàn)四：功率電平測(cè)試 - 500W到25MW
ECU和逆變器通常封裝在同一個(gè)盒子中，使信號(hào)電平的測(cè)試非常困難。

解決方案：功率電平測(cè)試

ECU和逆變器通常封裝在同一個(gè)物理外殼中，給電機(jī)和電池留出接口。控制器的電流和電壓測(cè)量都在該外殼內(nèi)進(jìn)行，因此信號(hào)測(cè)量需要打開ECU的外殼來測(cè)量信號(hào)。但是，對(duì)于HIL中的功率信號(hào)測(cè)量來說，NI使用一個(gè)電力電子系統(tǒng)和一個(gè)可以拉灌電流的電源，這一過程稱為負(fù)載仿真。因此，NI不是將電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接到真正的電機(jī)，而是將其連接到模擬器，然后可以命令該模擬器系統(tǒng)像任何有源或無源負(fù)載一樣輸入和輸出電流。這種有源負(fù)載的帶寬>20 kHz，工作效率高達(dá)95%，這意味著它可以復(fù)制非常高速的動(dòng)力學(xué)特性，幾乎不浪費(fèi)任何能量。