充電機充電蓄電池測試工程師們?nèi)绾螠y試電動汽車傳動系統(tǒng)？
2018-11-25 11:55:38??????點擊：
充電機充電蓄電池動力傳動技術(shù)和內(nèi)燃機(ICE)動力傳動技術(shù)從根本上來說截然不同，因此兩種技術(shù)需要一系列截然不同的流程和測試方法。當(dāng)這兩種技術(shù)融合到混合動力車(無縫整合)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(nèi)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，透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(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)扭矩，并使用飛輪來平衡能量輸出。
而充電機充電蓄電池動力傳動則完全是電氣測試，測試的是電力電子和開關(guān)頻率、電壓和電流、感應(yīng)和反電動勢；充電機充電蓄電池容量、放電率、逆變器和轉(zhuǎn)換器的熱管理，以及再生功率調(diào)節(jié)；馬達/發(fā)電機的相角和層壓板幾何形狀，以及磁鐵位置和磁通線。
當(dāng)兩種技術(shù)以各種方式組合成混合動力系統(tǒng)時，就需要進行整合測試，包括管理ICE和電子組件之間相互作用的控制方案、狀態(tài)圖及規(guī)則，以確保系統(tǒng)能夠在所有駕駛條件和場景下做出適當(dāng)響應(yīng)。
混合動力車(任何組合方式)比任何ICE或純電動車(BEV)都更為復(fù)雜。
圖1 傳統(tǒng)內(nèi)燃機動力傳動和純電動力傳動之間的各種組合構(gòu)造。
日益復(fù)雜的系統(tǒng)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(zhí)行傳統(tǒng)的ICE測試，還必須對充電機充電蓄電池動力系統(tǒng)執(zhí)行新的且要求更高的子系統(tǒng)測試。測試工程師還必須設(shè)計廣泛的整合測試覆蓋范圍，以確保兩種技術(shù)無縫協(xié)同工作，提供混合動力車設(shè)計時所期望的效率、性能和駕駛體驗。
滿足混合動力電動車測試需求
充電機充電蓄電池動力傳動組件正在推動更復(fù)雜的測試需求。測試工具正在不斷發(fā)展以跟上需求變化的步伐。測試工程師也必須緊跟不斷發(fā)展的技術(shù)，才能滿足汽車產(chǎn)業(yè)由于高速創(chuàng)新和新技術(shù)引入所帶來測試要求變化。以下是充電機充電蓄電池動力傳動組件所導(dǎo)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(fù)雜的建模
相比ICE，馬達和逆變器的響應(yīng)速度更快，且在其工作范圍內(nèi)表現(xiàn)出高度非線性特征。來自ECU的控制訊號非常快(2~20kHz)，專用馬達模型需要以高出100倍的速度運作(200kHz~2MHz)，以便在硬件回路(HIL)測試中準(zhǔn)確地表示系統(tǒng)。如果是在用于ICE HIL基于處理器的實時系統(tǒng)上，這無法高效實現(xiàn)，因此，NI等測試系統(tǒng)供貨商正在開發(fā)基于FPGA的模擬工具，以在所需的微秒級循環(huán)速率下執(zhí)行使用專用電子建模工具創(chuàng)建的模型。斯巴魯(Subaru)已經(jīng)成功實現(xiàn)了這樣一個系統(tǒng)，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，使得訊號電平(-10~10V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200KW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(shè)備和電源，可以吸收和提供如此大規(guī)模的動態(tài)負(fù)載，例如NI聯(lián)盟商Loccioni為法拉利(Ferrari)混合動力跑車Magneti Marelli逆變器開發(fā)的終端逆變器測試平臺。
充電機充電蓄電池模塊/充電機充電蓄電池組驗證
充電機充電蓄電池，尤其是高容量插入式混合充電機充電蓄電池，必須在單元、模塊和充電機充電蓄電池組級別上分別進行特性分析。充電機充電蓄電池單元以串聯(lián)/并聯(lián)方式組成充電機充電蓄電池組，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準(zhǔn)度要求非常高，這些測試可能非常困難(或非常昂貴)。
圖2 充電機充電蓄電池組架構(gòu)(單元、模塊、充電機充電蓄電池組)和所需的電壓電平測量范圍。
