??1 HIL系統簡介

??1.1什么是HIL系統

??HIL，全稱是Hardware In the Loop，業內稱之為硬件在環或者硬件在回路。因此HIL系統又名硬件在環系統。

??硬件在環系統分為三部分：

??硬件，指的是已裝載運行軟件的的ECU(Electronic Control Unit)實物，ECU是被測對象。整個系統都是服務于ECU，驗證ECU的運算結果的可靠性和性能的穩定性。

??仿真，指的是虛擬整車環境，它是ECU控制的對象，即被控對象。這部分需要整車模型虛擬出整車運行邏輯，然后通過系統的IO板卡和CAN卡輸出和采集信號。

??在環，被測對象和被控對象進行信號交互，實現ECU控制虛擬整車環境，從而達到驗證ECU功能和性能的目的。

??通俗的說，硬件在環仿真就是搭建一個虛擬的整車環境平臺，該平臺可以模擬整車的各種行為，從而使得ECU能夠正確運行。其框架原理如圖1-1所示。

圖1-1 硬件在環系統框架圖

??1.2 HIL系統的優勢

??汽車系統是一個復雜的系統，涉及到不同ECU之間的耦合。目前基于V流程的ECU開發模式是主流的汽車系統開發模式，V模式開發流程的特點是無論進行開發、編程或測試，總是在同一環境下工作，開發過程的每一步都可以得到驗證。使用這一方法最直接的效果就是加速和簡化開發流程，這樣，技術人員可以快速地把自己的思想變成現實，并可以盡早消除系統設計的錯誤。而HIL正是汽車V模式開發流程中重要的驗證環節，圖1-2所示的V模式開發流程中，HIL用來對集成后的系統進行測試， HIL的重要性顯而易見。

圖1-2 V模式開發流程

??HIL盡可能真實地模擬現實世界，盡可能準確地模擬進入ECU的以及采集從ECU發出的模擬和數字信號。它是將部分實際的系統部件用高速運行的實時模型代替，實時模型在實時系統中運行，驅動硬件設備提供測試對象的輸入接口并且檢測測試對象的輸出接口，這樣測試對象就與實時系統連接成為一個環路，通過仿真試驗對測試對象的各項性能進行測試和評估。HIL可以完整的模擬汽車的整個工況以及極限環境。HIL改變了傳統的測試手段，在汽車開發過程中具有十分重要的作用。與傳統測試手段相比，HIL大大降低開發成本并提高開發效率，它的優勢主要體現在以下幾個方面：

??(1) 同步開發

??使用HIL仿真技術，能夠保證在系統開發的初期，缺乏其它相關硬件設備的條件下仍然可以獨立地調試和評估測試對象的軟硬件，實現系統的同步開發，縮短開發周期。

??(2) 極限測試和破壞性試驗

??HIL仿真技術可以模擬車輛的各種工況，尤其是那些現實中很少出現的極限情況及一些危險的或者具有破壞性的試驗，比如各類故障的模擬，而不會因此產生實際的風險和損失，這將大大降低開發的成本和風險性。

??(3) 可重復再現

??HIL仿真技術能夠極為精準地重復再現任何一次試驗，而這在實車測試中是很難做到的。

??(4) 調試過程全面、快捷

??HIL仿真技術能夠全面、快捷地進行測試，能夠在系統開發的初期檢測出軟硬件設計的大多數錯誤。眾所周知，越是到系統開發的后期，處理錯誤的方式就越有限，而處理錯誤的成本就會越高，而通過硬件在環測試可以使錯誤消失在初期，大幅度降低后期工作量。

??2 同湛BMS HIL系統解決方案

??2.1 技術背景

??電池是新能源汽車的主要動力源，因此電池性能的好壞決定了新能源汽車的動力性能。而電池管理系統(Battery Management System,簡稱BMS)作為新能源汽車的重要部分，是監控和保護電池狀態性能的核心部件，決定了整車動力部件的正常運行。也因此，BMS在裝車之前要進行充分的測試，但是用真實的電池包和整車測試BMS會有諸多弊端，如：

??極限工況模擬給測試人員帶來安全隱患，例如過壓、過流和過溫，有可能導致電池爆炸;

??SOC估計算法驗證耗時長，真實的電池組充放電試驗十分耗時;

??模擬特定工況難度大，例如均衡功能測試時，制造電池單體間細微電壓差別，電池熱平衡測試時，制造單體和電池包間細微的溫度差別等。

??以及其他針對BMS功能測試，如電池組工作電壓、單體電池電壓、溫度、充放電控制、高壓安全功能、均衡功能、通訊、故障診斷、傳感器等一系列的測試，都面臨著諸多挑戰。

??針對上述測試過程的安全隱患，上海同湛新能源科技有限公司研發的BMS HIL系統沒有上述弊端，可以很輕松的實現極限工況測試，可以在短時間內完成所需功能和性能測試。

??2.2 同湛BMS HIL系統原理

??BMS HIL系統是HIL系統的具體化，一個標準的同湛BMS HIL系統一般由上位機、主控制器閉環機柜、從控制器閉環機柜組成，從而模擬出虛擬的整車環境。由上位機控制BMS HIL系統，實現虛擬整車環境與真實BMS之間的CAN信號和I/O信號交互。從而達到檢測BMS的工作邏輯和性能指標的目的。

