1. 半实物仿真测试（HIL）的背景

        多年来，随着法规和标准的逐步严格以及人们对设备安全性、经济性、适应性等要求的不断提升，对控制器软件功能的要求日益增加。主要特点包括：

• 功能的实现是依赖于更多的软件代码、传感器信息、更强的DSP、执行器功能，单纯的实机调试成本越来越高；
• 系统软件中故障诊断等功能逐步增加；
• 很多极端危险的工况无法在实机测试中实施，且有时出现的故障是偶发的，无法复现；
• 用户对系统功能的要求越来越高，产品迭代周期越来越短；

       

如果采用原始的测试手段，即实验室软硬件调试及实机测试，面临很大的问题：

• 需要进行大量的手动测试；
• 无动态仿真功能；
• 没有或者有限的自动操作和可重用性；
• 没有自动化电气故障仿真功能；
• 存在各种各样的操作困难；

 

        基于“虚拟被控对象”技术的半实物仿真测试（HIL，Hardware in the loop）系统，就是针对系统自动化测试，针对用户的开发产品进行建模仿真，并将其运行于与控制器闭环工作的实时环境中，实现对控制器的复杂测试、故障仿真测试、实验室匹配等工作。

 

 

        对比基于真实物理被控对象的测试，半实物仿真测试具有如下优势：

 

对比项	半实物仿真测试(HIL)	真实测试台架
用于控制器硬件测试的原型可获取性	可实现	受限于成本、时间或安全性等因素
实时调整参数和实时监测结果	简单	一般不可能或有限
测试自动化	通过自动化测试软件实现，且可进行测试管理和测试文报告的自动化生成	既昂贵又费时，或者根本不可行
极限工况模拟	可通过模型模拟各种极限工况	极限工况的模拟很难或不可能，且不安全

 

 

2. 半实物仿真测试（HIL）的意义

进行HIL测试可以给用户带来如下收益：

（1）节约成本，降低风险

• 通过增加持续验证和确认的速度和范围来降低成本；
• 测试时间前移：在整机未完成之前，可首先对控制单元软硬件进行实验室的测试，代替部分实际测试，缩短产品测试时间；
• 极限工况测试：在不损坏设备的情况下，进行超出正常参数或被控对象能力范围的测试；
• 故障工况和安全性测试：在实验中即可进行故障的模拟，验证控制器保护功能；
• 通过不断尝试新想法来降低创新成本，即使在没有实际被控对象的情况下也能如此。

（2）缩短上市时间

• 将传统顺序的V模式转换为循环工作流程，以便在尽可能早的阶段对用户的控制器功能设计进行持续的验证和确认
• 与物理设备不同，实时仿真器可以随时轻松实现新的I/O扩展，应对不同的控制器测试

 

 

1. 总体要求

1. 实时仿真平台运行电网仿真模型，来模拟电网的调峰、调频、紧急频率支撑等场景，通过功率硬件在环的方式评价储能变流器的高低电压穿越、高低频响应、一次调频响应、紧急频率支撑等功能的性能如何。
2. 单台储能变流器的信号级硬件在环测试。此时功率电路通过FPGA板卡模拟。测试要求同上。
3. BMS电池管理系统的硬件在环测试（信号级和功率级）。
4. 储能电站模拟平台整系统的硬件在环测试。

 

2. IO接口要求

PCS系统IO接口：

1. 储能电池电流和电压；
2. 直流母线电压；
3. 变流模块输出电流；
4. 电网电压和电网电流；
5. PWM信号；

BMS系统IO接口：

1. 电池电压
2. 充放电电流；
3. 电池温度；
4. 故障信号；
5. 启动信号；

通讯接口类型：

1. CAN接口；
2. 以太网接口；
3. UART串口；
4. EtherCAT；

 

 

 

1. 系统组成

 

 

说明如下：

1. Speedgoat实时仿真机配置i7-4.2GHz处理器，用于模拟电网的调峰、调频、紧急频率支撑等场景，以此评价储能变流器的高低电压穿越、高低频响应、一次调频响应、紧急频率支撑等功能的性能如何。仿真步长50-100微秒。
2. Speedgoat实时仿真机的FPGA板卡用于储能变流器的功率电路的亚微秒级实时仿真，采集PWM信号，DIO信号，输出电流电压传感器的模拟信号，仿真步长100-400纳秒。
3. Speedgoat实时仿真机的通信板卡，提供UART，以太网，CAN等通信接口，用于与控制器之间的通信。
4. Speedgoat实时仿真机利用功率放大器输出相应的高电压，大电流信号与PCS变流器的功率电路相连接。
5. Speedgoat实时仿真机利用电池模拟器输出相应的高电压，大电流信号与BMS系统相连接。
6. PCS控制器，BMS控制器，EMS控制器之间通过硬件和通讯方式连接。
7. Speedgoat实时仿真目标机通过HOSTLINK的Ethernet接口连接上位机，用于实时监视，在线调参，波形查看和记录。
8. 以上为常规情况下的配置，可根据具体情况进行增减。

