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( 三 ) 作为纯电动汽车的核心零部件

文章图片
图5电驱动系统快速原型机结构
1.3软件在环（SIL）
SIL的控制系统与被控对象也均搭建在商用软件之中，电驱动系统软件在环结构如图6所示，但SIL的控制系统由真实的程序代码实现，如PLECS中的CScript[17]与PSIM中的DLL[18]等提供了程序代码与商用软件的接口。 SIL适用于软件开发程序代码阶段的设计验证，如程序逻辑、编程规范等。
但同时，由于SIL使用的仍是非目标控制器的计算内核，根据汽车开放系统架构（AutomotiveOpenSystemArchitecture,AUTOSAR）定义的标准， SIL仅仅适合于控制系统中应用层软件（ApplicationSoftware,ASW）的程序代码验证，而基础层软件（BasicSoftware,BSW）的程序代码，如寄存器配置、内存分配、时序配合及程序的运行时间与溢出状况等无法验证，如图7所示。

文章图片
图6电驱动系统软件在环结构

文章图片
图7软件在环应用案例
目前，基于模型的设计（ModelBasedDesign,MBD）方式盛行于工业界，其免去了代码的编程过程， MIL中控制系统部分的模型可以直接生成程序代码，等价为SIL ，使开发过程更加自动化。
1.4处理器在环（PIL）
PIL的控制系统与目标控制器保持一致，而被控对象是虚拟的，其可以搭建在商用软件中或实际控制器中。根据搭建环境的不同， PIL的结构分多种。图8a结构的PIL将程序代码的范围扩大到了BSW ，能够部分模拟底层的配置程序，如PLECS中的PIL模块等，因此能极大程度地逼近真实的程序代码；同时，控制系统也能脱离离线的运行环境，如图8b所示，将范围扩大到硬件控制器，而被控对象可以虚拟在商用软件中，二者通过通信接口进行数据交互，也可以随控制系统一起搭建在硬件控制器中，如图8c所示，实现模型自闭环的内部仿真。
PIL适用于硬件控制器阶段的设计验证，其关键在于处理器的内容是真实的。图8a模式的PIL没有完全摆脱SIL的缺陷；图8b结构的PIL仍在CPU环境下计算，速度较慢；图8c结构的PIL能实现数字平台的实时化，其运行速度更快，验证范围更广，是PCU软件数字化设计的新形式。

文章图片
图8电驱动系统处理器在环结构
此外，图8c结构的PIL能实现两大功能：脱离测试环境的单板仿真与结合实时控制的在线仿真。对于单板仿真，控制系统与被控对象在硬件控制器内形成在环仿真，能够摆脱对测试环境的依赖，对于现场应用和测试工具紧缺的环境具有独特的优势；对于在线仿真，控制系统一方面控制真实的被控对象，另一方面运行在环的虚拟被控对象，虚拟的物理对象相对真实的物理对象形成数字孪生（DigitalTwins,DT）。
虚拟孪生体根据实际物理对象的采样，实时校正在环仿真结果并更新孪生体的数学模型，其能超越物理传感器的限制，获取系统的中间物理状态，形成多源传感系统，优化控制器，以实现对系统的全局监控、状态预测和健康管理。
PIL由于其功能范围与其他结构的数字平台重叠，因此常被学术界与工业界忽视。但对于MBD的开发模式，由于核心代码自动生成，因此PIL对于程序代码的等效性及代码生成工具的正确性验证具有独特且重要的意义。另外， PIL对控制系统的贡献是数字化设计的新模式。但有限的计算资源与模型的保真度之间的矛盾，是其主要的挑战。