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作者：Nate Holmes，NI首席解決方案經理 更多測試，更復雜系統，更少時間 電池動力總成技術和內燃機（ICE）動力總成技術從根本上來說是截然不同的。因此兩種技術需要一系列截然不同的流程和測試方法。當這兩種技術融合到混合動力汽車（無縫集成）時，測試時間和成本有可能會大幅增加。 ICE完全是物理測試，測試內容是燃燒機械、壓力、溫度、流體、機械連接和動力傳遞、排氣控制等，通過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，將線性活塞運動轉換為旋轉扭矩，并使用飛輪來平衡能量輸出。 而電動動力總成則完全是電氣測試，測試的是電力電子和開關頻率、電壓和電流、感應和反電動勢；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；電動機/發電機的相角和層壓板幾何形狀以及磁鐵位置和磁通線。 當兩種技術以各種方式組合成混合動力系統時，就需要進行集成測試，包括管理ICE和電子元件之間相互作用的控制方案、狀態圖以及規則，以確保系統能夠在所有駕駛條件和場景下做出適當響應。 混合動力汽車（任何組合方式）比任何ICE或純電動汽車（BEV）都更為復雜。 
圖1.傳統內燃機動力總成和純電動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，這意味著故障概率增加了。對于測試工程師來說，這是1 + 1 >> 2。他們不僅要執行傳統的ICE測試，還必須對電動動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，以確保兩種技術無縫協同工作，提供混合動力汽車設計時所期望的效率、性能和駕駛體驗。 滿足混合動力電動汽車測試需求 電動動力總成部件正在推動更復雜的測試需求。測試工具正在不斷發展以跟上需求變化的步伐。測試工程師也必須緊跟不斷發展的技術，才能滿足汽車行業由于高速創新和新技術引入所帶來測試要求變化。以下是電動動力總成部件所引入的一些新測試要求，以及不斷進步和完善、能夠滿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性特征。來自ECU的控制信號非常快（2-20kHZ），專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（HIL）測試中準確地表示系統。如果是在用于ICE HIL基于處理器的實時系統上，這是無法高效實現的。因此，NI等測試系統提供商正在開發基于FPGA的仿真工具，以在所需的微秒級循環速率下運行使用專用電子建模工具創建的模型。斯巴魯已經成功實現了這樣一個系統，測試時間大幅縮短，僅為在測功機上進行等效測試所需估計時間的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。在全功率下進行測試，拉灌實際電流要比把組件拆開進行測試要方便得多。但是，這意味著在高達200千瓦的功率電平下進行測試。這么大的功率電平需要使用能夠提供通道間隔離的專用設備和電源，可以吸收和提供如此大規模的動態負載，例如NI聯盟商Loccioni為法拉利混合動力跑車的Magneti Marelli逆變器開發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行特性分析。電池單元以串聯/并聯方式組成電池組，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行組件級測試（比如使用NI聯盟商Bloomy開發的這一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際電池組進行測試。這些測試發生在熱室中，因為電池的工作特性非常大程度依賴于溫度。測試包含特性分析和耐久性測試兩個方面，因為電池組性能的核心屬性是充電/放電行為和整個生命周期內以及在各種溫度條件下的循環時間（電池組在各種氣候條件下正常使用的持續時間）。為了在可接受的時間內完成測試并具有統計意義，汽車制造商正在并行測試許多（數十到數百個）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，需要專門為此設計測試自動化、系統管理和數據管理工具。 集成測試 如果汽車制造商只能依賴實驗室或道路/軌道測試來進行物理驗證測試，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的，因為這將非常昂貴且耗時。為了解決這個問題，測試工程師正在嘗試通過HIL測試來增強系統集成測試時的數據測試。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模擬系統的各個部分。擁有靈活的測試環境和架構可以支持模擬和實際組件的各種組合，從而顯著縮短測試時間，同時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.在可支持真實和模擬系統組件的各種組合的平臺上進行標準化可以顯著提高測試效率和設備復用率。 照片來源：Powertrain Instrumentation and Test Systems, 2016 為什么汽車制造商不制造純電動汽車？ 可以說，電動動力總成的性能更為優越，其優點包括更高的性能、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，更簡單（更少移動組件和故障點），而且還為設計工程師提供了令人興奮的自由發揮空間，因為電動車移除或大大簡化了復雜且昂貴的重型組件，如內燃機和相關的皮帶驅動系統、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。唯一的問題是純電動動力傳動系統過于昂貴（很大程度僅取決于一個部件：電池組）。 然而，汽車制造商必須滿足各國政府對汽車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勢。因此，他們決定以各種有趣的方式將動力總成技術分解并融合在一起，努力讓ICE車輛具備電動車的一些優勢。但他們仍必須避免堅持使用足夠大的電池組來制造純電動汽車，因為電池成本有望不斷下降。 好消息是，我們正在迅速實現這一目標，并且正大力投資到電池技術的創新，這不僅是汽車領域的需求，也是消費者技術（例如手機）的需求。電池性能/成本曲線給我們帶來了巨大希望，每年成本的降幅高達兩位數，并且沒有放緩的跡象。
圖4.電池組價格/ KWh持續下降，正在不斷趨近大眾市場愿意接受純電動汽車的100美元/ KWh臨界點。 圖片來源：Bloomberg New Energy Finance (BNEF) survey, 2017. 另一方面，汽車制造商轉向混合動力車的問題在于，混合動力車不僅沒有降低汽車的復雜性，反而增加了汽車的復雜性。混合動力系統包含更多組件，因而可能的故障點也更多。此外，混合動力車還需要解決集成兩種不同動力系統技術這一棘手的問題。管理此集成需要高級組件以及更高級的軟件和控制方法。 跟上創新的步伐 汽車制造商積極開發混合動力汽車的目的在很大程度上是為了滿足政府對汽車燃油效率和排放等級的要求，同時也面臨著需要在與競爭對手相同的時間期限內提供有吸引力的電氣化產品（已確定為消費者的強烈需求）的壓力。 這些因素加速了電動汽車開發的時間進度表，給測試工程師帶來了更大的壓力，要求他們在更短的時間內對更復雜系統完成更多的測試，以確保這些混合動力車輛設計的安全性、可靠性和高性能。幸運的是，測試平臺工具和技術的發展速度恰好能夠趕上一般汽車行業的創新速度。汽車測試小組必須充分利用這些進步來滿足其組織和汽車項目團隊日益增長的需求。 |
