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测试工程师们,准备好迎接电动汽车时代了吗?

时间:2018-11-22 作者:Nate Holmes,NI首席解决方案经理 阅读:
电池动力传动技术和内燃机动力传动技术从根本上来说截然不同,因此两种技术需要一系列截然不同的流程和测试方法。然而,当这两种技术融合到混合动力车(无缝整合)时,测试时间和成本有可能会大幅增加…

电池动力传动技术和内燃机(ICE)动力传动技术从根本上来说截然不同,因此两种技术需要一系列截然不同的流程和测试方法。当这两种技术融合到混合动力车(无缝整合)时,测试时间和成本有可能会大幅增加。

ICE完全是物理测试,测试内容是燃烧机械、压力、温度、流体、机械连接和动力传递、排气控制等,透过涡轮增压器和增压器,以及其他方法提高燃烧室的爆炸效率或能量,将线性活塞运动转换为旋转扭矩,并使用飞轮来平衡能量输出。

而电池动力传动则完全是电气测试,测试的是电力电子和开关频率、电压和电流、感应和反电动势;电池容量、放电率、逆变器和转换器的热管理,以及再生功率调节;马达/发电机的相角和层压板几何形状,以及磁铁位置和磁通线。

当两种技术以各种方式组合成混合动力系统时,就需要进行整合测试,包括管理ICE和电子组件之间相互作用的控制方案、状态图及规则,以确保系统能够在所有驾驶条件和场景下做出适当响应。

混合动力车(任何组合方式)比任何ICE或纯电动车(BEV)都更为复杂。

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图1 传统内燃机动力传动和纯电动力传动之间的各种组合构造。

日益复杂的系统所包含的组件也在不断增加,这意味着故障概率增加了。对于测试工程师来说,这是1+1>>2。他们不仅要执行传统的ICE测试,还必须对电池动力系统执行新的且要求更高的子系统测试。测试工程师还必须设计广泛的整合测试覆盖范围,以确保两种技术无缝协同工作,提供混合动力车设计时所期望的效率、性能和驾驶体验。

满足混合动力电动车测试需求

电池动力传动组件正在推动更复杂的测试需求。测试工具正在不断发展以跟上需求变化的步伐。测试工程师也必须紧跟不断发展的技术,才能满足汽车产业由于高速创新和新技术引入所带来测试要求变化。以下是电池动力传动组件所导入的一些新测试要求,以及不断进步和完善、能够满足这些要求的测试工具。

更高保真度且更复杂的建模

相比ICE,马达和逆变器的响应速度更快,且在其工作范围内表现出高度非线性特征。来自ECU的控制讯号非常快(2~20kHz),专用马达模型需要以高出100倍的速度运作(200kHz~2MHz),以便在硬件回路(HIL)测试中准确地表示系统。如果是在用于ICE HIL基于处理器的实时系统上,这无法高效实现,因此,NI等测试系统供货商正在开发基于FPGA的模拟工具,以在所需的微秒级循环速率下执行使用专用电子建模工具创建的模型。斯巴鲁(Subaru)已经成功实现了这样一个系统,测试时间大幅缩短,仅为在测功机上进行等效测试所需估计时间的1/20。

功率级测试

通常,ECU和逆变器封装在一起,使得讯号电平(-10~10V和几mA)的测试变得非常困难。在全功率下进行测试,拉灌实际电流要比把组件拆开进行测试要方便得多,但是,这意味着在高达200KW的功率电平下进行测试。这么大的功率电平需要使用能够提供通道间隔离的专用设备和电源,可以吸收和提供如此大规模的动态负载,例如NI联盟商Loccioni为法拉利(Ferrari)混合动力跑车Magneti Marelli逆变器开发的终端逆变器测试平台。

电池模块/电池组验证

电池,尤其是高容量插入式混合电池,必须在单元、模块和电池组级别上分别进行特性分析。电池单元以串联/并联方式组成电池组,需要测试的电压范围高达0~800V,以及相对于共模电压的测量精准度要求非常高,这些测试可能非常困难(或非常昂贵)。

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图2 电池组架构(单元、模块、电池组)和所需的电压电平测量范围。

