通過硬體在環模擬加快斯巴魯混合動力車的測試速度
如今，汽車配備了大量的ECU來管理汽車的豐富功能和高級控制需求。 對於混合動力車，馬達ECU發揮著更複雜的角色，除了要管理自身的動力系統之外，還要管理傳統引擎和電子馬達之間的交互。
富士重工業株式會社是斯巴魯的母公司，開發出首款混合動力車：Subaru XV Crosstrek Hybrid。 斯巴魯最初的想法是為日本國內和北美市場提供一款量產的混合動力車款。 斯巴魯的工程師開發出用於早期混合原型的馬達ECU，不過該元件無法滿足嚴苛的汽車上市需求。 量產車型的ECU必須具備豐富的控制功能，才能夠在各種運行條件下避免車體損壞、確保駕駛員與乘客安全，即使是在實體硬體測試中不可能出現或不切實際的情況也是一樣。
全新的Subaru XV Crosstrek Hybrid，使用NI HIL平臺完成測試
例如，在路面結冰的駕駛條件下，
斯巴魯的工程師把ECU連接至即時電動機模擬來測試和驗證各種條件，
● 在各種條件下驗證ECU的功能，包含難以建立或複製的極端環境
● 將測試用例與需求關聯起來，確保完整的測試覆蓋範圍
● 輕鬆執行回歸測試，以便快速驗證設計反覆運算
為了實現上述目標，斯巴魯的工程團隊採用V型模式來啟動設計與驗證過程(圖 1)。 圖中顯示的是一種適用於嵌入式軟體設計與部署驗證的分段式方法，其中包含了每個階段的測試點。 在設計過程的多個階段中，團隊會需要使用硬體在環(HIL)系統，
圖 1. 發動機ECU的開發過程（V型模式）
成功的系統NI開發了一個全新的驗證系統，由一個真實發動機ECU和一個模擬發動機運行的HIL系統組成，如圖2所示。 HIL系統可通過設置電感和電阻等物理參數來類比馬達各種運行條件。 此外還可以設置故障條件等各種電力電子參數以及不同的測試情境，比如說不同負載扭矩和轉速的組合。 只需在測試期間修改一個參數，HIL系統就可以輕鬆模擬複雜的測試情境，例如上述失去牽引力的情況，甚至是可能會損壞實體硬體的逆變器電力電子故障。 如果操作人員需要某種測試模式，HIL系統就會像實際發動機一樣進行回應，而且還可以交叉引用整體系統回應，以便確認控制人員可安全操控測試用例。
圖2. 基於HIIL系統的驗證環境
由於這個過程所需的計算性能非常高，斯巴魯認為NI是唯一能夠滿足這些需求的供應商。 斯巴魯的核心系統硬體採用NI FlexRIO FPGA模組，這是一款搭載FPGA晶片且基於PXI的控制器。 這些模組會執行一個用於類比發動機運行的模型，所有程式均使用NI LabVIEW系統設計軟體進行部署。
斯巴魯以Excel試算表的形式創建了一個測試情境，循序執行每個測試模式。 我們把執行時間步長設置為1 ms，並且按照時間先後順序在Excel試算表中描述測試條件，包括扭矩和轉速。 發動機ECU會根據這些條件運行，並將信號（如脈寬調製信號）發送至HIL系統。 HIL系統收到這些信號後，就會模擬實際發動機的運行。 具體來說，運算過程執行後，結果將以與實際發動機相同的速率輸出。 所得出的代表扭矩和三相電流的信號將會返回至發動機ECU。
斯巴魯使用LabVIEW自動執行驗證過程，讀取和執行測試情境的Excel試算表，並且把獲取到的結果自動寫入Excel試算表，以便生成測試報告。 針對此過程，斯巴魯的工程團隊在Excel內使用Visual Basic for Applications。
選擇NI平臺的優勢在HIL系統中，模擬迴圈速率 (相當於模擬的時間解析度) 是一個關鍵要素。 對於發動機ECU，迴圈速率必須低於1.2 µs才能使模擬器運行。 其他廠商的大多數模擬平臺都會在CPU上執行運算，導致迴圈速率介於5 µs ~ 50 µs之間。
Subaru XV Crosstrek Hybrid動力總成
NI FlexRIO使用FPGA進行控制和運算來滿足處理需求，這也給運算處理性能帶來了極大的優勢。 斯巴魯之所以決定採用NI FlexRIO平臺主要是因為該平臺可達到1.2 µs的模擬速率。 此外，NI FlexRIO內置有高容量的動態隨機存取記憶體，這允許斯巴魯使用JSOL公司的JMAG軟體工具鏈所提供的JMAG-RT模型， 從而使得該系統能夠非常逼真地呈現真實發動機的高度非線性特性。
