基于硬件在環(huán)的電動汽車整車控制器功能測試方法研究

1、基于硬件在環(huán)的電動汽車整車控制器功能測試方法研究Research on Functional Test of Vehicle Controller of Electrical Vehicles Based on Hardware in the Loop學科專業(yè):動力工程研究生:夏鋅指導教師:謝輝教授企業(yè)導師:周能輝高工天津大學機械工程學院二零一三年十二月獨創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作和取得的研究成果,除了文中特別加以標注和致謝之處外,論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果,也不包含為獲得天津大學或其他教育機構(gòu)的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同

2、志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。學位論文作者簽名:簽字日期:年月日學位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學位論文作者完全了解天津大學有關(guān)保留、使用學位論文的規(guī)定。特授權(quán)天津大學可以將學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索,并采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學校向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復印件和磁盤。(保密的學位論文在解密后適用本授權(quán)說明學位論文作者簽名:導師簽名:簽字日期:年月日簽字日期:年月日摘要“三電技術(shù)”(電機、電池及電控技術(shù)是電動汽車的關(guān)鍵技術(shù),整車控制器作為電控系統(tǒng)的核心,其開發(fā)遵循汽車電子的標準V-Cycle流程。硬件在環(huán)(

3、HIL作為V-Cycle中的重要一環(huán),可以全面驗證整車控制器的功能。整車控制器軟件系統(tǒng)可以分為底層和應(yīng)用層,底層軟件是應(yīng)用層軟件各種功能的載體,功能較為簡單,測試過程重復勞動較多;應(yīng)用層軟件功能復雜,測試工作量較大,需要系統(tǒng)的方法提高測試效率降低測試成本。針對這些問題,本文開發(fā)了用于底層軟件的自動化測試系統(tǒng);提出了整車控制器功能測試模型,并將輸入量離散化進一步減少測試用例數(shù)量。這些方法在整車控制器的開發(fā)過程中得到了應(yīng)用,提高了測試效率,降低了測試成本。具體工作包括:提出了硬件在環(huán)系統(tǒng)生命周期模型。介紹了整車控制器的開發(fā)流程以及功能,闡述了硬件在環(huán)的原理與基于dSPACE的整車控制器硬件在環(huán)系統(tǒng)

4、,劃分了硬件在環(huán)系統(tǒng)生命周期的五個階段。開發(fā)了底層軟件自動化測試系統(tǒng)。為了減少底層軟件測試的工作量,提出了底層軟件接口自動化測試方法,并給出了Python腳本的實現(xiàn)過程。構(gòu)建了用于應(yīng)用層軟件功能測試的HIL環(huán)境。利用Matlab/Simulink軟件并合理劃分模塊,搭建了電動汽車對象模型且實現(xiàn)參數(shù)化管理。搭建了Controldesk 測試管理界面,并對整個環(huán)境進行了驗證。搭建了整車控制器功能測試模型,提出了測試輸入量離散化方法?；谛枨笪臋n并利用狀態(tài)機搭建了整車控制器功能測試模型,同時提出了利用等價類劃分方法、邊界值分析方法離散化輸入量,并且給出了利用Python語言的實現(xiàn)方式。此外,部分測試

5、用例需要設(shè)置故障,因此介紹了基于dSPACE DS291板卡的故障注入測試。提出的方法在整車控制器的開發(fā)中得到了應(yīng)用,底層軟件自動化測試能夠節(jié)省90%的時間,應(yīng)用層測試環(huán)境能夠很好地模擬實車全面測試整車控制器,應(yīng)用層測試方法能夠以較少的測試用例達到功能覆蓋率。關(guān)鍵詞:純電動汽車整車控制器硬件在環(huán)功能測試ABSTRACTMotors, batteries and electric control are the key technologies of electric vehicles. As the core of the electric control system, the develo

6、pment of vehicle controller follows the standard V-Cycle process of automotive electronics. Hardware in the loop (HIL, which plays an important role in V-Cycle, is able to fully verify the function of the vehicle controller.The vehicle controller software system can be divided into the low-level lay

7、er and the application layer. The low-level software is the carrier of the application layer software functions, whose function is relatively simple and involves massive duplication work during the testing process. The application layer software has relatively complex function with heavy testing wor

8、k. Consequently, a system method should be applied to improve test efficiency for reducing test cost. To solve these problems, automatic testing system used in the low-level software is developed. Besides, the vehicle controller function test model and test case automatic generation software is prop

9、osed. These methods mentioned above have been applied in the vehicle controller development process, resulting an improvement in test efficiency and reduction in the test cost. The specific work is summarized as follows: The HIL system lifecycle has been put forward. This present work introduces the

10、 development process and function of the vehicle controller. The HIL system and its principle in the application of vehicle controller based on dSPACE is presented. The building process of HIL system must be standardized and the system has to be maintained during the implementation. Therefore, the h

11、ardware in loop system lifecycle model is proposed.In order to reduce the workload of the low-level software testing, an automatic test method of the low-level software interface is put forward. Then a HIL environment for testing the function of application layer is built by Matlab/Simulink software

12、, with the module divided reasonably. An object model of electric car is built and the parameterized management is realized. After that, a Controldesk test management interface is built to verify the whole environment.A vehicle controller function test model is built by the implementation of the sta

13、te machine based on the requirement documents, and method of discretization of inputsis proposed. The discrete inputting method is based on the equivalence class partition method and boundary value, which is realized and implemented by Python In addition, considering that fault has to be set in some

14、 test cases, the fault injection test based on dSPACE DS291 board is introduced.KEY WORDS:Electrical vehicles, Vehicle controller unit, Hardware in the loop, Functional test目錄目錄 (4第一章緒論 (11.1引言 (11.2電動汽車現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù) (21.2.1國內(nèi)外電動汽車發(fā)展現(xiàn)狀 (21.2.2電動汽車關(guān)鍵技術(shù) (31.3控制器開發(fā)與硬件在環(huán)測試 (51.3.1控制器開發(fā)流程 (51.3.2硬件在環(huán)HIL (61.4硬

15、件在環(huán)和測試方法研究現(xiàn)狀 (71.5本課題研究內(nèi)容與意義 (8第二章HIL系統(tǒng)生命周期模型與底層功能測試 (102.1電動汽車整車控制器 (102.1.1整車控制器功能 (102.1.2整車控制器硬件特征與軟件功能 (112.2 HIL系統(tǒng)生命周期模型 (132.2.1硬件在環(huán)原理及硬件平臺 (132.2.2生命周期模型 (152.2.3 HIL生命周期模型具體階段 (162.3底層軟件功能自動化測試 (182.3.1自動化測試流程 (192.3.2底層軟件測試HIL環(huán)境 (192.3.3自動化測試實現(xiàn) (222.3.4結(jié)果分析 (232.4本章小結(jié) (24第三章電動汽車建模與驗證 (263.

