??1 HIL系統(tǒng)簡(jiǎn)介

??1.1什么是HIL系統(tǒng)

??HIL，全稱是Hardware In the Loop，業(yè)內(nèi)稱之為硬件在環(huán)或者硬件在回路。因此HIL系統(tǒng)又名硬件在環(huán)系統(tǒng)。

??硬件在環(huán)系統(tǒng)分為三部分：

??硬件，指的是已裝載運(yùn)行軟件的的ECU(Electronic Control Unit)實(shí)物，ECU是被測(cè)對(duì)象。整個(gè)系統(tǒng)都是服務(wù)于ECU，驗(yàn)證ECU的運(yùn)算結(jié)果的可靠性和性能的穩(wěn)定性。

??仿真，指的是虛擬整車環(huán)境，它是ECU控制的對(duì)象，即被控對(duì)象。這部分需要整車模型虛擬出整車運(yùn)行邏輯，然后通過(guò)系統(tǒng)的IO板卡和CAN卡輸出和采集信號(hào)。

??在環(huán)，被測(cè)對(duì)象和被控對(duì)象進(jìn)行信號(hào)交互，實(shí)現(xiàn)ECU控制虛擬整車環(huán)境，從而達(dá)到驗(yàn)證ECU功能和性能的目的。

??通俗的說(shuō)，硬件在環(huán)仿真就是搭建一個(gè)虛擬的整車環(huán)境平臺(tái)，該平臺(tái)可以模擬整車的各種行為，從而使得ECU能夠正確運(yùn)行。其框架原理如圖1-1所示。

圖1-1 硬件在環(huán)系統(tǒng)框架圖

??1.2 HIL系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

??汽車系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，涉及到不同ECU之間的耦合。目前基于V流程的ECU開發(fā)模式是主流的汽車系統(tǒng)開發(fā)模式，V模式開發(fā)流程的特點(diǎn)是無(wú)論進(jìn)行開發(fā)、編程或測(cè)試，總是在同一環(huán)境下工作，開發(fā)過(guò)程的每一步都可以得到驗(yàn)證。使用這一方法最直接的效果就是加速和簡(jiǎn)化開發(fā)流程，這樣，技術(shù)人員可以快速地把自己的思想變成現(xiàn)實(shí)，并可以盡早消除系統(tǒng)設(shè)計(jì)的錯(cuò)誤。而HIL正是汽車V模式開發(fā)流程中重要的驗(yàn)證環(huán)節(jié)，圖1-2所示的V模式開發(fā)流程中，HIL用來(lái)對(duì)集成后的系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試， HIL的重要性顯而易見。

圖1-2 V模式開發(fā)流程

??HIL盡可能真實(shí)地模擬現(xiàn)實(shí)世界，盡可能準(zhǔn)確地模擬進(jìn)入ECU的以及采集從ECU發(fā)出的模擬和數(shù)字信號(hào)。它是將部分實(shí)際的系統(tǒng)部件用高速運(yùn)行的實(shí)時(shí)模型代替，實(shí)時(shí)模型在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)硬件設(shè)備提供測(cè)試對(duì)象的輸入接口并且檢測(cè)測(cè)試對(duì)象的輸出接口，這樣測(cè)試對(duì)象就與實(shí)時(shí)系統(tǒng)連接成為一個(gè)環(huán)路，通過(guò)仿真試驗(yàn)對(duì)測(cè)試對(duì)象的各項(xiàng)性能進(jìn)行測(cè)試和評(píng)估。HIL可以完整的模擬汽車的整個(gè)工況以及極限環(huán)境。HIL改變了傳統(tǒng)的測(cè)試手段，在汽車開發(fā)過(guò)程中具有十分重要的作用。與傳統(tǒng)測(cè)試手段相比，HIL大大降低開發(fā)成本并提高開發(fā)效率，它的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

??(1) 同步開發(fā)