该电池组实际上拥有自己的ECU,也就是电池管理系统(BMS),不仅需要对模拟电池组进行组件级测试(比如使用NI联盟商Bloomy开发的这一BMS测试解决方案),在其上运作控制算法和函数,也需要在子系统级别下对实际电池组进行测试。这些测试发生在热室中,因为电池的工作特性非常大程度依赖于温度,测试包含特性分析和耐久性测试两个方面,因为电池组性能的核心属性是充电/放电行为和整个生命周期内,以及在各种温度条件下的循环时间(电池组在各种气候条件下正常使用的持续时间)。

为了在可接受的时间内完成测试并具有统计意义,汽车制造商正在平行测试许多(数十到数百个)电池组。高效地管理这些测试装置、生成的数据,以及确保数据的可追溯性和测试数据有效性的可信度,需要专门为此设计测试自动化、系统管理和数据管理工具。

整合测试

如果汽车制造商只能依赖实验室或道路/轨道测试来进行物理验证测试,那么要确保测试能够涵盖所有预期用例和工作条件是不现实的,因为这将非常昂贵且耗时,为了解决这个问题,测试工程师正在尝试利用HIL测试来增强系统整合测试时的数据测试。HIL测试是基于模拟的物理验证和确认测试之间,在系统整合测试中,可以根据要验证的组件或行为来模拟系统的各个部分。拥有灵活的测试环境和架构可以支持模拟和实际组件的各种组合,从而显着缩短测试时间,同时提供广泛的测试覆盖率,并提高对系统级性能和可靠性的信心。

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图3 在可支持真实和模拟系统组件的各种组合的平台上进行标准化可以显着提高测试效率和设备重复使用率。(来源:Powertrain Instrumentation and Test Systems, 2016)

为什么汽车制造商不制造纯电动车?

可以说,电动动力传动的性能更为优越,其优点包括更高的性能、更快速的响应、更低的噪声、零排放、低维护和驾驶成本,且更安全、更简单(更少移动组件和故障点),还为设计工程师提供了令人兴奋的自由发挥空间,因为电动车移除或大大简化了复杂且昂贵的重型组件,如内燃机和相关的皮带驱动系统、排气和催化转换器,以及变速箱。这些组件由更小的组件代替,具有更高的功率/重量比,并且允许更灵活的放置,唯一的问题是纯电池动力传动系统过于昂贵(很大程度仅取决于一个组件:电池组)。

然而,汽车制造商必须满足各国政府对汽车的各种效率和排放要求,他们认为电气化具有诱人的性能优势。因此,他们决定以各种有趣的方式将动力传动技术分解并融合在一起,努力让ICE车辆具备电动车的一些优势。但他们仍必须避免坚持使用足够大的电池组来制造纯电动车,因为电池成本可望不断下降。

好消息是,相关业者正在迅速实现这一目标,并且正大力投资到电池技术的创新,这不仅是汽车领域的需求,也是消费者对技术(例如手机)的需求。电池性能/成本曲线带来了巨大希望,每年成本的降幅高达两位数,并且没有放缓的迹象。

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图4 电池组价格/KWh持续下降,正在不断趋近大众市场愿意接受纯电动汽车的100美元/KWh临界点。(来源:Bloomberg New Energy Finance (BNEF) survey, 2017)

另一方面,汽车制造商转向混合动力车的问题在于,混合动力车不仅没有降低汽车的复杂性,反而增加了汽车的复杂性。混合动力系统包含更多组件,因而可能的故障点也更多。此外,混合动力车还需要解决整合两种不同动力系统技术这一棘手的问题,且管理此整合需要高阶组件,以及更高阶的软件和控制方法。

跟上创新的步伐

汽车制造商积极开发混合动力车的目的在很大程度上是为了满足政府对汽车燃油效率和排放等级的要求,同时也面临着需要在与竞争对手相同的时间期限内提供有吸引力的电气化产品(已确定为消费者的强烈需求)的压力。

这些因素加速了电动车开发的时间进度表,为测试工程师带来了更大的压力,要求他们在更短的时间内对更复杂系统完成更多的测试,以确保这些混合动力车辆设计的安全性、可靠性和高性能。幸运的是,测试平台工具和技术的发展速度恰好能够赶上一般汽车产业的创新速度,汽车测试小组必须充分利用这些进步来满足其组织和汽车项目团队日益增长的需求。

 

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