16、1電動汽車結(jié)構(gòu) (263.1.1電動汽車結(jié)構(gòu)介紹 (263.1.2 HIL環(huán)境構(gòu)建需求 (283.2模型搭建 (293.2.1電池模型 (293.2.2電機模型 (323.2.3車輛動力學模型 (333.3 Controldesk界面 (343.4 HIL環(huán)境驗證 (353.5本章小結(jié) (37第四章應(yīng)用層功能測試方法 (384.1應(yīng)用層測試測試方法概述 (384.2整車控制器功能測試模型 (394.2.1測試模型建模語言 (394.2.2整車控制器功能測試模型 (404.3輸入量離散化 (434.3.1等價類劃分 (444.3.2邊界值分析 (464.3.3 Python類實現(xiàn) (464.4結(jié)

17、果分析 (484.4.1實例分析 (484.4.2故障注入 (494.5本章小結(jié) (50第五章全文總結(jié)與展望 (515.1全文總結(jié) (515.2工作展望 (51參考文獻 (53發(fā)表論文和參加科研情況說明 (57致謝 (58緒 論第一章1.1 引言節(jié)能和環(huán)保已經(jīng)是當今世界的重大議題。國際能源署2011年9月在倫敦發(fā)布報告預測,全球?qū)σ淮涡允茉吹男枨髮⒈?008年增加36%,而中國的需求量在此期間將上升75%,占到全球能源需求增長量的36% 1。據(jù)悉,我國目前每年石油產(chǎn)量最多兩億噸2。然而有研究報告指出,到2020年,我國每年石油消耗量將在4.5億噸左右2。石油消耗的快速增加與產(chǎn)能的滯后,導致

18、我國日益依賴石油進口,2009年我國原油對外依存度就已突破50%的警戒線。汽車是石油消耗的大戶。隨著居民收入的不斷增加,購買汽車的家庭也將不斷增多。在龐大人口基數(shù)和較快經(jīng)濟增長速度的雙重驅(qū)動下,汽車保有量在今后相當長時間內(nèi)將繼續(xù)維持在一個相當龐大的數(shù)目。2012年汽車保有量不含三輪汽車和低速貨車已達到1.22億輛,折合成原油消耗為3億噸,占12年原油總消耗的64.07%3。一方面石油資源越發(fā)稀缺,另一方面消耗量卻不斷增加。因此,要解決目前遇到的能源瓶頸,只有大力發(fā)展替代能源以滿足未來長期的能源供應(yīng),尤其是在汽車領(lǐng)域,發(fā)展新能源汽車也就成為未來汽車行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。新能源汽車 47710101

19、6182630481330385068748520112012201320142015201620172018201920202021020406080100120銷量 (萬輛年份 EV 銷量PHEV 銷量圖1-1 電動汽車銷量預測主要包括電動汽車、太陽能汽車、混合動力汽車、天然氣汽車等。無論從環(huán)境能源角度還是技術(shù)實現(xiàn)難度考慮,電動汽車是汽車工業(yè)的最優(yōu)選擇4。電動汽車可實現(xiàn)零排放或極低排放,因為它利用的是一種可靠、來源廣泛、且對環(huán)境友好的能源-電能。因此,將電動汽車作為未來汽車工業(yè)發(fā)展的方向,是企業(yè)和政府的共識45。世界知名咨詢公司科爾尼公司預測我國電動汽車銷量如圖1-1所示,我國電動汽車銷量

20、在未來十年將會逐年攀升6。1.2電動汽車現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)1881年,法國工程師Custave Trouve制造了一輛裝配有可充電鉛酸電池的電動汽車,實現(xiàn)了電池的重復利用。當時美國每年銷售的汽車中,有38%是電動汽車,22%是燃油汽車,40%是蒸汽機汽車5。但是隨后電動汽車的發(fā)展遠遠落后于燃油汽車,主要原因是內(nèi)燃機技術(shù)的不斷成熟大大提高了燃油汽車的整車性能,而電動汽車一直受限于電池技術(shù)的瓶頸5。直到20 世紀末,為了緩解能源供應(yīng)緊張和環(huán)境污染日益嚴重的局面,世界主要國家、地區(qū)和汽車集團紛紛在電動汽車研發(fā)項目上投入大量人力、物力,開發(fā)電動汽車產(chǎn)品7。1.2.1國內(nèi)外電動汽車發(fā)展現(xiàn)狀美國2012年啟動

21、電動汽車國家創(chuàng)新計劃“EVEverywhere”,推動高性能鋰離子電池材料、插電式車輛、輕量化等關(guān)鍵技術(shù)的研究,同時設(shè)立了5年收回車輛附加成本的目標,并明確將于2022年前建立世界通用的5人乘坐型普通價格電動汽車的量產(chǎn)體系8。德國2012年發(fā)布國家電動汽車平臺計劃第3次評估報告,進一步要求建立以用戶為中心,基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)、動力系統(tǒng)技術(shù)、先進制造技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)全方位發(fā)展的研發(fā)體系,實現(xiàn)到2020年成為世界電動汽車領(lǐng)先國。此外,德國專家已經(jīng)在考慮零部件的統(tǒng)一和生產(chǎn)的標準化問題,制定電動汽車標準搶占市場。20世紀70年代日本政府就已將發(fā)展電動車列入汽車工業(yè)的產(chǎn)業(yè)規(guī)劃,制定了諸如建設(shè)和改造充電站、研制新

