新能源汽车动力系统在环（HIL）半实物仿真测试台架深度解析

新能源汽车动力系统在环（HIL）半实物仿真测试台架深度解析

摘要

本文深入探讨了整车动力系统在环半实物仿真测试台架系统的总体方案。该系统深度融合了硬件在环（HIL）仿真技术与测功机技术，构建了一个高精度、高实时性的虚拟整车测试环境。文章将从系统架构、核心原理、强大功能、实时仿真测控方案以及高精度车辆动力学模型等维度，进行全面专业的剖析，为新能源汽车电驱系统、整车控制策略的测试与验证提供重要参考。

关键词：动力系统在环；HIL；半实物仿真；测功机台架；车辆动力学模型；实时仿真；VCU；BMS；MCU；

目录

1. #1-引言
2. #2-系统总体架构与原理
   1. #21-系统三大核心组成部分
   2. #22-核心原理测功机与hil的深度融合
3. #3-强大的系统测试功能
   1. #31-单项性能测试
   2. #32-综合耐久测试
   3. #33-多系统联调测试
4. #4-实时仿真测控系统方案
   1. #41-实时系统概述
   2. #42-高精度实时io方案
      1. #421-综合模拟量板卡tb4710
      2. #422-综合数字pwm板卡tb4721
   3. #43-can总线通讯仿真方案
5. #5-高精度车辆动力学模型方案
   1. #51-modelbase软件平台
   2. #52-模块化车辆模型详解
      1. #521-车体与3d空气动力学
      2. #522-悬架系统
      3. #523-转向系统
      4. #524-制动系统
      5. #525-动力和传动系统
      6. #526-轮胎模型
   3. #53-强大的联合仿真能力
6. #6-总结

1 引言

随着新能源汽车技术的飞速发展，对电驱系统、整车控制器（VCU）、电池管理系统（BMS）等关键部件的测试验证提出了更高要求。传统的实车道路测试存在成本高、周期长、极端工况复现难、安全风险大等局限性。在此背景下，动力系统在环（Power System HIL）半实物仿真测试台架应运而生，它通过将真实的电机、控制器等硬件接入由高精度模型构建的虚拟车辆环境中，实现了在实验室内安全、高效、可重复地进行全面测试。

2 系统总体架构与原理

2.1 系统三大核心组成部分

动力系统在环测试台架是一个集成了硬件、软件和模型的复杂系统，其总体架构主要由三大部分构成：

1. 硬件平台：提供支撑真实部件工作的物理基础。包括客户提供的电机控制器（MCU）、被测电机、被测总成，以及电池模拟器、功率分析仪、测功机电机、变频器、机械台架、测控系统、操作台、冷却设备和各类传感器。硬件平台负责真实的功率加载、信号交互和环境模拟。
2. 仿真模型：系统的“虚拟灵魂”。通过高精度建模搭建包括驾驶员、道路环境、车辆动力学在内的虚拟整车环境，模拟车辆在各种工况下的物理行为，为真实硬件提供动态负载和运行场景。
3. 软件平台：负责系统的集成、监控与自动化。用于搭建和配置测试工程，对测试过程进行实时监控和在线调参，并通过自动测试软件实现测试流程的自动化，极大提升测试效率。

2.2 核心原理：测功机与HIL的深度融合

该系统的核心理念是：在拥有真实动力部件（如电机、变速箱）的前提下，利用仿真建模手段“补全”车辆其他缺失的部件（如车身、轮胎、路面、驾驶员），从而形成一个完整的、闭环运行的虚拟整车环境。

这种结合首要解决了动力系统的道路负载仿真问题，即用测功机模拟车辆在真实道路上行驶时所受到的空气阻力、滚动阻力、坡度阻力等。其次，它还能对转向、制动等相关系统的信号进行仿真。

这种架构的优势显而易见：它将HIL测试的灵活性和安全性与测功机测试的真实功率级测试能力相结合，能够在产品开发早期发现集成问题，覆盖极限、危险工况，并显著缩短开发周期，降低综合成本。

3 强大的系统测试功能

该测试台架系统功能全面，覆盖从部件到系统，从性能到耐久，从单机到联调的各类测试需求。

3.1 单项性能测试

• 电机、控制器及系统效率试验、Map图绘制
• 电机外特性、温升、堵转试验
• 电机转速/转矩控制精度与稳定性试验
• 电机动态响应（转速/转矩）试验
• 电机控制策略开发与验证
• 过载、最高转速、超速及制动能量回馈试验
• 控制器电压波动试验

3.2 综合耐久测试

• 稳态循环加载耐久试验
• 自定义道路工况模拟试验（支持路谱导入）
• 其他用户自定义的耐久性测试方案

3.3 多系统联调测试

该系统具备卓越的扩展性，可与VCU HIL、BMS HIL设备进行联合调试，实现更高级别的系统集成测试：

• 整车控制策略验证：如扭矩协调分配、上下电管理、制动能量回收、故障诊断等。
• 极限工况测试：补充难以进行的道路试验。
• 系统耐久性测试：对VCU、BMS、MCU、电机、电池等真实部件进行长时间的耐久性考核。
• 整车性能测试：包括最高车速、加速时间、爬坡性能等动力性测试，以及工况电量消耗、续航里程等经济性测试。
• 实车标定功能：支持大部分VCU、BMS、MCU控制器的标定工作。