圖2-1 BMS HIL示意框圖

??其中，主控制器閉環機柜放置BMS主控制器，從控制器閉環機柜放置BMS從控制器，主控和從控之間通過線束進行信號交互。電腦上作為上位機，向控制器發送硬線和CAN信號等控制命令，并且回讀控制器發送的硬線和CAN信號。架構圖如下圖2-2所示。

圖2-2 BMS HIL系統架構

??電腦是整個系統的大腦，是系統的控制終端和接收終端。電腦上運行虛擬整車模型、試驗管理軟件VeriStand、故障注入軟件、自動化測試軟件TestZealot。模型負責整車邏輯運算，試驗管理軟件VeriStand負責信號的發送與接收，故障注入軟件負責低壓故障注入，自動化測試軟件TestZealot負責編寫和執行測試用例。

??測試環境是硬件實現，把模型邏輯轉換成BMS控制器可識別的硬線信號和CAN信號，比如：KL30、KL15、電芯電壓和溫度、霍爾電壓等。

??如圖2-3是同湛BMS HIL系統的信號交互原理圖框圖。

圖2-3 BMS HIL原理框圖

??2.3 同湛BMS HIL系統的功能舉例

??根據上述原理，同湛的BMS HIL系統可以完整的實現BMS控制器的測試環境，并真正做到一鍵操作達到測試的目的。如圖2-4低壓故障注入的功能實現。

圖2-4 低壓故障注入的功能實現

??在電腦上運行試驗管理軟件NI VeriStand，虛擬整車模型由VeriStand部署到NI實時處理器并運行。VeriStand通過以太網向實時處理器發送BMS喚醒信號KL15/30，實時處理器通過I/O線纜把KL15/30信號發送至信號調理板，信號調理板卡把KL15/30信號調理至具備驅動能力的信號，然后信號經過FIU板卡的通道給到BMS控制器，BMS控制器被喚醒。此時若要給這個通道造短接到GND的故障命令，則通過VeriStand發送命令至實時處理器，然后實時處理器把命令信號通過CAN發送至FIU板卡，FIU板卡把對應通道短接到GND，則KL15/30信號就被短接到GND，BMS控制器就被喚醒失敗。上位機軟件 能夠實時采集BMS在運行過程中的各項數據，包括電壓、電流、溫度、SOC（電量狀態）等關鍵參數；可保持不低于90天連續不間斷運行的穩定性，來確保測試數據的可靠性;能夠實時監控BMS的運行狀態，并對采集到的數據進行分析處理；具備便于操作用戶界面和處理數據能力，能夠生成測試報告和分析圖表，可對 BMS的性能評估和優化做相應的支持。

可提供基本的模型及測試用例：

1 電池模型：模擬電池的電氣特性、熱特性和老化過程，包括電池的充放電過程、內阻變化、溫度響應等；

2 整車模型：提供BMS測試所需的整車信號，包括駕駛員輸入、車輛動力學模型、電機模型、主減速器模型、道路及環境模型等；

3  I/O模型：模擬BMS與外部設備之間的信號交互，包括電壓、電流、溫度等模擬信號的輸入和輸出；

4 故障注入模型：集成故障注入機制，模擬各種故障情況，如電池單體故障、傳感器故障、通信故障等。

5基本的整車測試用例，至少包括：充放電循環工況、NEDC或WLTP工況、高速駕駛循環工況等。

6基本的BMS測試用例：過充/過放測試、短路測試、高溫/低溫極限測試、故障注入測試等。

??同湛BMS HIL系統其他功能包含比較全面，其他功能的實現原理與上述類似。

表1 功能列表

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??3 同湛工程服務內容

??3.1 信號需求列表制作

??根據客戶SOR需求制作信號需求列表，主要信號定義、信號調理板卡通道配置、BOB管腳配置、FIU管腳配置等。局部視圖如下。

??3.2 硬件集成

??同湛BMS HIL系統主要硬件設備如下：

??把這些設備根據一定的電氣結構耦合到一起，并根據信號列表內容制作輸出和輸入線束，最終形成BMS HIL系統。下圖所示為系統電氣規劃示例。

??3.3 開環調試

??系統搭建完成后，需要在不連接目標ECU的情況下，輸入激勵信號，對系統進行功能和性能調試。包括CAN通訊調試，IO信號精度，供電系統性能等方面的測試，并保證符合客戶的SOR需求。

??3.4 模型搭建

??此階段，需要客戶提供相關數據文檔，便于我方搭建整車模型。具體需求文檔屆時會輸送給客戶，客戶根據需求文檔提供具體數據。需求文檔局部截圖如下。

??3.5 閉環調試

??保證整車模型與ECU進行信號交互，能夠實現ECU的邏輯驗證。

??整車模型搭建完成后，通過軟件工具將模型導入NI Veristand；

??Vetistand工程建立后，在workspace中添加控件，對BMS進行閉環測試。

模擬駕駛界面

??BMS控制器連接HIL臺架，整體形成一個閉環，下圖是電池模擬器部分測試數據：

電池模擬器測試

??3.6 測試服務

??3.6.1建立測試流程

??可根據各公司的實際情況建立的測試流程:

??建立測試用例模板并幫助客戶編寫部分測試范例,如圖為某項目測試用例模板：

測試用例范例

??建立缺陷追蹤模板，如圖，為某項目測試缺陷追蹤模板。

測試缺陷追蹤