电动汽车功率控制单元软件数字化设计的研究综述及展望︱浙江大学( 十 ) 作为纯电动汽车的核心零部件

2）数学建模的速度提升
碳化硅等高频器件的应用，将PCU软件数字化设计推向了微秒级别以下的时间尺度，加之实时、在线的应用本身对速度的约束十分严格，进而对计算速度提出了更高的要求。随着时间尺度变小，对频率最为敏感的开关元件，其模型保真度与速度间的矛盾将逐渐加深，亟需进一步的创新。因此探索从数字平台的硬件升级、数学建模的等效分割到数值算法的并行加速三个维度的综合优化方法，是未来数字化设计的重要方向。
3）数值算法的求解创新
电驱动系统混合了连续状态与离散事件，加之其高频化趋势的不断加深，使其时间尺度的跨度逐渐加大，刚性问题愈发严重，数学特征的变化使传统数值算法的匹配应用效率有限。因此从算法结构上设计新的求解架构，并配合步长算法与数值求解的优化，是数值算法在电驱动应用场景下仍需进一步研究的内容。
4）数值稳定的综合优化
随着电动汽车体量的不断增长，电驱系统软件设计的方案各异，加之电动汽车复杂运行场景下状态机的频繁切换，势必对数值稳定性的范围和兼容性提出了更高的要求。因此，需要系统性地构建能反映数值稳定的综合判定方法及其优化方法，扩大数字化设计的数值稳定域。
实现电动汽车功率控制器乃至电力电子装置的数字化设计，需要分步完成数字平台的自主研发、中控系统的衔接集成、自动迭代的智能系统。当前，面对国内外技术进程的差距与技术封锁的国际形势，数字平台的自主研发是数字化设计的基础与核心，也是抓住工业国产化趋势与机遇的关键。 S-HIL作为数字平台构建数字工具链的重要一环，是自主研发的难点，以S-HIL作为切入点，探索制约数字平台的共性技术问题是发展数字化设计的基础。

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图22信号硬件在环系统架构
以S-HIL为例，系统包含物理侧的实际控制器与数字侧的HIL以及观测设备。 HIL包含上位机、数字平台和转接电路，如图22所示。其中数字平台的硬件环境采用CPU+FPGA的结构，分别通过两块集成板卡经PXIe的背板总线连接。
在数学建模上，首先将多时间尺度的电驱动系统进行解耦粗分割，秒级时间尺度的机械模型在CPU中完成，微秒级的电力电子模型在FPGA中完成，以此降低系统的刚性；其次在采样和模型上根据计算特征和资源匹配做进一步的协同优化，利用CPU多核与FPGA并行运算的特点，将模型细分为适合并行及流水线运算的模型，以匹配高频化的小步长运算，并同时优化小步长瓶颈的开关模型，提高保真度。
在数值算法上，完成模型解算的同时，通过并行等效、串行计算向量化以及串行同步转异步并行等方式对数值求解进行加速，并利用数字侧的高自由度与灵活性，优化数值增长因子和奈奎斯特稳定，提高数值稳定域。
随着未来计算能力和数据能力的提升，数字化设计将会具有更进一步的应用前景。计算能力的提升使得数字化设计不会仅仅局限在对实际系统的辅助设计验证，同时扩大数字平台的范围至车辆在环（vehicleintheloop）甚至人在回路（humanintheloop），利用数字系统与实际系统的实时联动，提升对物理系统的认知、诊断和预测。数据能力的提升将能应对汽车层面的复杂性和不确定性，提升系统的智能化水平，为电动汽车的发展带来更深刻的影响。
5结论
电动汽车的高安全性和高可靠性给PCU的设计验证带来了功能范围高覆盖率和验证环节高效率的挑战。数字化设计利用其灵活、高效、智能的特点，通过合理变换PCU控制系统与被控对象的数字化方式，以覆盖PCU软件从控制算法到功率单元全研发周期的宽范围设计验证需求；通过数学建模和数值算法的优化，提升数字化设计的速度和保真度，满足PCU每个设计验证环节的高效率。