 

2. 六种测试模式

（1）储能PCS功率级硬件在环测试

        Speedgoat实时仿真主机配置i7-4.2GHz处理器，用于模拟电网的调峰、调频、紧急频率支撑等场景，通过DAC输入模拟信号控制功率放大器，输出三相交流电给储能变流器，再通过ADC采集电网电流，模拟电网的阻抗变化。以此评价储能变流器的高低电压穿越、高低频响应、一次调频响应、紧急频率支撑等功能的性能如何。

 

 

 

（2）储能PCS信号级硬件在环测试

        Speedgoat实时仿真主机配置i7-4.2GHz处理器，用于模拟电网的调峰、调频、紧急频率支撑等场景，FPGA板卡用于储能变流器的功率电路的亚微秒级实时仿真，采集PWM信号，DIO信号，输出电流电压传感器的模拟信号，仿真步长100-400纳秒。以此评价储能变流器的控制算法的高低电压穿越、高低频响应、一次调频响应、紧急频率支撑等功能的性能如何。

 

 

 

（3）储能电站BMS系统的功率级硬件在环测试

        Speedgoat实时仿真主机配置i7-4.2GHz处理器，用于储能电站平台的模拟，通过CAN，UART，Ethernet等接口与BMS控制器进行输入据交换。针对BMS控制器下层的CM（Cell Monitor）控制器，则需要电池模拟器，进行电池单体特性的模拟；此外还可以完成电池总电压、总电流，主正、预充继电器以及绝缘电阻的真实模拟，再配合故障注入单元，进行整个储能电站的BMS系统的功率级测试。

 

 

 

（4）储能电站BMS系统的信号级硬件在环测试

        Speedgoat实时仿真主机配置i7-4.2GHz处理器，用于储能电站平台的模拟，通过CAN，UART，Ethernet等接口与BMS主控制器进行输入据交换，进行储能电站的信号级硬件在环测试。以上信号级BMS硬件在环测试主要针对BMS系统的主控制器。

 

 

 

（5）储能电站EMS控制器的功率级硬件在环测试

        Speedgoat实时仿真主机配置i7-4.2GHz处理器，用于储能电站平台的模拟，通过CAN，UART，Ethernet等接口与EMS主控制器进行输入据交换，进行储能电站的EMS信号级硬件在环测试。

 

 

 

（6）储能电站平台的硬件在环测试

        整个储能电站平台的硬件在环测试。Speedgoat实时仿真主机配置i7-4.2GHz处理器，用于储能电站平台的模拟，通过CAN，UART，Ethernet等接口与功率放大器，电池模拟器，被测试的PCS变流器，BMS控制系统等进行信号交互。

 

 

 

 

3. Speedgoat实时仿真系统软件

        Speedgoat实时仿真系统采用的上位机软件为MATLAB相关组件。具体的划分如下：

 

Speedgoat HIL系统的软件完全基于MATLAB/Simulink，操作方便，入门难度低，工程师可以在短时间内快速掌握使用方法。

 

（1）Speedgoat硬件驱动的Simulink库（Speedgoat Library）

        提供相应板卡的IO接口模块，接口模块如下：

 

Speedgoat IO驱动库

 

       

        整体使用流程如下：

 

 

 

• 该软件库支持直接通过Simulink模块实现对硬件资源的配置和映射。
• 该软件库支持CAN总线通讯，支持对收发的报文进行配置，支持导入dbc文件。
• 该软件库没有license和硬件加密设备限制，不限使用电脑和人数。

 

（2）试验管理软件

        Speedgoat支持三种试验管理方式：

• MATLAB自带的试验管理软件Simulink Real-Time Explorer；
• Simulink的外部模式；
• 用户基于MATAB App Designer灵活开发试验管理软件。

 

（3）Simulink Real-Time Explorer

        采用MATLAB的Simulink Real-Time工具箱自带的Simulink Real-Time Explorer软件，用于上位机界面调试及控制模型运行；Simulink Real-Time Explorer软件提供了充分的灵活性，以保证用户既可以使用自带工具控制模型运行。

 

Simulink Real-Time Explorer

 

• Simulink Real-Time Explorer软件支持以拖放方式建立试验监控界面；
• 支持实时在线调整模型参数、在线观测模型信号波形、记录和保存数据；
• 支持将搭建好的试验监控界面保存为特定格式的文件，后期可通过加载该文件来重现界面，无需重复搭建；
• 支持将试验监控界面导出为exe可执行文件，没有装MATLAB的电脑也可以直接打开exe文件来进行试验管理。