該充電機充電蓄電池組實際上擁有自己的ECU，也就是充電機充電蓄電池管理系統(tǒng)(BMS)，不僅需要對模擬充電機充電蓄電池組進行組件級測試(比如使用NI聯(lián)盟商Bloomy開發(fā)的這一BMS測試解決方案)，在其上運作控制算法和函數(shù)，也需要在子系統(tǒng)級別下對實際充電機充電蓄電池組進行測試。這些測試發(fā)生在熱室中，因為充電機充電蓄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，因為充電機充電蓄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(nèi)，以及在各種溫度條件下的循環(huán)時間(充電機充電蓄電池組在各種氣候條件下正常使用的持續(xù)時間)。
為了在可接受的時間內(nèi)完成測試并具有統(tǒng)計意義，汽車制造商正在平行測試許多(數(shù)十到數(shù)百個)充電機充電蓄電池組。高效地管理這些測試裝置、生成的數(shù)據(jù)，以及確保數(shù)據(jù)的可追溯性和測試數(shù)據(jù)有效性的可信度，需要專門為此設(shè)計測試自動化、系統(tǒng)管理和數(shù)據(jù)管理工具。
整合測試
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涵蓋所有預(yù)期用例和工作條件是不現(xiàn)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?yán)肏IL測試來增強系統(tǒng)整合測試時的數(shù)據(jù)測試。HIL測試是基于模擬的物理驗證和確認(rèn)測試之間，在系統(tǒng)整合測試中，可以根據(jù)要驗證的組件或行為來模擬系統(tǒng)的各個部分。擁有靈活的測試環(huán)境和架構(gòu)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(tǒng)級性能和可靠性的信心。
圖3 在可支持真實和模擬系統(tǒng)組件的各種組合的平臺上進行標(biāo)準(zhǔn)化可以顯著提高測試效率和設(shè)備重復(fù)使用率。(來源：Powertrain Instrumentation and Test Systems, 2016)
為什么汽車制造商不制造純電動車？
可以說，電動動力傳動的性能更為優(yōu)越，其優(yōu)點包括更高的性能、更快速的響應(yīng)、更低的噪聲、零排放、低維護和駕駛成本，且更安全、更簡單(更少移動組件和故障點)，還為設(shè)計工程師提供了令人興奮的自由發(fā)揮空間，因為電動車移除或大大簡化了復(fù)雜且昂貴的重型組件，如內(nèi)燃機和相關(guān)的皮帶驅(qū)動系統(tǒng)、排氣和催化轉(zhuǎn)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，唯一的問題是純充電機充電蓄電池動力傳動系統(tǒng)過于昂貴(很大程度僅取決于一個組件：充電機充電蓄電池組)。
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(rèn)為電氣化具有誘人的性能優(yōu)勢。因此，他們決定以各種有趣的方式將動力傳動技術(shù)分解并融合在一起，努力讓ICE車輛具備電動車的一些優(yōu)勢。但他們?nèi)员仨毐苊鈭猿质褂米銐虼蟮某潆姍C充電蓄電池組來制造純電動車，因為充電機充電蓄電池成本可望不斷下降。
好消息是，相關(guān)業(yè)者正在迅速實現(xiàn)這一目標(biāo)，并且正大力投資到充電機充電蓄電池技術(shù)的創(chuàng)新，這不僅是汽車領(lǐng)域的需求，也是消費者對技術(shù)(例如手機)的需求。充電機充電蓄電池性能/成本曲線帶來了巨大希望，每年成本的降幅高達兩位數(shù)，并且沒有放緩的跡象。
圖4 充電機充電蓄電池組價格/KWh持續(xù)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。(來源：Bloomberg New Energy Finance (BNEF) survey, 2017)
另一方面，汽車制造商轉(zhuǎn)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(fù)雜性，反而增加了汽車的復(fù)雜性。混合動力系統(tǒng)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整合兩種不同動力系統(tǒng)技術(shù)這一棘手的問題，且管理此整合需要高階組件，以及更高階的軟件和控制方法。
跟上創(chuàng)新的步伐
汽車制造商積極開發(fā)混合動力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(nèi)提供有吸引力的電氣化產(chǎn)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車開發(fā)的時間進度表，為測試工程師帶來了更大的壓力，要求他們在更短的時間內(nèi)對更復(fù)雜系統(tǒng)完成更多的測試，以確保這些混合動力車輛設(shè)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(shù)的發(fā)展速度恰好能夠趕上一般汽車產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)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。
