用于BMW氢能7系的HIL测试系统

用于BMW氢能7系的HIL测试系统
电子测量技术
2012年第35卷第2期一TechnologyForum/~一
用于BM.W"氢能7系的HIL测试系统
BMW氢能7系(Hydrogen
7)是采用双燃料驱动概念的高
端车,结合BMW豪车的驾驭体
验实现完全无废气排放.在开发
方面,要求其发动机控制单元
的设置和安全保护能够与氢气动
力的要求完全匹配,因此,需
要根据工业化设计标准改进硬
件在环(HIL)的测试.最终,
Hydrogen7中采用的HJL系统
方案还将被用于BMW其他传动
系项目中.
第一代氢能源汽车
BMWHydrogen7是第一
代真正具有液氢发动机的豪华
车.氢动力清洁能源汽车开发的
最初目的是避免二氧化碳废气的
排放,将碳基原料,如汽油和
柴油,用氢原料代替.充满前
景的可再生氢能源将会对未来个
人轿车的可持续增长做出贡献.
而内燃机与液态氢相结合的概念
无论在生产成本上还是在用户体验方面,如驾驶动力,可靠性,
续航里程等,都比其它概念车要优越.
与有限的化石能源不同,
氢能源可以从无限量的可再生能源,如太阳能,水能,风能或
生物能中产生.因此,BMW可
以专注于液氢发动机的研发. BMW搭载的双燃料V12液氢发动机最高速度达到300km/h,它既可以用液氢驱动,也可以用汽油驱动.也就是说即使目前氢能源基础设施还不充足,这款车也可以满足日常使用需要.因此具有很大的应用前景.
虽然目前液氢燃料的需求量
很小,氢燃料也主要从传统能源中转换.然而,一旦大量的汽车
装备了液氢发动机,将会带动液氢燃料供应基础设施的需求,这样反过来又会带动对氢动力汽车的需求.可以说,BMW第一代
氢动力超清洁车的诞生为新能源NI公司
的应用提供了动力. BMWHydrogen7氢动力汽
车与现有的BMW7系轿车性能相当,两款车的发动机缸体都装
备有可变化的吸气阀芯和可调整的凸轮轴,这样可以实现无节流阀的载荷控制.当用汽油驱动时, 汽油通过直接喷射注入发动机: 当用液氢驱动时,需通过一个外部汽化器,通过升温变成气态形式,注入喷射阀.在氢动力模式下,发动机的最大输出功率为191kW,最大扭矩可达390Nm.
一
个168升的液氢燃料罐可以存储8kg的液氢,所能提供的能量与3O升汽油提供的能量一样. 汽车在氢动力模式下,可以行驶200km,当它使用汽油动力时,
可以再行驶500km.双燃料驱
动模式的优势在于它可以弥补目前现有的加氢站供应链的不足. 液氢燃料罐系统中有一个独
立的冷却支路.当汽车行驶时,
液氢罐的工作压力是通过加热蒸发液氢来保持的,这一过程是由清洁燃料罐控制器来控制,与安全功能相关的中心控制器也监测氢燃烧的过程和汽油的浓度,同时也对关键的氢燃料罐参数和反应限制值进行监控.中心控制器还有其他一些功能,如汽车上燃料供应系统的管理,系统中驾驶
员的信息管理和与服务中心的通
9
~kTechnologyForum?电子测量技术2012年第35卷第2期讯等.控制器的综合冗佘功能遵
从SIL3安全水平(软件完整性
级别,与IEC61508规范类似),
这是汽车工业中的最高级别的要
求.
…L作为标准工具用于BMW
开发过程
BMWHydrogen7的控制
器,功能模块和应用的开发都已
经通过了BMW系列开发过程的
验证试验.从开始的概念设计到
高动态的台架试验,所有阶段的
应用都基于模型的开发方法.在
HIL测试环境中,必须满足模型
仿真的实时性,并保证6O多个
HlL测试系统达到所要求的系统
精度.当然,在完成了HIL的首
次应用之后,减少成本和避免依
赖于个别制造商就成为HIL产业
化的长远关注点.
Hydrogen7的特别之处在
于发动机控制器,它是在12缸
Otto电机控制器上修改而来,而
清/m厶匕BP--,源控制器是以飞机发动机
控制器架构为基础的,由于其特
殊的地位,清洁能源控制器的硬
件,相关的仿真模型和执行的测试脚本,都是其他BMW部件无法借鉴的,因此,控制器开发商
按照航空项目中的模板建立了相关的HlL测试系统.
…L测试系统用于清洁能源
控制器
清洁能源控制器设计成一个
2通道系统,实现从处理器到执
行器的控制.根据处理器的错误状态,进行执行通道的激活,并
决定哪一路激活信号输出或者停l0
止.控制器与其他系统通信需要五种以上的CAN总线连接和更多的串行总线终端,同时,各种
阀门和执行器的功率放大器都有详细的诊断.