 

（3）Simulink 的外部模式

         Speedgoat支持Simulink的外部模式。

• 无需借助其他软件，直接在Simulink模型界面进行试验管理；
• 支持在Simulink模型上直接实时在线调整模型参数；
• 支持用Simulink自带的Data Inspector工具实时在线观测信号波形和保存数据。

 

Simulink的外部模式

 

 

（4）MATLAB App Designer自定义开发

         Speedgoat提供了API接口，用户基于MATAB App Designer自定义开发试验管理软件。

 

 

4. 自动化测试软件

        Speedgoat支持多种自动化测试方式：

1. 支持专业的自动化测试工具，比如Simulink Test、ECU-Test、TPT等；
2. 支持用户自行用代码构建自己的自动化测试工具，比如m语言、python、C#、C++、C等。

 

5. FPGA仿真模型

        熠速提供基于数学仿真的FPGA模型，可以满足更好开关频率甚至1MHz的开关频率。见微信公众号文章《基于Speedgoat FPGA板卡的兆赫兹开关频率电机控制算法的开发与验证》。

        利用Simulink基本模块就搭建储能变流器 的FPGA模型，如下图所示，还可以在Simulink环境离线验证模型的准确性。

 

基于Simulink的储能变流器FPGA模型整体结构（示例）

 

 

        离线验证通过后，通过HDL workflow advisor，逐步将其转化为位流文件，最后下载至Speedgoat的FPGA板卡中运行。

 

HDL workflow advisor界面

 

 

6. CPU 仿真模型

（1）电池模型

 

 

 

        电池模型是BMS HIL中必不可少的部分。对于电池包模型，常用的建模方式为等效电路方法，即将每节电池等效为2 RC或3 RC电路形式。上海熠速为用户提供集成优化好的电池模型，且无任何加密，可直接进行自定义修改。

        虚拟ECU仿真中集成了充电桩模型，支持国标2015/2011。直流充电机模型中支持通过J1939实现与BMS控制器直接的总线报文交互：

 

充电模型

 

 

7. CM2012高精度多通道电池模拟器

   

 产品简介：

       CM2012为一款小功率、多通道、高精度可编程电池模拟器，电压精度≤1mV，支持0.1mA级电流测量，单机多达12个通道且通道间相互隔离，便于多通道串联使用。CM2012支持远程（CAN/EtherCAT）控制，默认EtherCAT通讯，通讯响应时间≤1ms，支持放电模式、充电模式、主被动均衡测试、SOC测试、序列测试、实时曲线、故障注入等多种测试功能。CM2012系列采用开放式的通讯协议，支持跨平台操控，灵活易用、操作便捷，能满足多通道、多参数、复杂测试环境下测试的需求。

 

 

应用领域：

• 新能源汽车/储能BMS（电池管理系统）、CMS（超容管理系统）、燃料电池CVM
• 电压采集FCT测试

 

主要参数:

电压范围：0 ~ 6V	单机12通道通讯响应时间：≤1ms
电流范围：-1 ~ +1A	200节同步更新通讯响应时间：≤2ms
设定电压分辨率：0.1mV	200节同步输出响应时间：≤2ms
输出电压精度（0.03 ~ 6V）：≤±1mV	通道间耐压（输出对大地）：1500V
回读电压分辨率：0.1mV	支持电池反极性、通道短路、通道开路故障注入
回读电压精度（0.03 ~ 6V）：≤±1mV	具有过压、过流、短路保护功能
回读电流分辨率： 0.1mA	支持热机关断及自动重启功能
回读电流精度：≤±1mA	3.7英寸高清彩屏，开放式通讯协议，支持跨平台操控
超快动态响应，0V到5.2V电压上升时间＜600μs	支持EtherCAT和CAN通讯控制，默认EtherCAT通讯
单机多达12通道，通道间相互隔离，支持多达200节串联	支持充放电、主被动均衡、SOC测试、序列测试、实时曲线等多种功能

 

高精度

        CM2012电压分辨率低至0.1mV，电流分辨率低至0.1mA。高精度和低纹波、低噪声指标使CM2012成为电池模拟应用的首选电源产品。CM2012输出和测量的超高精度可直接用于产品校准、检测环节， 为用户节省外加高精度测量仪器的宝贵投资。

 

 

高集成度

        CM2012在19英寸1U机箱内集成了高达12个可串联的电源通道， 为BMS、CMS及类似大规模高密度生产等场景下的

实验室HIL系统、生产线FCT测试系统提供了极为紧凑的解决方案。

 

 

CM2012输出电压响应速率

 

 

基于simulink操作的实时波形