ICE完全是物理測試，測試內(nèi)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，透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(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)扭矩，并使用飛輪來平衡能量輸出。
而充電機充電蓄電池動力傳動則完全是電氣測試，測試的是電力電子和開關(guān)頻率、電壓和電流、感應(yīng)和反電動勢；充電機充電蓄電池容量、放電率、逆變器和轉(zhuǎn)換器的熱管理，以及再生功率調(diào)節(jié)；馬達/發(fā)電機的相角和層壓板幾何形狀，以及磁鐵位置和磁通線。
當(dāng)兩種技術(shù)以各種方式組合成混合動力系統(tǒng)時，就需要進行整合測試，包括管理ICE和電子組件之間相互作用的控制方案、狀態(tài)圖及規(guī)則，以確保系統(tǒng)能夠在所有駕駛條件和場景下做出適當(dāng)響應(yīng)。
混合動力車(任何組合方式)比任何ICE或純電動車(BEV)都更為復(fù)雜。
圖1 傳統(tǒng)內(nèi)燃機動力傳動和純電動力傳動之間的各種組合構(gòu)造。
日益復(fù)雜的系統(tǒng)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(zhí)行傳統(tǒng)的ICE測試，還必須對充電機充電蓄電池動力系統(tǒng)執(zhí)行新的且要求更高的子系統(tǒng)測試。測試工程師還必須設(shè)計廣泛的整合測試覆蓋范圍，以確保兩種技術(shù)無縫協(xié)同工作，提供混合動力車設(shè)計時所期望的效率、性能和駕駛體驗。
滿足混合動力電動車測試需求
充電機充電蓄電池動力傳動組件正在推動更復(fù)雜的測試需求。測試工具正在不斷發(fā)展以跟上需求變化的步伐。測試工程師也必須緊跟不斷發(fā)展的技術(shù)，才能滿足汽車產(chǎn)業(yè)由于高速創(chuàng)新和新技術(shù)引入所帶來測試要求變化。以下是充電機充電蓄電池動力傳動組件所導(dǎo)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(fù)雜的建模
相比ICE，馬達和逆變器的響應(yīng)速度更快，且在其工作范圍內(nèi)表現(xiàn)出高度非線性特征。來自ECU的控制訊號非常快(2~20kHz)，專用馬達模型需要以高出100倍的速度運作(200kHz~2MHz)，以便在硬件回路(HIL)測試中準(zhǔn)確地表示系統(tǒng)。如果是在用于ICE HIL基于處理器的實時系統(tǒng)上，這無法高效實現(xiàn)，因此，NI等測試系統(tǒng)供貨商正在開發(fā)基于FPGA的模擬工具，以在所需的微秒級循環(huán)速率下執(zhí)行使用專用電子建模工具創(chuàng)建的模型。斯巴魯(Subaru)已經(jīng)成功實現(xiàn)了這樣一個系統(tǒng)，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，使得訊號電平(-10~10V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200KW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(shè)備和電源，可以吸收和提供如此大規(guī)模的動態(tài)負(fù)載，例如NI聯(lián)盟商Loccioni為法拉利(Ferrari)混合動力跑車Magneti Marelli逆變器開發(fā)的終端逆變器測試平臺。
充電機充電蓄電池模塊/充電機充電蓄電池組驗證
充電機充電蓄電池，尤其是高容量插入式混合充電機充電蓄電池，必須在單元、模塊和充電機充電蓄電池組級別上分別進行特性分析。充電機充電蓄電池單元以串聯(lián)/并聯(lián)方式組成充電機充電蓄電池組，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準(zhǔn)度要求非常高，這些測試可能非常困難(或非常昂貴)。
圖2 充電機充電蓄電池組架構(gòu)(單元、模塊、充電機充電蓄電池組)和所需的電壓電平測量范圍。
該充電機充電蓄電池組實際上擁有自己的ECU，也就是充電機充電蓄電池管理系統(tǒng)(BMS)，不僅需要對模擬充電機充電蓄電池組進行組件級測試(比如使用NI聯(lián)盟商Bloomy開發(fā)的這一BMS測試解決方案)，在其上運作控制算法和函數(shù)，也需要在子系統(tǒng)級別下對實際充電機充電蓄電池組進行測試。這些測試發(fā)生在熱室中，因為充電機充電蓄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，因為充電機充電蓄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(nèi)，以及在各種溫度條件下的循環(huán)時間(充電機充電蓄電池組在各種氣候條件下正常使用的持續(xù)時間)。
