车辆电动化带来的功率级HIL测试应用
2025-03-11
在车辆电动化架构中，新增了许多过往在汽油车辆不会出现的零组件，包含电池包/电池模组/电池管理系统、马达/马达控制器、交直流/无线充电系统、DC/DC与制热制冷系统等。这些零组件所须执行的功能也从过往单纯的弱电控制，多了强电大功率的行为，也由于汽车电子产品开发周期长、投入测试成本与风险高，如何确保产品开发过程符合功能安全标准一直是车厂与供应商高度关注的议题。
EV高压部件系统
硬体在环 (Hardware In the Loop，HIL) 技术是一种用于测试电子控制单元功能 、系统整合和通讯的方法，常用于汽车与航空等领域 。在车辆零组件测试应用上，以模型模拟与待测物相关连的实车零组件，在台架上即可形成闭回路系统进行前期测试 。而在电动车(EV) 高压零组件逐渐增加情况下，测试需求也由讯号级 HIL 慢慢转变为功率级HIL系统。针对上述重要高压零组件进行功率级HIL测试，载入车辆模拟模型的同时，不仅实现过往所需之功能与讯号控制测试，亦将高功率行为验证包含在内，相较传统讯号级HIL方案，更完整覆盖EV高功率零组件测试范围。
功率级HIL系统概念图
以动力马达系统为例，因应EV零组件整合化设计趋势，越来越多整车厂与零组件供应商将马达、马达控制器与减速机构等零组件整合为多合一的电力驱动系统。除了提高车内空间使用率及增加车辆续航里程等优点外，也相对地提高产品在测试程序上的复杂度。若能在开发前期即使用以负载测功机、数据采集器和电池模拟器… 等设备组成的电驱动总成测试系统进行验证，针对电力驱动系统进行整车级别的动力模拟测试，包含最重要的驱动系统效率、堵转扭矩性能、馈电特性、耐久可靠度等试验，将可完善车用动力系统于动态实车工况的测试需求，于实车验证阶段前掌握整体驱动控制性能及搭配成车后续可能的各种实际工况表现，节省大量实车路试与问题排查的成本。
电驱动测试系统测试架构
电驱动测试实验室
再以成车非常重要的上坡起步情境为例，EV通常只有一或两个固定的减速比， 面对超过10%坡度的地下道或是车库坡道时，可能无法达到上坡起步的要求。其中的关键在于如何避免上坡起步时转矩不足导致车辆下滑、或是起步转矩过大导致加速太快引起暴冲等事故发生。可透过堵转试验确认EV在起步时有足够的启动转矩，而电力驱动系统的转矩须能在不损坏的前提下稳定持续输出5~15秒满足上坡进步条件。
藉由台架试验确保电机驱动器在可供给最大电流情况下进行输出扭矩验证，并可以不同的载重需求进行多次试验；同时依据此测试结果进一步调整马达控制器的起步控制策略，确保EV在各条件下都能满足不同路况包含上坡起步的要求，防止危害事故发生。
测试案例：依据堵转试验结果可看出电力驱动系统在100Nm扭转时能持续输出长达60秒
虽然EV产品的稳定度已越来越高，但相关事故新闻却也不时频传。当这些高压控制元件快速发展下，促使功能多元化、安全机制复杂化、传递讯号量增加与控制判断容许错误时间降低，显然一般法规并无法涵盖成车实际运作的复杂行为，因此近年来车辆产业大力推广的ISO 26262道路车辆功能安全规范成为各车厂与供应商实行的方向。
在ISO 26262中针对产品系统与软硬体设计安全要求提出所应遵循的内容，于测试验证部分则提到，无论在任何功能安全完整性(ASIL)等级下，都须进行HIL与故障注入试验，以确保安全机制于整车层面上的正确性与失效覆盖率的有效性。
ISO 26262所阐述的HIL测试，可验证电子控制单元功能、通讯与系统完整性。配合车辆模型运作于控制器闭回路实时系统中，藉此实现进一步的复杂测试情境， 并对各个功能项目设定故障容许错误时间间隔(Fault Tolerant Time Interval，FTTI)，确保功能失效时可在故障容许错误时间间隔内，有效地检测出故障并且实施安全机制，避免危害发生。
HIL测试需求
安全相关时间间隔示意图
Chroma功率级HIL方案协助完善ISO 26262流程、利于产品取得ASIL安全等级认证。在标准开发V型流程中右端进行更多验证工作，在进入成车试验前即可早期发现问题并修正错误，有效降低开发成本并提高测试效率。
艾克赛普公司是Chroma合作伙伴，如果您对新能源电动汽车测试有需求或任何疑问，欢迎联系我们，将提供免费样机上门试用和更合适的测试解决方案。
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