22、技術(shù)蓄電池等計劃。日本2010年發(fā)布下一代汽車計劃,重點支持先進鋰離子動力電池研發(fā),計劃將比能量提高150%9。我國政府一直以來積極組織開展電動汽車的自主創(chuàng)新?！熬盼濉逼陂g,電動汽車列入國家重大科技產(chǎn)業(yè)工程?！笆濉?、“十一五”期間發(fā)展電動汽車被列入國家863計劃。確立了以混合電動汽車、純電動汽車、燃料電池汽車為“三縱”,以整車控制系統(tǒng)、電機驅(qū)動系統(tǒng)、動力蓄電池/燃料電池為“三橫”的研發(fā)布局。新能源汽車的未來演化發(fā)展路徑如圖1-2所示9。從長遠來看,純電動汽車必將實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。 圖1-2 新能源汽車的未來演化發(fā)展路徑我國自主研制出容量為6Ah-100Ah的鎳氫和鋰離子動力電池系列產(chǎn)品,能量密度和

23、功率密度均接近國際水平,同時安全技術(shù)也有較大突破,在世界上首次較大規(guī)模應(yīng)用于城市公交客車;自主開發(fā)的200kW以下永磁無刷電機、交流異步電機和開關(guān)磁阻電機,重量比功率超過1300W/kg,最高效率能達到93%10。比亞迪E6是國內(nèi)電動汽車的先行者,所搭載的電動系統(tǒng)的最大功率為100馬力左右,峰值扭矩為450Nm,最高車速可達140km/h以上,不開空調(diào)該車在綜合工況下的續(xù)航里程為240-300km10。2011年奇瑞公司的瑞麒M1純電動汽車在上海開始投放市場。此外,一汽、上汽乘用車、長安汽車、長城、廣汽等也紛紛響應(yīng)國家政策,研發(fā)純電動汽車。1.2.2電動汽車關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)代電動汽車的研究與開發(fā)是一

24、個非常復雜的系統(tǒng)工程,其理論基礎(chǔ)是將汽車技術(shù)、電機技術(shù)、驅(qū)動技術(shù)、電力電子技術(shù)、能源儲存技術(shù)和現(xiàn)代控制理論等有機地結(jié)合起來,實現(xiàn)系統(tǒng)的集成優(yōu)化,其關(guān)鍵技術(shù)和主要研究方向可歸納為以下三個部分:整車控制系統(tǒng)、電機驅(qū)動系統(tǒng)、動力蓄電池/燃料電池10。其中電機驅(qū)動技術(shù)和傳動系統(tǒng)優(yōu)化發(fā)展相對較為成熟,動力總成控制是電動汽車當前的研究熱點9。電機驅(qū)動控制系統(tǒng)是電動汽車車輛行駛中的主要執(zhí)行機構(gòu),其驅(qū)動特性決定了汽車行駛的主要性能指標,它是電動汽車的重要部件。因此,選擇合適的電動機是提高各類電動汽車性價比的重要因素,研發(fā)或完善能同時滿足車輛行駛過程中的各項性能要求,并具有堅固耐用、造價低、效能高等特點的電動機

25、驅(qū)動方式顯得極其重要。動力電池是電動汽車的關(guān)鍵技術(shù),決定了它的續(xù)航里程和成本。電動汽車動力電池的功能指標和經(jīng)濟指標包括:安全性、比能量、比功率、循環(huán)壽命、價格、能量轉(zhuǎn)換效率。這些因素直接決定了電動車的可用性、經(jīng)濟性?？勺鳛殡妱悠囆铍姵氐挠泻芏喾N,如鉛酸、鎳鎘、鎳氫、鈉硫、鋰離子及燃料電池等10。圍繞蓄電池的快速充電技術(shù)也是研究熱點?？刂葡到y(tǒng)的開發(fā)難度主要體現(xiàn)在三個方面:1診斷策略。電動汽車與燃油汽車差別很大,不同的機械結(jié)構(gòu)和不同的控制系統(tǒng)面臨的安全問題也不盡相同。電動汽車配有高壓電池系統(tǒng)以及遍布整車功率電纜,使得安全管理系統(tǒng)面臨很大的考驗。2能量管理。電池續(xù)航里程一直是限制電動汽車大規(guī)模市場

26、化的重要因素。因此在有限的電池容量下,通過高效的能量管理,最大化的利用電池能量顯得尤為重要。通過對電動汽車進行能量管理,能夠有效增加車輛續(xù)駛里程,延長電池使用壽命,降低電動汽車的使用成本11。3控制器軟硬件開發(fā)。硬件設(shè)計難度體現(xiàn)在三個方面:1高可靠性;2硬件模塊可配置;3符合功能安全標準,尤其是功能安全是目前研究的熱點。軟件開發(fā)也是一個難點:1符合AUTOSAR規(guī)范;2多任務(wù)調(diào)度機制;3軟件模塊可配置;4軟件可靠性。圖1-3展示了控制器的開發(fā)需求和開發(fā)平臺。 圖1-3 控制器開發(fā)需求1.3控制器開發(fā)與硬件在環(huán)測試1.3.1控制器開發(fā)流程整車控制器作為控制系統(tǒng)的重要部分,負責整車的能量管理、安全

27、診斷、通信協(xié)調(diào)等功能。電動汽車整車控制器的開發(fā)遵循通用的的V-Cycle流程,如圖1-4所示。 圖1-4 V-CycleV模式開發(fā)流程主要有五個步驟:(1功能定義。根據(jù)功能定義設(shè)計硬件,并利用MATLAB/Simulink或Cruise 等軟件搭建被控對象模型,利用Simulink或者ASCET開發(fā)控制器策略;控制策略與對象模型聯(lián)合做模型在環(huán)(Model in the loop, MIL仿真,驗證策略。(2快速控制原型(RCP?？焖倏刂圃屯ㄟ^建立控制對象及控制器原型,進行多次離線及在線實驗來驗證控制系統(tǒng)軟硬件方案的可行性。簡單地說就是采用先進建模工具進行建模,并生成代碼,用其他控制器(PC,