為了在可接受的時間內(nèi)完成測試并具有統(tǒng)計意義，汽車制造商正在平行測試許多(數(shù)十到數(shù)百個)充電機充電蓄電池組。高效地管理這些測試裝置、生成的數(shù)據(jù)，以及確保數(shù)據(jù)的可追溯性和測試數(shù)據(jù)有效性的可信度，需要專門為此設(shè)計測試自動化、系統(tǒng)管理和數(shù)據(jù)管理工具。
整合測試
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涵蓋所有預(yù)期用例和工作條件是不現(xiàn)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?yán)肏IL測試來增強系統(tǒng)整合測試時的數(shù)據(jù)測試。HIL測試是基于模擬的物理驗證和確認(rèn)測試之間，在系統(tǒng)整合測試中，可以根據(jù)要驗證的組件或行為來模擬系統(tǒng)的各個部分。擁有靈活的測試環(huán)境和架構(gòu)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(tǒng)級性能和可靠性的信心。
圖3 在可支持真實和模擬系統(tǒng)組件的各種組合的平臺上進行標(biāo)準(zhǔn)化可以顯著提高測試效率和設(shè)備重復(fù)使用率。(來源：Powertrain Instrumentation and Test Systems, 2016)
為什么汽車制造商不制造純電動車？
可以說，電動動力傳動的性能更為優(yōu)越，其優(yōu)點包括更高的性能、更快速的響應(yīng)、更低的噪聲、零排放、低維護和駕駛成本，且更安全、更簡單(更少移動組件和故障點)，還為設(shè)計工程師提供了令人興奮的自由發(fā)揮空間，因為電動車移除或大大簡化了復(fù)雜且昂貴的重型組件，如內(nèi)燃機和相關(guān)的皮帶驅(qū)動系統(tǒng)、排氣和催化轉(zhuǎn)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，唯一的問題是純充電機充電蓄電池動力傳動系統(tǒng)過于昂貴(很大程度僅取決于一個組件：充電機充電蓄電池組)。
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(rèn)為電氣化具有誘人的性能優(yōu)勢。因此，他們決定以各種有趣的方式將動力傳動技術(shù)分解并融合在一起，努力讓ICE車輛具備電動車的一些優(yōu)勢。但他們?nèi)员仨毐苊鈭猿质褂米銐虼蟮某潆姍C充電蓄電池組來制造純電動車，因為充電機充電蓄電池成本可望不斷下降。
好消息是，相關(guān)業(yè)者正在迅速實現(xiàn)這一目標(biāo)，并且正大力投資到充電機充電蓄電池技術(shù)的創(chuàng)新，這不僅是汽車領(lǐng)域的需求，也是消費者對技術(shù)(例如手機)的需求。充電機充電蓄電池性能/成本曲線帶來了巨大希望，每年成本的降幅高達兩位數(shù)，并且沒有放緩的跡象。
圖4 充電機充電蓄電池組價格/KWh持續(xù)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。(來源：Bloomberg New Energy Finance (BNEF) survey, 2017)
另一方面，汽車制造商轉(zhuǎn)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(fù)雜性，反而增加了汽車的復(fù)雜性。混合動力系統(tǒng)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整合兩種不同動力系統(tǒng)技術(shù)這一棘手的問題，且管理此整合需要高階組件，以及更高階的軟件和控制方法。
跟上創(chuàng)新的步伐
汽車制造商積極開發(fā)混合動力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(nèi)提供有吸引力的電氣化產(chǎn)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車開發(fā)的時間進度表，為測試工程師帶來了更大的壓力，要求他們在更短的時間內(nèi)對更復(fù)雜系統(tǒng)完成更多的測試，以確保這些混合動力車輛設(shè)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(shù)的發(fā)展速度恰好能夠趕上一般汽車產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)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。
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