??使用HIL仿真技術(shù)，能夠保證在系統(tǒng)開發(fā)的初期，缺乏其它相關(guān)硬件設(shè)備的條件下仍然可以獨(dú)立地調(diào)試和評(píng)估測(cè)試對(duì)象的軟硬件，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的同步開發(fā)，縮短開發(fā)周期。

??(2) 極限測(cè)試和破壞性試驗(yàn)

??HIL仿真技術(shù)可以模擬車輛的各種工況，尤其是那些現(xiàn)實(shí)中很少出現(xiàn)的極限情況及一些危險(xiǎn)的或者具有破壞性的試驗(yàn)，比如各類故障的模擬，而不會(huì)因此產(chǎn)生實(shí)際的風(fēng)險(xiǎn)和損失，這將大大降低開發(fā)的成本和風(fēng)險(xiǎn)性。

??(3) 可重復(fù)再現(xiàn)

??HIL仿真技術(shù)能夠極為精準(zhǔn)地重復(fù)再現(xiàn)任何一次試驗(yàn)，而這在實(shí)車測(cè)試中是很難做到的。

??(4) 調(diào)試過(guò)程全面、快捷

??HIL仿真技術(shù)能夠全面、快捷地進(jìn)行測(cè)試，能夠在系統(tǒng)開發(fā)的初期檢測(cè)出軟硬件設(shè)計(jì)的大多數(shù)錯(cuò)誤。眾所周知，越是到系統(tǒng)開發(fā)的后期，處理錯(cuò)誤的方式就越有限，而處理錯(cuò)誤的成本就會(huì)越高，而通過(guò)硬件在環(huán)測(cè)試可以使錯(cuò)誤消失在初期，大幅度降低后期工作量。

??2 同湛BMS HIL系統(tǒng)解決方案

??2.1 技術(shù)背景

??電池是新能源汽車的主要?jiǎng)恿υ?，因此電池性能的好壞決定了新能源汽車的動(dòng)力性能。而電池管理系統(tǒng)(Battery Management System,簡(jiǎn)稱BMS)作為新能源汽車的重要部分，是監(jiān)控和保護(hù)電池狀態(tài)性能的核心部件，決定了整車動(dòng)力部件的正常運(yùn)行。也因此，BMS在裝車之前要進(jìn)行充分的測(cè)試，但是用真實(shí)的電池包和整車測(cè)試BMS會(huì)有諸多弊端，如：

??極限工況模擬給測(cè)試人員帶來(lái)安全隱患，例如過(guò)壓、過(guò)流和過(guò)溫，有可能導(dǎo)致電池爆炸;

??SOC估計(jì)算法驗(yàn)證耗時(shí)長(zhǎng)，真實(shí)的電池組充放電試驗(yàn)十分耗時(shí);

??模擬特定工況難度大，例如均衡功能測(cè)試時(shí)，制造電池單體間細(xì)微電壓差別，電池?zé)崞胶鉁y(cè)試時(shí)，制造單體和電池包間細(xì)微的溫度差別等。

??以及其他針對(duì)BMS功能測(cè)試，如電池組工作電壓、單體電池電壓、溫度、充放電控制、高壓安全功能、均衡功能、通訊、故障診斷、傳感器等一系列的測(cè)試，都面臨著諸多挑戰(zhàn)。

??針對(duì)上述測(cè)試過(guò)程的安全隱患，上海同湛新能源科技有限公司研發(fā)的BMS HIL系統(tǒng)沒(méi)有上述弊端，可以很輕松的實(shí)現(xiàn)極限工況測(cè)試，可以在短時(shí)間內(nèi)完成所需功能和性能測(cè)試。

??2.2 同湛BMS HIL系統(tǒng)原理

??BMS HIL系統(tǒng)是HIL系統(tǒng)的具體化，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的同湛BMS HIL系統(tǒng)一般由上位機(jī)、主控制器閉環(huán)機(jī)柜、從控制器閉環(huán)機(jī)柜組成，從而模擬出虛擬的整車環(huán)境。由上位機(jī)控制BMS HIL系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)虛擬整車環(huán)境與真實(shí)BMS之間的CAN信號(hào)和I/O信號(hào)交互。從而達(dá)到檢測(cè)BMS的工作邏輯和性能指標(biāo)的目的。