4 实时仿真测控系统方案

4.1 实时系统概述

实时仿真测控系统是整个台架的“大脑”，基于经纬恒润自主开发的实时系统构建，包括机箱、实时处理器和各类IO板卡。

其主要功能包括：

1. 实时运行Simulink等高保真模型。
2. 与上位机试验软件进行实时数据交互，实现监控与调参。
3. 通过丰富的IO板卡与外部硬件（变频器、电池模拟器等）进行信号级和总线级通讯。

4.2 高精度实时IO方案

4.2.1 综合模拟量板卡

本项目采用板卡提供高精度的模拟信号采集和输出能力。

该板卡提供10个模拟采集通道和20个模拟输出通道。采集通道具备16位分辨率、1MS/s采样率，量程软件可调（±5V至±40V），精度高达量程的±0.1%。输出通道同样为16位分辨率，输出电压范围0~+10V，绝对误差≤±5mV。其高精度和灵活性为传感器信号模拟和采集提供了可靠保障。

4.2.2 综合数字&PWM板卡

TB4721板卡专用于数字信号和PWM信号的处理。

它提供了20通道数字采集和20通道数字输出。通道可灵活配置为数字输入/输出或PWM输入/输出。PWM频率范围覆盖1Hz~1MHz，测量和输出精度高。板卡支持软件配置比较阈值、输出模式（Push/Pull等）和外部参考电压，非常适合用于模拟转速传感器、采集控制开关量等应用。

4.3 CAN总线通讯仿真方案

系统采用板卡进行CAN/CAN FD总线仿真。这是一款6通道独立隔离的通讯板卡，支持CAN 2.0和CAN FD协议，波特率软件可配置（CAN: 40Kbps-1Mbps, CAN FD: 40Kbps-5Mbps）。它支持周期、单次触发等多种报文发送模式，并能模拟CAN通信故障（如连续停止发送N个周期），是实现与VCU、BMS等控制器进行总线通信和故障注入测试的关键。

5 高精度车辆动力学模型方案

5.1 软件平台

综合驾驶测试仿真软件，集车辆动力学模型、场景仿真、传感器仿真于一体。其特点包括：

• 开放性：支持OpenX标准、FMI模型交换、多语言API调用，易于与主流工具链（如Simulink）联合仿真。
• 易用性：提供丰富的模型库（线控转向、空气悬架、新能源动力系统等），全中文支持。
• 准确性：高精度车辆模型，已在一汽、东风、蔚来等50多个项目中得到验证。
• 实时性：C++核心，运行效率高，满足HIL测试的实时性要求。

5.2 模块化车辆模型详解

车辆模型采用模块化建模，具备高自由度，能够精确反映整车动力学特性。

5.2.1 车体与3D空气动力学

车体具备6个自由度，可详细配置质心坐标、质量、惯量、轴距、轮距等参数。空气动力学模型可配置风力参考点、空气密度、风速、迎风面积和风力系数曲线，真实模拟风阻效应。

5.2.2 悬架系统

支持独立/非独立悬架建模，可通过输入力特性或K&C特性曲线来模拟双横臂、麦弗逊等多种悬架。可模拟弹簧、阻尼、限位块、稳定杆等特性，并支持外部力接口用于高级悬架模型。

5.2.3 转向系统

基于转向柱、齿轮齿条等真实结构建模，考虑主销参数影响。支持前/后轮转向，可选择内部或外部助力模型。

5.2.4 制动系统

提供两种建模方式：基于特性曲线的通用模型（模拟踏板到制动扭矩的响应、热衰退等，包含ABS/ibooster）和基于真实液压结构的详细模型（用于与真实ABS/ESC控制器进行HIL测试）。

5.2.5 动力和传动系统

支持纯油、纯电和并联混动三种模式。纯电系统支持单电机及多电机分布式驱动共9种模式，并提供完善的电池、电机、VCU等模型库。

5.2.6 轮胎模型

支持特性曲线模型和魔术公式（5.2/6.1版本）轮胎模型，能精确模拟轮胎的纵横向力、回正力矩等六分力特性，并具备良好的数值稳定性。

5.3 强大的联合仿真能力

具备极其丰富的对外接口和联合仿真能力，是其核心优势之一。

• API接口：提供C++、C#、Python等语言API，可实时获取或设置主车、交通环境等上百个变量参数。
• 场景交互：支持动态创建、配置、删除交通要素、改变天气路况等。
• 标准支持：支持导入OpenDrive格式高精地图和OpenScenario格式场景文件。
• 工具链集成：无缝与Simulink、FMI、各类HIL系统（如Concurrent， NI）、试验管理软件（TCS， SimWB）等集成。

6 总结

整车动力系统在环半实物仿真测试台架，通过先进的系统架构设计、高精度的实时硬件IO、特别是高保真的车辆动力学模型，成功地将真实的动力部件置于一个丰富、可控、逼真的虚拟车辆环境中。它不仅能够完成全面的部件性能与耐久测试，更能支持VCU、BMS、MCU的多系统深度联调，覆盖从控制策略开发、功能性能验证到整车标定的完整V型开发流程。这套系统为新能源汽车行业提供了一套高效、安全、可靠的测试验证解决方案，极大地助力了产品研发效率与质量的提升。

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