作者：Daniel Fonte，HIL应用专家，速羚高特（Speedgoat）应用工程主管
全球向电动出行的转型正在重塑汽车工程的多个学科领域。在电动汽车动力总成中，电力电子、电池系统与嵌入式软件之间紧密耦合的技术发展，持续推动着效率提升、快充技术与功能安全的进步。在电力电子领域，工程师正采用碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等宽禁带半导体，以实现更高的开关频率并降低损耗。同时，电池与整车架构也正由400V向800V甚至更高电压平台演进，从而支持更快充电速度与更高的功率密度。在所有领域中，由于电池管理、电机、逆变器与充电系统的控制算法日趋精密，软件复杂度也在持续攀升。
图片来源: 速羚高特（Speedgoat）
这些趋势正在改变电动汽车动力总成的工程开发与验证重心。随着更高的电压、更快的开关器件，以及更复杂的控制软件相互交汇，系统关键行为往往由其之间的交互作用共同决定。高压测试所存在的固有安全风险，且完整充放电循环耗时可达数小时，但在真实硬件上复现罕见却对安全至关重要的故障工况，这种做法既昂贵又不切实际。因此，随着开发周期不断缩短、监管审查日趋严格，工程团队正在转向采用能够实现更早、更快、更安全验证与确认的新方法。
硬件在环（HIL）测试在汽车工程领域早已应用成熟，凭借成熟的实时仿真平台与行业经验，速羚高特（Speedgoat）正助力让HIL成为电动汽车动力总成验证的核心手段。HIL通过将被测物理硬件与周边系统的实时仿真相结合，架起了桌面仿真与全物理测试之间的桥梁。对工程团队而言，HIL既能缩短开发周期，又能应对高电压、快开关器件及软件定义控制所带来的测试限制，此外，它还支持集成到自动化验证工作流和持续集成（CI）环境中。
从模型到数字孪生：速羚高特正致力于提升保真度标准
长期以来，数字孪生一直是硬件在环测试的核心。在电驱动系统中，随着验证工作越来越多地跨越多个物理领域和运行场景，其作用正在不断扩展。如今，电动汽车系统要求数字孪生方案能够做到：融合电气与热行为、捕捉电力电子的快速开关动态，并减少对成本高、测试慢、安全性差的物理硬件依赖。充电标准的迭代与双向能量流动，也增加了对协议仿真和系统级互操作性测试的需求，工程师必须在开发早期就对车载充电机、功率变换器和充电基础设施之间的交互进行验证。因此，当今的HIL数字孪生需要呈现真实的功率流、多域耦合特性以及符合标准的系统行为，才能有效支持电动汽车动力总成的有效验证。
基于模型的开发环境，如MathWorks®的Simulink®及相配套的物理建模库，支持工程师们开发高保真被控对象模型，并可在整个开发生命周期内重复使用。依托在实时仿真领域的深厚积累，速羚高特正致力于协助工程团队将这些数字孪生高效部署到专用实时HIL平台，这样就能够以足够小的步长确定性执行，令被测控制器无法区分仿真与真实电力电子硬件。在这种分辨率下捕捉快速开关动态与瞬态电气行为，模型便可适用于闭环验证与控制系统开发。相比之下，经过简化的模型或运行速度率较慢的模型可能无法复现控制器所观测到的动态效应，限制了其在真实测试中的实用价值。
电动汽车动力总成核心的两大安全关键系统
从安全与验证角度看，电动汽车动力总成中有两个子系统尤为重要：电池系统和牵引驱动。两者均在严苛的电气与热工况下运行，都依赖嵌入式软件进行监控与控制，但它们的物理特性却带来了截然不同的测试需求。由电池管理系统（BMS）管控的电池系统，电气与热动态相对缓慢，其充放电过程可能需要数小时，其物理硬件上的故障工况往往难以复现或极具危险性。而牵引驱动（含逆变器与电机）则伴随着快速开关时间和高频动态运行，这需要极高的时间分辨率才能进行准确仿真。理解这些差异特性，是制定有效HIL验证策略的基础。
BMS验证：应对测试耗时挑战
BMS如今已成为现代电动汽车中最关键的安全部件之一。随着电池组向更高电压、更高功率密度发展，BMS软件必须要管理日益复杂的任务，包括电芯均衡、热管理、故障检测，以及荷电状态（SOC）与健康状态（SOH）的精确估算。其中许多估算器都融合了高级算法和数据驱动技术。
对BMS行为进行物理验证，不仅耗时，且存在风险。单次充放电循环可能耗费数小时，这令回归测试难以实施。在真实电池硬件上人为诱发过流、过温或短路等故障非常危险，且可能损毁昂贵器件。这些限制往往导致在最需要建立测试信心的环节，测试覆盖率反而不足。