圖2-1 BMS HIL示意框圖

??其中，主控制器閉環(huán)機(jī)柜放置BMS主控制器，從控制器閉環(huán)機(jī)柜放置BMS從控制器，主控和從控之間通過(guò)線束進(jìn)行信號(hào)交互。電腦上作為上位機(jī)，向控制器發(fā)送硬線和CAN信號(hào)等控制命令，并且回讀控制器發(fā)送的硬線和CAN信號(hào)。架構(gòu)圖如下圖2-2所示。

圖2-2 BMS HIL系統(tǒng)架構(gòu)

??電腦是整個(gè)系統(tǒng)的大腦，是系統(tǒng)的控制終端和接收終端。電腦上運(yùn)行虛擬整車模型、試驗(yàn)管理軟件VeriStand、故障注入軟件、自動(dòng)化測(cè)試軟件TestZealot。模型負(fù)責(zé)整車邏輯運(yùn)算，試驗(yàn)管理軟件VeriStand負(fù)責(zé)信號(hào)的發(fā)送與接收，故障注入軟件負(fù)責(zé)低壓故障注入，自動(dòng)化測(cè)試軟件TestZealot負(fù)責(zé)編寫和執(zhí)行測(cè)試用例。

??測(cè)試環(huán)境是硬件實(shí)現(xiàn)，把模型邏輯轉(zhuǎn)換成BMS控制器可識(shí)別的硬線信號(hào)和CAN信號(hào)，比如：KL30、KL15、電芯電壓和溫度、霍爾電壓等。

??如圖2-3是同湛BMS HIL系統(tǒng)的信號(hào)交互原理圖框圖。

圖2-3 BMS HIL原理框圖

??2.3 同湛BMS HIL系統(tǒng)的功能舉例

??根據(jù)上述原理，同湛的BMS HIL系統(tǒng)可以完整的實(shí)現(xiàn)BMS控制器的測(cè)試環(huán)境，并真正做到一鍵操作達(dá)到測(cè)試的目的。如圖2-4低壓故障注入的功能實(shí)現(xiàn)。

圖2-4 低壓故障注入的功能實(shí)現(xiàn)

??在電腦上運(yùn)行試驗(yàn)管理軟件NI VeriStand，虛擬整車模型由VeriStand部署到NI實(shí)時(shí)處理器并運(yùn)行。VeriStand通過(guò)以太網(wǎng)向?qū)崟r(shí)處理器發(fā)送BMS喚醒信號(hào)KL15/30，實(shí)時(shí)處理器通過(guò)I/O線纜把KL15/30信號(hào)發(fā)送至信號(hào)調(diào)理板，信號(hào)調(diào)理板卡把KL15/30信號(hào)調(diào)理至具備驅(qū)動(dòng)能力的信號(hào)，然后信號(hào)經(jīng)過(guò)FIU板卡的通道給到BMS控制器，BMS控制器被喚醒。此時(shí)若要給這個(gè)通道造短接到GND的故障命令，則通過(guò)VeriStand發(fā)送命令至實(shí)時(shí)處理器，然后實(shí)時(shí)處理器把命令信號(hào)通過(guò)CAN發(fā)送至FIU板卡，F(xiàn)IU板卡把對(duì)應(yīng)通道短接到GND，則KL15/30信號(hào)就被短接到GND，BMS控制器就被喚醒失敗。上位機(jī)軟件 能夠?qū)崟r(shí)采集BMS在運(yùn)行過(guò)程中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，包括電壓、電流、溫度、SOC（電量狀態(tài)）等關(guān)鍵參數(shù)；可保持不低于90天連續(xù)不間斷運(yùn)行的穩(wěn)定性，來(lái)確保測(cè)試數(shù)據(jù)的可靠性;能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控BMS的運(yùn)行狀態(tài)，并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理；具備便于操作用戶界面和處理數(shù)據(jù)能力，能夠生成測(cè)試報(bào)告和分析圖表，可對(duì) BMS的性能評(píng)估和優(yōu)化做相應(yīng)的支持。