而且斯巴魯的工程師能夠使用NI LabVIEW FPGA模組在NI FlexRIO設備上以圖形化方式程式設計FPGA，從而能夠在短時間內使用FPGA技術開發系統，無需學習硬體描述語言等基於文本的語言。
所有開發出來的測試模式僅在118個小時內就能自動執行完畢。 手動執行所有測試的話大約需要2,300個小時。 自動化測試還可以降低風險，減少因手動測試出錯而多花費的時間。 HIL系統還可大幅減少安裝設置步驟，例如發動機測試平臺和測試汽車的準備工作，從而進一步節省了開發時間，而且該系統也不需要測試人員具備高壓設備操作資格。
工程團隊針對每個測試情境都事先準備一個Excel試算表，用於測試結果報告以及每隔1 ms保存一次模擬扭矩和三相電流值。 HIL測試得到的值會按順序寫入Excel表格並與預期的值進行對比來確定測試結果的品質。
由一個真實發動機ECU和一個模擬發動機運行的HIL系統組成，如圖2所示。 HIL系統可通過設置電感和電阻等物理參數來類比馬達各種運行條件。 此外還可以設置故障條件等各種電力電子參數以及不同的測試情境，比如說不同負載扭矩和轉速的組合。 只需在測試期間修改一個參數，HIL系統就可以輕鬆模擬複雜的測試情境，例如上述失去牽引力的情況，甚至是可能會損壞實體硬體的逆變器電力電子故障。 如果操作人員需要某種測試模式，HIL系統就會像實際發動機一樣進行回應，而且還可以交叉引用整體系統回應，以便確認控制人員可安全操控測試用例。圖2. 基於HIIL系統的驗證環境
由於這個過程所需的計算性能非常高，斯巴魯認為NI是唯一能夠滿足這些需求的供應商。 斯巴魯的核心系統硬體採用NI FlexRIO FPGA模組，這是一款搭載FPGA晶片且基於PXI的控制器。 這些模組會執行一個用於類比發動機運行的模型，所有程式均使用NI LabVIEW系統設計軟體進行部署。
斯巴魯以Excel試算表的形式創建了一個測試情境，循序執行每個測試模式。 我們把執行時間步長設置為1 ms，並且按照時間先後順序在Excel試算表中描述測試條件，包括扭矩和轉速。 發動機ECU會根據這些條件運行，並將信號（如脈寬調製信號）發送至HIL系統。 HIL系統收到這些信號後，就會模擬實際發動機的運行。 具體來說，運算過程執行後，結果將以與實際發動機相同的速率輸出。 所得出的代表扭矩和三相電流的信號將會返回至發動機ECU。
斯巴魯使用LabVIEW自動執行驗證過程，讀取和執行測試情境的Excel試算表，並且把獲取到的結果自動寫入Excel試算表，以便生成測試報告。 針對此過程，斯巴魯的工程團隊在Excel內使用Visual Basic for Applications。
選擇NI平臺的優勢在HIL系統中，模擬迴圈速率 (相當於模擬的時間解析度) 是一個關鍵要素。 對於發動機ECU，迴圈速率必須低於1.2 µs才能使模擬器運行。 其他廠商的大多數模擬平臺都會在CPU上執行運算，導致迴圈速率介於5 µs ~ 50 µs之間。
Subaru XV Crosstrek Hybrid動力總成
NI FlexRIO使用FPGA進行控制和運算來滿足處理需求，這也給運算處理性能帶來了極大的優勢。 斯巴魯之所以決定採用NI FlexRIO平臺主要是因為該平臺可達到1.2 µs的模擬速率。 此外，NI FlexRIO內置有高容量的動態隨機存取記憶體，這允許斯巴魯使用JSOL公司的JMAG軟體工具鏈所提供的JMAG-RT模型， 從而使得該系統能夠非常逼真地呈現真實發動機的高度非線性特性。
而且斯巴魯的工程師能夠使用NI LabVIEW FPGA模組在NI FlexRIO設備上以圖形化方式程式設計FPGA，從而能夠在短時間內使用FPGA技術開發系統，無需學習硬體描述語言等基於文本的語言。
所有開發出來的測試模式僅在118個小時內就能自動執行完畢。 手動執行所有測試的話大約需要2,300個小時。 自動化測試還可以降低風險，減少因手動測試出錯而多花費的時間。 HIL系統還可大幅減少安裝設置步驟，例如發動機測試平臺和測試汽車的準備工作，從而進一步節省了開發時間，而且該系統也不需要測試人員具備高壓設備操作資格。
工程團隊針對每個測試情境都事先準備一個Excel試算表，用於測試結果報告以及每隔1 ms保存一次模擬扭矩和三相電流值。 HIL測試得到的值會按順序寫入Excel表格並與預期的值進行對比來確定測試結果的品質。