纯电动汽车硬件在环测试技术研究综述

1、新能源汽车概述

随着新能源汽车“电动化、智能化、网联化、共享化”进程的不断推进，新能源汽车的整体性能得到显著提高，纯电动汽车已经逐渐走进大众视野，消费者对于新能源汽车的认可度和购买欲望也稳步提升。

新能源汽车“新四化”

新能源汽车主要包括纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车。纯电动汽车区别于传统燃油汽车的核心是由电池、电驱、电控组成的三电系统，其中整车控制器（VCU）、电机控制器（MCU）和电池管理系统（BMS）对纯电动汽车的动力性、经济性、安全性和可靠性等有着极其重要的影响，是世界各大汽车厂商和科研机构研究的重点对象。

纯电动汽车三电系统

纯电动汽车的核心电控单元包括整车控制器（VCU）、电机控制器（MCU）和电池管理系统（BMS），一般采用V模式的电控系统开发流程进行开发，利用硬件在环测试技术对自身控制策略进行验证。

基于台架或实车的联调：汽车研发通常采用此方式对VCU、MCU和BMS进行匹配后的协同控制效果验证，存在难度大、成本高和周期长等缺点。

多ECU的联合硬件在环测试：为VCU、MCU和BMS的协同控制策略验证并优化提供了一种新的解决方案，具有难度小、成本低及周期短等优点。

VCU硬件在环测试系统

2、V模式系统开发流程

提升纯电动汽车的综合控制效能，是纯电动汽车在续航表现、驾乘体验、安全舒适等方面得到提高的关键。VCU、MCU和BMS等汽车电控单元一般采用V模式的电控系统开发流程，主要包含如下步骤：

• 对所开发控制器功能需求进行分析

• 搭建仿真控制策略模型

• 生成嵌入式可执行代码

• 硬件在环测试技术对控制策略进行仿真测试

• 进行实车标定

汽车V模式开发流程

硬件在环测试是V模式开发流程中的重要环节，为开发初期的测试验证提供了条件，同时能够满足多种工况下的测试需求，总体上提升了开发工作的质量和效率，降低了开发过程中的成本和风险。

3、硬件在环测试技术发展与研究现状

上世纪80年代以来，汽车电控技术发展迅速，电控单元对整车性能的影响越来越大，硬件在环测试技术应运而生。时至今日，世界上已经发展出众多成熟的硬件在环测试平台，广泛应用于汽车、航空航天、半导体和能源等产业。

硬件在环测试（Hardware-in-the-loop，HIL）作为V模式开发流程中不可或缺的一环，借助嵌入式实时处理器运行被控仿真模型，利用信号采集板卡获取真实电气 信号，通过I/O接口完成与被测ECU的通信，实现对被测ECU的功能测试和策略验证。

汽车硬件在环开发流程

（1）国外发展现状

目前市场 占有率较高的hil测试平台包括德国dSPACE公司开发的dSPACE、德国ETAS公司开发的LabCar、美国国家仪器（National Instruments，NI）开发的NI-PXI等，每个平台都提供了具有良好兼容性的硬件设备和软件应用，同时针对硬件在环测试系统进行了具体的功能开发，各公司的硬件在环测试平台有着不同的侧重和优缺点。

德国dSPACE实时处理器

德国ETAS公司LabCar

NI-PXI机箱

dSPACE公司：投身硬件在环仿真测试领域早，有多年的实时仿真系统研发经验，基于dSPACE平台的成功案例众多。dSPACE的实时处理器具有高速计算能力，搭配面向实时仿真的板卡硬件，实现与MATLAB/Simulink/RTW的无缝连接。基于dSPACE平台构建的HIL测试系统具有良好的实时性、可靠性，业内口碑良好，但是dSPACE平台的硬件设备及软件应用价格昂贵，使部分汽车厂商和研究机构望而却步。

dSPACE集成开发环境

NI-PXI平台：NI-PXI平台是硬件在环仿真测试领域的后起之秀。NI-PXI平台提供了丰富的硬件资源，其处理器实时性好，I/O板卡性能业内领先，搭配操作简单的Veristand管理软件和强大的LabVIEW开发环境，用户可根据自身需求创建HIL测试解决方案，价格相对亲民除。此之外，NI-PXI平台的软硬件技术架构灵活开放，支持第三方软硬件应用，用户可以在平台基础上轻松进行拓展升级。正是由于NI-PXI平台开放灵活的特点，目前国内外很多公司都基于该平台进行二次开发，推出了可直接投入市场应用的HIL测试系统产品。

基于NI的MCU硬件在环仿真测试

（2）国内发展现状

经纬恒润公司：开发了MCU硬件在环测试系统，采用NI-RT实时处理器、FlexRIO板卡、CAN通讯板卡等NI公司硬件设备，同时自研了电机仿真适配板卡，利用上位机管理软件Veristand和自动测试管理软件TestStand，实现了MCU研发过程中全方面的自动化测试和验证。

经纬恒润仿真测试系统

意昂神州公司：基于NI-PXI研发了一套FCU硬件在环仿真测试系统,实现对燃料电池汽车控制器（FCU）的功能测试、故障注入测试和总线诊断测试，辅助工程师对测试结果分析验证、故障再现，提升测试验证水平。

意昂神州FCU硬件在环（HiL）仿真测试系统

浙江大学ESE工程中心：推出了国内第一套具有自主知识产权的面向汽车ECU的硬件在环测试系统SMR Simulator，具有良好的实时性和可靠性，应用在长安、一汽、吉利等汽车厂商的研发工作中。

清华大学：基于xPC Target平台，以U盘作为启动盘启动xPC目标核心，自行设计了转换电路板，实现仿真内核与外界的数字信号、模拟信号交互及CAN通信，成功研发出针对燃 料电池汽车整车控制器的开发型硬件在环测试系统和针对柴油发动机控制器的生产型硬件在环仿真测试系统。

吉林大学：基于dSPACE的处理器、数据采集板卡、CAN卡和配套软件构建了ESP硬件在环测试系统，利用TESIS建立整车动力学模型，对自研的ESP产品进行了大量的产品性能评价试验。

总而言之，硬件在环仿真测试系统是以实时处理器运行仿真模型来模拟受控对象的运行状态，通过I/O接口与被测的控制器连接，对被测控制器进行全方面的、系统的测试。从安全性、可行性和合理的成本上考虑，HiL硬件在环仿真测试已经成为控制器开发流程中非常重要的一环，减少了实车路试的次数，缩短开发时间和降低成本的同时提高控制器的软件质量，降低汽车厂的风险。