可提供基本的模型及測(cè)試用例：

1 電池模型：模擬電池的電氣特性、熱特性和老化過(guò)程，包括電池的充放電過(guò)程、內(nèi)阻變化、溫度響應(yīng)等；

2 整車模型：提供BMS測(cè)試所需的整車信號(hào)，包括駕駛員輸入、車輛動(dòng)力學(xué)模型、電機(jī)模型、主減速器模型、道路及環(huán)境模型等；

3  I/O模型：模擬BMS與外部設(shè)備之間的信號(hào)交互，包括電壓、電流、溫度等模擬信號(hào)的輸入和輸出；

4 故障注入模型：集成故障注入機(jī)制，模擬各種故障情況，如電池單體故障、傳感器故障、通信故障等。

5基本的整車測(cè)試用例，至少包括：充放電循環(huán)工況、NEDC或WLTP工況、高速駕駛循環(huán)工況等。

6基本的BMS測(cè)試用例：過(guò)充/過(guò)放測(cè)試、短路測(cè)試、高溫/低溫極限測(cè)試、故障注入測(cè)試等。

??同湛BMS HIL系統(tǒng)其他功能包含比較全面，其他功能的實(shí)現(xiàn)原理與上述類似。

表1 功能列表

?

??3 同湛工程服務(wù)內(nèi)容

??3.1 信號(hào)需求列表制作

??根據(jù)客戶SOR需求制作信號(hào)需求列表，主要信號(hào)定義、信號(hào)調(diào)理板卡通道配置、BOB管腳配置、FIU管腳配置等。局部視圖如下。

??3.2 硬件集成

??同湛BMS HIL系統(tǒng)主要硬件設(shè)備如下：

??把這些設(shè)備根據(jù)一定的電氣結(jié)構(gòu)耦合到一起，并根據(jù)信號(hào)列表內(nèi)容制作輸出和輸入線束，最終形成BMS HIL系統(tǒng)。下圖所示為系統(tǒng)電氣規(guī)劃示例。

??3.3 開環(huán)調(diào)試

??系統(tǒng)搭建完成后，需要在不連接目標(biāo)ECU的情況下，輸入激勵(lì)信號(hào)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能和性能調(diào)試。包括CAN通訊調(diào)試，IO信號(hào)精度，供電系統(tǒng)性能等方面的測(cè)試，并保證符合客戶的SOR需求。

??3.4 模型搭建

??此階段，需要客戶提供相關(guān)數(shù)據(jù)文檔，便于我方搭建整車模型。具體需求文檔屆時(shí)會(huì)輸送給客戶，客戶根據(jù)需求文檔提供具體數(shù)據(jù)。需求文檔局部截圖如下。

??3.5 閉環(huán)調(diào)試

??保證整車模型與ECU進(jìn)行信號(hào)交互，能夠?qū)崿F(xiàn)ECU的邏輯驗(yàn)證。

??整車模型搭建完成后，下圖所示為Simulink模型導(dǎo)入NI Veristand的過(guò)程：

??Vetistand工程建立后，在workspace中添加控件，對(duì)BMS進(jìn)行閉環(huán)測(cè)試。

模擬駕駛界面

??BMS控制器連接HIL臺(tái)架，整體形成一個(gè)閉環(huán)，下圖是電池模擬器部分測(cè)試數(shù)據(jù)：

電池模擬器測(cè)試

??3.6 測(cè)試服務(wù)

??3.6.1建立測(cè)試流程

??可根據(jù)各公司的實(shí)際情況建立的測(cè)試流程:

??建立測(cè)試用例模板并幫助客戶編寫部分測(cè)試范例,如圖為某項(xiàng)目測(cè)試用例模板：

測(cè)試用例范例

??建立缺陷追蹤模板，如圖，為某項(xiàng)目測(cè)試缺陷追蹤模板。

測(cè)試缺陷追蹤