28、 compact PC, 單片機臨時替代將要開發(fā)的實際控制器,快速對控制算法進行驗證與測試,在設(shè)計階段發(fā)現(xiàn)并解決問題。(3生成產(chǎn)品代碼。軟件算法經(jīng)過驗證后,可以由軟件工程師將算法轉(zhuǎn)換為代碼,但是隨著技術(shù)的進步,目前ASCET、Targetlink等工具都支持自動生成產(chǎn)品級代碼,同時還能生成ASAP2標定文件等。(4硬件在環(huán)仿真。控制器軟硬件集成后,必須對其進行全面綜合的測試,驗證控制器是否符合功能需求。硬件在環(huán)是一種半實物的仿真系統(tǒng),實時處理器運行被控對象模型并通過信號調(diào)理板卡與控制器連接,形成一個閉環(huán)回路。(5系統(tǒng)集成標定?？刂破鹘?jīng)過硬件在環(huán)仿真測試之后,需要與其他被控系統(tǒng)實物連接起來,完成

29、調(diào)試標定工作12。采用V模型開發(fā)流程不僅可以提高開發(fā)效率,還可以減少開發(fā)成本。半實物仿真減少了實車試驗,并提前在實驗室發(fā)現(xiàn)解決實車實驗中的問題,節(jié)約了成本;另外相比實車實驗,半實物仿真更加安全。1.3.2硬件在環(huán)HIL軟件測試可以分為白盒測試和黑盒測試。白盒測試也稱結(jié)構(gòu)測試,主要測試軟件內(nèi)部動作是否按照設(shè)計規(guī)格正常進行以及程序中的每條路徑是否都能按預定要求正確工作,它要求測試人員對程序內(nèi)部有足夠的了解13。黑盒測試也稱功能測試13,主要驗證每個功能是否都已實現(xiàn)。測試過程中,軟件被當做黑盒,檢測程序是否能正確地接收輸入數(shù)據(jù)并產(chǎn)生預期的輸出信息。一般來說,白盒測試由開發(fā)人員來完成,主要是單元測試;

30、黑盒測試則主要用于集成、系統(tǒng)、確認測試階段14。硬件在環(huán)仿真又稱半實物仿真,就是把真實的控制器放在虛擬的環(huán)境中進行測試15,虛擬環(huán)境模擬控制對象的行為給控制器提供其工作所需信號,同時接收ECU發(fā)出的信號形成環(huán)路。硬件在環(huán)仿真被認為是一種快速、有效的方法,它可以16:1驗證軟件功能。搭建接口模型,利用HIL設(shè)備輸出信號驗證底層軟件功能;搭建被控對象模型,構(gòu)建虛擬環(huán)境可以全面驗證控制器功能。2診斷功能測試。HIL設(shè)備可以選配故障注入板卡,可以模擬傳感器或者負載的故障,從而驗證控制器的診斷功能。3參數(shù)標定。傳統(tǒng)開發(fā)流程中需要進行大量實車或者臺架試驗完成標定工作?，F(xiàn)代的開發(fā)流程中,可以在硬件在環(huán)仿真階

31、段對大量的參數(shù)進行初步標定,減少后期的標定工作。本質(zhì)上講,硬件在環(huán)系統(tǒng)是實現(xiàn)控制器功能驗證的一種有效測試環(huán)境,構(gòu)建HIL環(huán)境可以采用如上所述的成熟工具。前面所說的硬件在環(huán)仿真測試就是基于硬件在環(huán)環(huán)境的控制器功能測試,根據(jù)硬件在環(huán)的原理和軟件測試學科關(guān)于軟件測試的分類,硬件在環(huán)測試屬于黑盒測試。1.4硬件在環(huán)和測試方法研究現(xiàn)狀測試環(huán)境是實現(xiàn)測試方法的基礎(chǔ),針對測試環(huán)境構(gòu)建的研究較多。目前較為成熟的商業(yè)化工具有dSPACE公司的Simulator、ETAS公司的Labcar、MathWorks 的xPC Targert以及NI公司的各類板卡。此外,OPAL-RT、ADI、VECTOR、TESIS、

32、AVL等公司也開發(fā)了不同的產(chǎn)品,支持ECU硬件在環(huán)仿真測試。硬件在環(huán)測試系統(tǒng)的開發(fā)上,國內(nèi)發(fā)展比較晚。同濟大學采用PCI總線以及WDM的驅(qū)動程序開發(fā)了實時測試系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)動機電控單元硬件在環(huán)測試17。上海交通大學將測試系統(tǒng)分成高速接口模塊、仿真模型模塊和監(jiān)控模塊,開發(fā)的仿真系統(tǒng)應(yīng)用于PEV 動力總成控制器的設(shè)計開發(fā)和功能測試,提高了開發(fā)效率18。大連交通大學開發(fā)的測試系統(tǒng),不僅能夠模擬汽車傳感器輸出信號還能模擬汽車執(zhí)行器的動作,通過這套仿真分析系統(tǒng)可以實現(xiàn)對發(fā)動機ECU 的實時分析與測試19。電動汽車硬件在環(huán)測試應(yīng)用方面,田軍輝等人采用XPC實現(xiàn)了電動汽車控制器內(nèi)部和外部環(huán)境的監(jiān)控,同時能

33、夠模擬整車控制器的實時運行環(huán)境,模型具有一定的適宜性和可配置型20。高樹健等人采用實時功率電子和駕駛工況模擬方法,構(gòu)建的硬件在環(huán)平臺能夠模擬電動汽車驅(qū)動總成各種動態(tài)變化,可以檢測故障信息和快速瞬變過程,實現(xiàn)了電動汽車閉環(huán)優(yōu)化控制,提高了電動汽車性能和可靠性21。田軍輝、高樹建、張恒8、Ren W17、位正18等人重點研究了硬件在環(huán)測試環(huán)境的構(gòu)建。除了測試環(huán)境,測試方法對于測試質(zhì)量、成本、效率至關(guān)重要,軟件學科研究軟件測試方法較多,整車控制器硬件在環(huán)測試可以借鑒軟件學科成熟的測試方法,但是必須針對自身的特點加以改造。戴姆勒公司和dSPACE公司采用分類樹樹方法,生成硬件在環(huán)測試用例,并通過發(fā)動機