该控制器的开发和维护需要
构建几个HIL测试系统.主要的挑战是集成不同的电气负载并同步对所有通道进行故障注入.
…L测试系统用于发动机控
制
Hydrogen7的发动机控制由
2个主从控制器分别控制12缸发动机.发动机控制的HIL运行时, 汽车控制器同时还要完成对于防盗系统和中央网关的控制.
为了能够在普通汽车后备
箱内装载仿真器,该系统需要能
够安装进一个包含8—9个机架单元的19英寸机架,因此,这
个HlL测试系统重点要求结构紧凑.之前,BMW针对传统8缸
发动机和控制器,已经提供了基
于dSPACE的紧凑型仿真器和中型HIL仿真器.然而,扩大到12
缸以及氢能源时,额外的信号操
作使得先前的配置达到了极限, 纯粹为HlL应用所开发的处理器板和信号板就需要很大的空间. 同时,外部引入的信号使用多个
控制器间的连线也非常复杂,于
是BMW宣布启动一个新的紧凑型HJL测试系统概念,旨在降低HIL测试系统的采购和运行成本. Hydrogen7对…L测试系统
的具体要求
该HIL测试系统必须具备输
入输出通道和控制器的所有接口连接,同时,由于没有安装如喷
射阀或火花塞等真正的负载,测
试控制器功能才是重点.每～个Hydrogen7的发动机控制器都包含一个现代化6缸直喷发动机的所有典型信号,并且还扩充了几
个氢动力的特定信号,包括4个
可调的凸轮轴和6个爆震传感器所产生的信号,连续显示温度变化的lambda探头信号,都充分
突出了HIL系统的复杂性.2个CAN总线接口和一个BSD接口的通信,以及与Simulink的集成同样也非常复杂.
幸运的是,通过新的模块化
硬件平台配合标准软件所构建的HlL架构,完全可替代dSPACE 的架构.测量和自动化应用都使用国际标准化的接口组件,高度集成的模块化插板可以用来进行快速的信号产生,信号采集和处理,也使得结构紧凑的HIL系统成为可能.同时,在过程控制中
使用电气元件的接口,可保证该系统在未来的汽车发动机和混合动力发动机控制中顺利实施.
与传统的电路板设计不同, FPGA(现场可编程门阵列)技
术可以允许大部分接口自由配置.因此,其接口数量可以远远
超过传统的HIL系统,考虑到测量和自动化领域的标准组件所带来的技术潜力,使之成为更具成本效益HlL测试系统.
将…L重新整合到项目环境
中时所产生的要求.
快速的信号采集与处理能
力:为了快速将新一代HIL仿真
电子测量技术
2012年第35卷第2期一TechnologyForum//⑧⑧④⑤一\,做..人/I匕人J=z 器用于所有BMW车型的Otto
发动机和柴油发动机的设计中,
虚拟负载和各种喷射阀控制信号
的采集必不可少.除仿真稀燃发
动机外,BMW高精度喷射发动
机的仿真还需要配合曲轴转角信
号在喷射时的同步采集,并同时
测量一个燃烧周期内不同的喷射
脉冲电压,在这种情况下,必须
要有快速的信号采集和信号预处
理能力.
快速的配置修改:配置
Hydrogen7发动机的只有一款车
型,而配置其它BMW发动机的
有7款车型.为了测试不同车辆
环境下的发动机控制器,不同车
辆控制器的设置都安装在一个机
架上,通过标准接口连接到HlL
系统上,可以很方便地更改.
总线转换及映射:目前,汽
车工业中普遍应用一些特殊的总
线技术用于驱动控制器,如BSD
总线和LlN总线,以及作为传感
器总线的SPI协议,或者汽车防
盗通信领域的特殊格式.LlN总
线和CAN总线的配置选项要求JrB,fr~,,其他专用总线也需要作微
小调整以适应新的通信协议.如
果可以通过软件配置(如FPGA
技术)来映射总线接口,那就不
需要具体的硬件变化,那么将大
大简化并高效实现映射.
多处理器协同HIL:除了发
动机控制器作为测试单元连接到
HlL测试系统之外,HIL也越来越
多地在组件的测试台中得到应用.
比如在整个内燃机测试中,一个
调整节气门的驱动单元,或者相
关车辆的操作都可通过控制器逼
真地模拟,以仿真在实际环境工
况下的应用,进行可靠性测试.