HIL测试通过用实时数字孪生和专用的电芯级仿真硬件替代物理电池，解决了上述难题（图1）。可堆叠的电芯仿真单元使工程师能够以电芯级电压精度仿真完整的电池组，让BMS控制器能够与逼真的虚拟电池交互。测试系统还可集成专用模块，用于仿真温度传感器、注入电气故障，并为被测控制器提供安全隔离。电源和信号调理硬件可进一步仿真高低压电池组，并在测试中监测电流与电压。工程师能大幅加速测试循环、安全注入故障，确定性方式重复测试。此类配置与功能安全工作流高度契合，支持符合ISO 26262标准的验证，同时避免人员或设备暴露于不必要的风险中。
图1：HIL测试通过实时数字孪生和专用电芯级仿真硬件替代物理电池，解决BMS验证挑战
电力电子与电机驱动：纳秒级精度至关重要
BMS的行为变化发生在较长的时间尺度上，电机驱动与电力电子的特性则恰好处于另一极端。为提升效率、降低损耗、实现紧凑设计，牵引逆变器和电机越来越多地采用高开关频率运行。宽禁带器件的应用更进一步提升了开关速度，将相关的动态相应推至微秒甚至纳秒级别（图 2）。
图2：牵引逆变器和电机日益采用极高的开关频率运行，以提高效率、降低损耗、实现紧凑设计。
在这些条件下验证控制行为，要求仿真平台能够捕捉快速开关事件、电流纹波、转矩纹波以及与电磁兼容性相关的效应。牵引电机和逆变器的性能受电气、热与机械动态的紧密耦合所支配，这些交互必须在被控对象模型中连贯一致地呈现。仅依靠传统的基于CPU的实时仿真，可能缺乏精确捕捉高频开关行为所需的时间分辨率。
CPU-FPGA混合 HIL架构通过将模型执行分配到不同处理域，来应对这一挑战。逆变器开关转换、PWM交互等对时序要求最严苛的部分，可在 FPGA 硬件上以纳秒级分辨率执行，而较高层级的电气、热学和机械动态则保留在多核CPU上运行。这种多域协同的处理方式确保了确定性执行和真实的功率流，使得逆变器短路等对安全至关重要的场景能够进行可重复的测试，而这些故障工况在物理硬件上复现是极其危险的。在统一建模环境中实施这些工作时，工程师能够快速迭代设计，无需在不同工具链之间转换模型。
互操作性与充电标准：测试未知场景
除核心动力总成外，电动汽车开发者还面临着充电互操作性方面日益严峻的挑战。全球充电生态系统依然呈碎片化态势，多种标准和地区差异定义了不同的通信协议以及功率传输特性，包括时序控制、握手序列和故障处理。整车厂和供应商无法仅依靠物理基础设施，来遍历测试所有充电站的配置情况。
速羚高特HIL测试方案通过协议和系统仿真提供了一种切实可行的替代方案。通过仿真充电站、车载充电器及相关电网接口，工程师可以在开发早期验证通信协议栈、标准合规性、时序、握手流程和故障处理能力。模块化I/O和可配置接口允许单个HIL测试系统能够适配不同标准，无需重建整个测试系统。这种方法减少了对外部基础设施的依赖，并有助于车辆投放市场之前就提前发现互操作性问题。
自动化、持续集成与未来测试实验室
随着电动汽车系统演进，HIL正从交互式开发与调试，不断扩展到自动化验证工作流。HIL测试系统越来越多地被深度接入到CI环境中，在这种流水线中，软件更新会自动在实时硬件上触发回归测试。
基于模型的开发环境支持脚本化测试执行、需求追溯与自动化结果报告，从而为这一转型提供了底层支撑。在嵌入式开发中，随着控制软件变得日益复杂，CI结合自动化测试，有助于在早期发现系统集成问题，并显著降低回归错误风险。
数字孪生、实时HIL平台和面向CI的工作流之间更紧密的耦合，正在影响测试环境的架构方式。模块化的机架式HIL系统可以随整车项目同步无缝扩展，覆盖从部件级验证到高层系统与虚拟整车测试的全部需求。
因此，HIL测试正在被更早地引入到汽车开发周期中，而不再仅仅用于最终验证阶段。结合高保真模型和结构化自动化，HIL支持更快的迭代、提升软件变更可信度，并切实助力了电动车辆系统更安全的开发。
关于速羚高特
速羚高特®是行业领先的实时测试系统供应商，致力于加速控制设计与嵌入式控制器的开发与测试进程。速羚高特的测试系统基于MathWorks® MATLAB®与Simulink®运行，为持续集成与测试打造无缝的一体化工作流。从汽车、航空航天到能源与工业自动化，诸多行业的工程师与科研人员都非常信赖速羚高特，并将其作为控制设计创新与硬件在环（HIL）测试的理想选择。
速羚高特成立于2007年，总部位于瑞士伯尔尼利贝费尔德，致力于赋能全球企业以更快的速度和更强的信心，将创新成果推向市场。
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