34、對象模型約束關(guān)系實現(xiàn)了測試用例精簡,進一步優(yōu)化測發(fā)動機測試過程22。檀革苗等人也利用分類樹法分析軟件對象可能的子系統(tǒng)功能以及輸入,實現(xiàn)測試用例全空間的覆蓋,采用對象約束關(guān)系軟件CTE XL實現(xiàn)測試用例數(shù)目的降低,且不降低測試的覆蓋程度23。吉林大學葉子針對電動汽車系統(tǒng)功能需求,分別設(shè)計測試軟件的系統(tǒng)層、表示層、應(yīng)用層和數(shù)據(jù)層。測試系統(tǒng)實現(xiàn)系統(tǒng)自檢、系統(tǒng)配置、功能測試、邏輯測試、案例測試和測試報告自動生成功能的開發(fā)24。魏先民,林敬恩等采用狀態(tài)機描述程序之間跳轉(zhuǎn)關(guān)系,直觀形象,實現(xiàn)嵌入式軟件功能的開發(fā)和測試流程的管理25。華東師范大學將測試用例表現(xiàn)為有限狀態(tài)機模型接受的輸入元素,使得狀態(tài)變遷和用

35、戶行為有機結(jié)合,實現(xiàn)了測試的自動化26。綜上所述,電動汽車硬件在環(huán)測試技術(shù)是電動汽車開發(fā)和測試不可缺少的環(huán)節(jié),是提高電動汽車開發(fā)速度,是驗證電動汽車整車控制器一種有效手段。電動汽車整車控制器硬件在環(huán)測試的發(fā)展不僅僅是電動汽車硬件在環(huán)測試實驗平臺的發(fā)展,同時包括硬件在環(huán)測試方法的發(fā)展。隨著電動汽車控制系統(tǒng)安全保護功能要求越來越高、功能越來越復雜,電動汽車硬件在環(huán)測試應(yīng)該通過有效的的測試案例設(shè)計以及管理,盡最大可能暴露出設(shè)計缺陷,完善電動汽車整車控制器功能,提高系統(tǒng)的可靠性,縮短測試時間,降低開發(fā)成本。1.5本課題研究內(nèi)容與意義硬件在環(huán)仿真測試對于電動汽車整車控制器的開發(fā)意義重大,利用HIL系統(tǒng)可

36、以:軟件功能驗證;診斷功能測試驗證。本研究針對電動汽車整車控制器HIL環(huán)境構(gòu)建、軟件功能驗證做了如下研究:1提出HIL系統(tǒng)生命周期模型。首先,分析電動汽車整車控制器硬件在環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),硬件在環(huán)系統(tǒng)根據(jù)需求進行搭建,搭建過程必須規(guī)范并且使用過程也需要維護,因此提出硬件在環(huán)系統(tǒng)生命周期模型,因此提出了HIL系統(tǒng)的生命周期模型規(guī)范HIL系統(tǒng)的搭建過程。2基礎(chǔ)平臺自動化測試。根據(jù)AUTOSAR規(guī)范,底層軟件模塊給應(yīng)用層軟件提供接口,是應(yīng)用層軟件實現(xiàn)功能的載體。底層軟件的功能必須在集成之前進行驗證,底層軟件功能比較單一,測試驗證重復勞動較多,提出了底層軟件自動化測試的方法并利用Python編寫腳本實現(xiàn)。3

37、構(gòu)建應(yīng)用層軟件測試環(huán)境。首先介紹了電動汽車的結(jié)構(gòu),并將電動汽車模型劃分為模塊,對各個模塊進行簡化處理,搭建了電動汽車的Simulink模型,同時利用m文件管理各個模塊的參數(shù),以適應(yīng)不同的車型參數(shù)。4構(gòu)建整車控制器應(yīng)用層功能測試模型,提出測試用例自動化生成方法。不同于底層軟件測試,應(yīng)用層軟件功能較為復雜,提出了利用狀態(tài)機搭建電動汽車整車控制器功能測試模型,刻畫軟件的功能與行為以此規(guī)劃測試流程。并提出了利用等價類劃分方法、邊界值分析方法離散化輸入量,并根據(jù)不同狀態(tài)的輸入組合測試用例。第一章 緒 論2.1-電動汽車整車控制器硬件在環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成2.2-硬件在環(huán)系統(tǒng)生命周期模型應(yīng)用層程序底層軟件2.4-底

38、層軟件自動化測試4.2-狀態(tài)機規(guī)劃測試流程3-整車模型4.3-輸入量離散化4.4-故障注入驗證診斷算法整車控制器圖1-5 全文結(jié)構(gòu)HIL系統(tǒng)生命周期模型與底層功能測試第二章電動汽車形式多種多樣,能量源、執(zhí)行機構(gòu)、整車控制系統(tǒng)是最為關(guān)鍵的三個部分。整車控制系統(tǒng)通過CAN網(wǎng)絡(luò)與能量源、執(zhí)行機構(gòu)之間通信獲取運行信息以及發(fā)出扭矩指令等,通過傳感器感知駕駛員意圖等。CAN(控制器局域網(wǎng)絡(luò), Controller Area Network 、ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換,Analog to Digital Converter、I/O(數(shù)字輸入輸出,Input/Output等底層軟件對于控制器實現(xiàn)功能至關(guān)重要,必須進行

39、全面的功能驗證。本章首先簡單介紹了整車控制器以及硬件在環(huán)系統(tǒng),提出了硬件在環(huán)系統(tǒng)的生命周期模型,規(guī)范硬件在環(huán)系統(tǒng)的搭建、使用和維護過程。提出了底層接口自動化測試的方法,并給出了利用Python語言實現(xiàn)的過程。2.1電動汽車整車控制器2.1.1整車控制器功能圖2-1 為電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu),包括整車控制器、電機、能量源以及其他的車輛附屬設(shè)備27。電機控制器負責電機的驅(qū)動控制,電池管理系統(tǒng)BMS(Battery Management System負責電池系統(tǒng)的管理28。電池管理系統(tǒng)、電機控制器、整車控制器等通過CAN網(wǎng)絡(luò)連接。整車控制器BMS電機控制器電機電池組主減速器圖2-1 電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)