同时,对于在各种车辆板卡网络
的电能管理开发等等,也需要建
立一个HIL测试系统.因此在这
种情况下,需要构建多处理器结
构的并行HlL协同测试系统,已
快速完成多类型的并行HIL任务. NovaSim仿真器的…L测试
系统的实现
Hydrogen7发动机控制
的HlL系统是以MicroNova的NovaSimHIL仿真器为基础的. MicroNova作为一个清/D地BM_,源应
用开发的工程合作伙伴,有着丰
富的HIL测试系统经验.
仿真器的基本结构是基于NI
硬件平台,通过NIPXI总线将实
时计算机连接到各种IO板上.
仿真模型通过NILABVIEW软件与硬件连结,通过软件使仿真器
运行.仿真器组的基本思想是使
用尽可能多的商业可用模块,并
在不同的阶段将这些模块整合成一
体.在标准化的PXI平台上,
Nl和其他制造商已经为PXI总线提供了成千上百种模块,这些模
块不断增强了测量和自动化技术在全世界范围内的应用.因此,
在不修改现有的仿真软件的情况下,第二代氢动力HIL系统能够
在更强大的硬件模块实现.例如, 基于CompactPCI总线的反射内存板HlL通过网络在多计算机上协同实现.而新仿真器则能借助
千兆以太网使其更具备成本效益. 所有的硬件模块都通过MicroNova的汽车专用组件连接到标;隹的HIL仿真器上.
通过NI提供的LABVIEW
实时模块,LABVIEWFPGA模
块和仿真接口工具箱等软件工
具,可以从Simulink模型中产
生实时代码和对应的用户界面. MicroNova作为系统伙伴,开发
了特定的接口板,将这些模块连
接到汽车专用信号上.同时,标
;隹汽车总线,如CAN,LIN或FlexRay,与HlL之间的通信也
是通过专门的硬件板卡进行的,
板卡同时包含Simulink的集成和Rest—bus模拟的自动生成.
可重配置的FPGA硬件可以
通过图形化编程进行功能定义.
发动机具体信号的产生,如点火
和喷油激活信号,曲轴信号,凸
轮轴信号和爆震信号,都是基于
这项技术.FPGA模块可以直接
集成到Simulink模型中,针对具
体项目进行配置调整.专用总线, 如BSD或SPI总线,也是通过设置映射到FPGA上.无需更改硬件,HIL系统就可以有新的功能, 从而可适应未来的需求.可重配
置硬件的灵活性是HlL测试系统可持续发展的基础.软硬件的无
缝集成以及HlL任务的大幅提升, 也是BMW在在发动机开发中使用这些HlL系统的先决条件.
系统结构
BMW最初建立了2个HlL
系统用于Hydrogen7发动机控
制的开发,并在手动和自动测试
系统中成功引进并大量使用.系
统的结构如图1所示.
⑧⑧④⑤\:::=mI电子测量技术2012年第35卷第2期实时计
C
控制单元l:的鼹示和连接面板
图1紧凑型HIL仿真系统
图中,最上层是控制器终端
面板,控制器显示单元和信号分
配在后边,中间主体部分是实时
计算机和信号调理,电池供电模
拟位于其正下方.实时计算机是
一
个具有2GHz控制器的PXI系
统.系统中有2个发动机HIL模
块,一个CAN模块和一个模拟
输出模块,可用的信号接口如下:
1)3x96=288个数字输
入或输出接口:可以用来发出或
采集脉冲宽度调制(PWM)信
号和特殊角度同步信号(如凸轮
12
调理
轴信号,喷射信号).特殊串行
接口,如BSD总线和SPI总线,
无需额外的硬件开发就可以集成
到仿真器中.
2)24个模拟输入接口,56
个模拟输出接口.
3)4个CAN接口.
虽然该应用被限制在一个小
尺寸机箱中,但是核/b~u'[J件的高集成度便于IO通道与各种控制器之间连线.与较大的HIL测试系统一样,外部接线强制按照1:1 连接到控制器上.对于1:1连接
来说,这些标准电缆是仿真器内部连线的一部分.内部信号分配在仿真器的顶层,位于终端面板的后边,当盖子打开时,甚至在
仿真过程中,它都可以访问.
结论和展望
针对BMWHydrogen7发
动机控制器开发的HIL应用,已经完全被集成到现有的开发过程中.通过严格的流程规范和强大的整合能力,BMW成功地落实
了具体的项目要求,并通过产业化的方式将此项HIL技术用到其它的发动机项目中.
以Hydrogen7上用到的
HlL仿真器为基础,为当前所有的BMW发动机控制器建立了一个通用的HIL.将1O个这样的紧凑型系统结合在一起组成的一个综合的HIL测试系统正在用于板
上电能供应系统的控制器设计: 具有实际电流的电池和电源之间相互替代的可能性证实了HIL测量技术和支持模型试验台技术的结合不仅仅只能用在混合动力方面,也可以应用于其他领域.。