40、整車控制器是電動汽車的大腦,主要包括:上電流程管理、斷電流程管理、汽車驅(qū)動控制、制動能量回饋控制、充電管理等功能9,具體如下:上電流程管理:根據(jù)司機的操作,檢查DC/DC繼電器、低壓繼電器、高壓斷路器、預充電繼電器等是否存在故障,完成低壓附件以及電機上電,保證安全。斷電流程管理:司機斷掉鑰匙開關(guān)后,依次給低壓附件、電機等部件斷電,同時保存故障信息。汽車驅(qū)動控制:根據(jù)司機的駕駛需求、車輛運行狀態(tài)、道路及環(huán)境狀況,經(jīng)過程序計算,向電機控制器發(fā)出指令,滿足駕駛工況要求。制動能量回饋控制:根據(jù)制動踏板和加速踏板的開度、車輛行駛狀態(tài)、蓄電池狀態(tài),計算制動力矩并發(fā)送給電機。故障診斷及保護:連續(xù)監(jiān)控整車電控

41、系統(tǒng),進行診斷,并及時啟動相應(yīng)的安全保護處理,例如不太嚴重的故障可以啟動“跛行回家”;故障碼的存儲和回調(diào),通過故障指示燈指示出故障類別和部分故障碼。充電管理:監(jiān)控電池狀態(tài),進行充電保護等。2.1.2整車控制器硬件特征與軟件功能整車控制器的使用環(huán)境十分惡劣,其是否正常工作直接影響到車輛的安全性,因此整車控制器的硬件設(shè)計必須滿足高要求、高可靠性,硬件參數(shù)如下:工作環(huán)境溫度:-40100;工作電壓范圍:DC6VDC36V;提供兩路+5V輸出(傳感器供電;提供制動壓力傳感器、加速踏板傳感器等模擬信號輸入;提供模式開關(guān)、巡航開關(guān)、空檔開關(guān)、檔位開關(guān)、剎車開關(guān)、空調(diào)開關(guān)、診斷請求等開關(guān)信號輸入;檢測鑰匙信

42、號,進行系統(tǒng)的上電和掉電管理;提供車速傳感器脈沖信號接入;所有的傳感器都具有故障緊急狀態(tài);提供電源反接保護;電源的浪涌,過壓保護;ESD保護(防靜電;功率器件過壓,過流,過溫保護;對地,對電源短接和開路保護及診斷;課題組基于德國英飛凌公司XC2000系列高性能MCU(Micro Controller Unit開發(fā)出了電動汽車整車控制器硬件,硬件在設(shè)計過程中以通用化、模塊化為原則,硬件功能如圖2-2所示。整車控制器的硬件經(jīng)檢驗滿足如下行業(yè)標準:ISO11452-2輻射抗擾度、GB/T 19951靜電放電和QC/T 413-2002汽車電氣設(shè)備技術(shù)標準。圖2-2 硬件平臺功能框圖不同的車型配置的差

43、異導致整車控制器功能需求會有所不同,此外配置參數(shù)也不盡相同,這無疑增加了軟件開發(fā)的難度。軟件開發(fā)過中采用了分層分模塊設(shè)計,如圖2-3所示。同時采用數(shù)據(jù)詞典、模塊詞典的來規(guī)劃每一個構(gòu)件,方便了開發(fā)與維護。件構(gòu)架各層之間和模塊之間的接口變量的定義采用標準的變量規(guī)則定義,相互之間的變量交互機制采用消息體方案。XC 2000 MCUCAN CAN ADAD DI DI DODO 底層軟件上電上電車輛驅(qū)動車輛驅(qū)動斷電斷電跛行跛行應(yīng)用層軟件圖2-3 軟件模塊結(jié)構(gòu)示意圖通 信 接 口電源模塊 微 控制器模擬量開關(guān)量加速踏板傳感器 制動踏板 電流傳感器 制動踏板傳感器 蓄電池電壓 充電開關(guān) 啟動鑰匙 空調(diào)開關(guān)

44、 模式開關(guān) 制動踏板開關(guān) 檔位開關(guān)(3個 車速傳感器診斷接口功 率 驅(qū) 動主繼電器 空調(diào)繼電器 DC 繼電器 真空泵繼電器 電源管理繼電器高速CAN 總線低速CAN 總線低速CAN 總線接口高速CAN 總線接口 蓄電池 鑰匙開關(guān)蜂鳴器 故障燈軟件開發(fā)采用ASCET工具,基于模塊的軟件開發(fā),方便協(xié)作開發(fā);自動生成代碼,節(jié)省了軟件轉(zhuǎn)換時間;圖形化的編程方式對開發(fā)人員軟件知識要求更低,方便不同開發(fā)人員與客戶溝通。課題組開發(fā)的整車控制器實物如圖2-4所示,硬件具有豐富的接口,軟件采用分層模塊化的思想,能夠兼容多個平臺,可靠性也有很大提高。 圖2-4 整車控制器實物圖2.2HIL系統(tǒng)生命周期模型2.2.

45、1硬件在環(huán)原理及硬件平臺硬件在環(huán)仿真也被稱作半實物仿真:實物是待測控制器,虛擬部分是搭建的被控對象模型。模型經(jīng)過編譯以后需要高性能處理器實時計算,模型與控制器之間的信號交互通過I/O 信號調(diào)理板卡,實驗管理軟件安裝在上位機上并與處理器板卡通信進行測量、修改參數(shù)、記錄數(shù)據(jù)等。處理器板卡、I/O 板卡和試驗管理軟件構(gòu)成了硬件在環(huán)系統(tǒng)的核心。dSPACE 硬件在環(huán)仿真器在全球范圍內(nèi)廣泛使用,能夠快速、自動和高效測試ECU,是目前為數(shù)不多的比較成熟的工具之一。如圖2-5所示為課題組購買的Small-size dSPACE Simulator 實物,主要由兩塊板卡構(gòu)成:DS1006實時處理器板卡和DS2

46、211 I/O板卡。DS1006采用AMD 公司高性能處理器并通過PHS 總線與DS2211板卡通信。DS2211板卡擁有模擬信號輸入/輸出、數(shù)字信號/輸出、電阻信號、PWM 波輸出、CAN 通信、串口通信等能力。實驗管理軟件Controldesk 在上位機上運行,能夠監(jiān)控變量、修改參數(shù)、記錄數(shù)據(jù)、繪圖顯示等,上位機通過ISA總線與DS1006通信。此外dSPACE 在simulink 中還嵌入RTI(Real-Time Interface庫,RTI 模塊和對象模型經(jīng)過編譯下載后方便實現(xiàn)硬件功能設(shè)定。除了上述的DS1006和DS2211板卡,還可以選配故障注入(Fault Injection

47、Unit,FIU板卡、模擬負載板卡等29。 圖2-5 dSPACE Simulator實物基于dSPACE 的電動汽車整車控制器硬件在環(huán)系統(tǒng)如圖2-6所示,各個部分詳細介紹如下:下載到實時處理器中的模型可分為兩個部分:1電動汽車整車模型,包括BMS、電機控制器等,可以采用諸如Matlab/simulink 等軟件搭建;2利用RTI 模塊搭建的接口模型,控制各個硬件模塊通道的功能。模型編譯后生成的x86文件和sdf(system description file均可在Controldesk 界面下方便地下載實時處理中。整車模型實時運算輸出電機轉(zhuǎn)速、車速等信號,然后通過硬件I/O 板卡調(diào)理后發(fā)出,

48、同樣,整車控制器則發(fā)出電機扭矩指令等信號也是通過I/O板卡采集調(diào)理后再用于整車模型用于計算。 圖2-6 整車控制器HIL原理上位機軟件Controldesk 與實時處理器通信,通過sdf文件獲取模型中變量、參數(shù)的地址信息,監(jiān)視實時處理器中模型變量值,另一方面也可以改變模型中參數(shù)的值的大小以及記錄測試過程中的數(shù)據(jù),方便測試完成后的分析。I/O 板卡通過排線連接到外部接線板,同時控制器也連接到接線板,從而實現(xiàn)兩者電氣連接。此外,繼電器也可以連接到接線板,通過DS2211的數(shù)字輸入可以采集到繼電器的開關(guān)狀態(tài)。2.2.2生命周期模型產(chǎn)品生命周期模型最初是由美國經(jīng)濟學家雷蒙德·弗農(nóng)于1966年

49、在產(chǎn)品生命周期中的國際投資與國際貿(mào)易一書中提出的30,他將產(chǎn)品從定義到報廢的整個流程對應(yīng)到人的生命過程,即形成、成長、成熟、衰退這樣的周期。這一概念由于對產(chǎn)品的研發(fā)資源分配、投產(chǎn)運行,售后維護等環(huán)節(jié)具有積極的指導作用,所以被廣泛地引入到了各個領(lǐng)域中。IEC 61508也引入相關(guān)概念,定義了電子電器系統(tǒng)的生命周期模型,包括功能定義、設(shè)計開發(fā)、生產(chǎn)、運行、維護以及報廢等階段31。HIL系統(tǒng)作為汽車電子控制器產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)中重要一環(huán),其本身的需求分析、系統(tǒng)構(gòu)建、確認測試、功能匹配、維護這個過程也可以采用壽命周期模型的方法進行開發(fā)。上一小節(jié)以dSPACE作為樣例,介紹了硬件在環(huán)系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)環(huán)境,這是H

50、IL系統(tǒng)整個生命周期各個階段的依托。除此之外HIL測試系統(tǒng)的生命周期還需要結(jié)合被測對象,即電動汽車整車控制器自身的特點進行,以保證HIL測試系統(tǒng)在硬件實現(xiàn)環(huán)境的功能范圍內(nèi),對電動汽車整車控制器進行全面、細致、高效的測試。如圖2-7所示,HIL系統(tǒng)的生命周期模型可以分為5個之階段,包括需求分析、系統(tǒng)構(gòu)建、確認測試、功能剪裁,使用維護,這些階段也可分為兩個大類:開發(fā)和運行維護兩個階段。各個階段的具體實現(xiàn)的工作包括:1需求分析階段。此階段主要是針對電動汽車主控制器的功能定義,來分析HIL測試系統(tǒng)需要提供的測試功能。如電動汽車主控制器的控制車型、動力系統(tǒng)構(gòu)成等。同時還需要明確控制器的輸入輸出、接口的電

51、氣特性等。結(jié)合這些功能定義與HIL的硬件實現(xiàn)環(huán)境的功能范圍,給出HIL測試系統(tǒng)的需求分析和功能定義,此階段為生命周期的孕育階段。2系統(tǒng)構(gòu)建階段。這一階段主要根據(jù)上一階段的需求與功能定義,搭建HIL的軟件硬件測試環(huán)境。具體來說,需要根據(jù)主控制器的控制車輛的車輛特征和車輛動力學搭建整車模型;根據(jù)車輛的動力系統(tǒng)特征搭建電池模型、電機模型。根據(jù)主控制器的輸入輸出的電氣特性,配置dSPACE與BreakBox,使其滿足電動汽車的輸入輸出需求。3確認測試階段。此階段主要是為了測試、確認HIL系統(tǒng)自身的可靠性。包括結(jié)合實際對象的特性數(shù)據(jù)對整車模型、電池模型電機模型的進行測試與校準。對輸入輸出通道,通過外接模

52、擬負載的方法測試輸入輸出的配置正確性。4功能裁剪階段。電動汽車主控制器研發(fā)的V模式的各個環(huán)節(jié)需要測試的內(nèi)容是不一樣的。功能剪裁階段就是為了將HIL測試系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境針對V模式的各個階段進行裁剪,形成不同階段的測試配置環(huán)境,以滿足各個階段的測試需求。5使用維護階段。此階段基于已經(jīng)構(gòu)建的HIL系統(tǒng)的軟硬件測試環(huán)境,根據(jù)設(shè)計好的測試用例和測試流程對整車主控制器進行測試。同時需要嚴格按照HIL測試的測試流程規(guī)范、測試操作規(guī)范進行測試,保證HIL測試系統(tǒng)不被損壞。 圖2-7 HIL系統(tǒng)生命周期模型2.2.3HIL生命周期模型具體階段1. 需求分析。需求分析指的是在建立一個新的HIL系統(tǒng)或者修改現(xiàn)有HI

53、L 系統(tǒng)時,定義新系統(tǒng)的目的、范圍和功能。需求分析是一個關(guān)鍵過程,在這個過程中首先確定項目的需求,只有在確定了需求后才能夠進行后續(xù)的搭建或者修改裁剪工作。需求分析主要考慮如下五個方面:HIL系統(tǒng)需要輸出的信號、采集的信號以及信號的精度要求;HIL系統(tǒng)的實時性,處理器主頻太低或者模型太過復雜將會影響實時性;HIL系統(tǒng)硬件的可靠性與安全保護;對象模型的詳細程度,詳細程度直接關(guān)系工作量的大小與驗證的范圍;試驗管理軟件的功能與設(shè)計,實驗數(shù)據(jù)的存儲管理。2. HIL系統(tǒng)構(gòu)建。HIL系統(tǒng)構(gòu)建包括四個方面:硬件系統(tǒng);軟件接口;實驗軟件;對象模型。HIL系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)、軟件接口以及實驗軟件都有成熟的商業(yè)化產(chǎn)品

54、,當然也可以自己搭建。采用商業(yè)化的工具,供應(yīng)商需要提供證明,其硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)的開發(fā)生產(chǎn)過程都應(yīng)十分嚴格,具有高質(zhì)量與可靠性。同時,硬件系統(tǒng)和軟件工具都需要確認測試再進行驗收。如果自己開發(fā)硬件系統(tǒng)、軟件接口以及實驗軟件,可以參考dSPACE等成熟商業(yè)化工具的性能。同時,軟硬件各個模塊的功能以及各個模塊之間的接口都需要經(jīng)過測試確認。對象模型可以采用商業(yè)化仿真工具搭建。工具的選擇需要:確認仿真軟件版本與實時處理器硬件兼容;搭建模型的效率。模型本身需要考慮模塊化、可配置等特性,方便修改裁剪。3. 確認測試。開發(fā)階段的驗證主要目的是驗證一個全新搭建的HIL系統(tǒng)在投入使用之前是否已經(jīng)滿足需求。為了驗證

55、HIL系統(tǒng)是否滿足需求,需要采取合適的方法和流程進行測試,證明HIL系統(tǒng)的功能正常并滿足需求。進行HIL 系統(tǒng)的驗證需要測試人員安裝、使用維護HIL系統(tǒng)的大量經(jīng)驗,以及對HIL系統(tǒng)的深入細致了解。測試驗證的過程需要文檔記錄,HIL系統(tǒng)一旦經(jīng)過驗證,就可以發(fā)布用于項目的測試。測試驗證要求電子部件包括處理器板卡、I/O板卡、信號調(diào)理單元等經(jīng)過測試在要求的工作范圍內(nèi)沒有任何錯誤。經(jīng)過修改后的HIL系統(tǒng)的測試驗證也可以采用開發(fā)階段的驗證方法。HIL系統(tǒng)的驗證流程可以分為五個連續(xù)的步驟,通過這五個步驟各個模塊的功能與相互之間的影響均會被測試到:(1連接測試:連接測試是為了保證內(nèi)部電氣連接沒有錯誤,即I/

56、O板卡、FIU(故障注入單元,Fault Injection Unit、負載及ECU之間的連線。(2電氣安全測試:HIL系統(tǒng)可能包含一些大電流的負載,HIL設(shè)備也是連接220V的市電,所以需要高壓隔離,漏電流保護,地線導電等測試。(3激勵測試:各個I/O通道的功能是否正?？梢酝ㄟ^激勵測試證明,同時FIU通道也可以通過激勵測試證明功能正常。(4開環(huán)測試:開環(huán)測試包含ECU和I/O模型,該階段HIL系統(tǒng)雖然沒有對象模型,但是通過I/O模型輸出ECU工作需要的信號,檢測ECU與HIL系統(tǒng)之間的信號交互。(5閉環(huán)測試:閉環(huán)測試包含ECU、I/O模型和對象模型,該階段的測試一方面是為了保證加入對象模型H

57、IL系統(tǒng)的實時性,另一方面對象模型和接口模型之間的接口沒有錯誤32。前三個步驟的測試主要關(guān)注HIL系統(tǒng)是否正常(處理器板卡,I/O板卡,信號調(diào)理單元,負載(真實或者模擬,FIU,接線,I/O軟件和實驗/操作軟件,后面兩個步驟則主要關(guān)注HIL系統(tǒng)與ECU之間的連接以及加入對象模型后HIL 系統(tǒng)的性能。4. 實際使用過程中可能會出現(xiàn)操作軟件升級,I/O軟件升級,或者根據(jù)新的需求修改對象模型等情況,甚至更換如更換I/O板卡等。此外,同一個HIL系統(tǒng)往往不只是用于某一個項目的開發(fā),也可能用于多個項目的開發(fā),不同的項目對于HIL系統(tǒng)的要求不盡一致,所以需要修改。HIL系統(tǒng)經(jīng)過修改之后,投入使用之前一定要進行驗證,同樣驗證的依據(jù)是需求說明。這個階段并非整個HIL系統(tǒng)都需要驗證,只需驗證修改的模塊,但是一般情況下修改的部分可能會與其他模塊之間有關(guān)聯(lián),所以與之相關(guān)的模塊或者變化模塊的接口也需要測試。此外,為了測試的需要可能會引入第三方工具,這種情況下,第三方工具和HIL