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( 四 ) 作为纯电动汽车的核心零部件

1.5硬件在环（HIL）
根据运行的功率等级， HIL分为信号硬件在环（Signal-HIL,S-HIL）与功率硬件在环（Power-HIL,P-HIL）。电驱动系统S-HIL的结构如图9所示，控制系统搭建在实际控制器中，被控对象搭建在实时仿真器中。

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图9电驱动系统信号硬件在环结构
S-HIL的验证范围同样包含硬件控制器，但与PIL不同， S-HIL的被控对象虚拟在实时仿真器里，如图10a所示。与其他离线的数字平台相比， S-HIL能够实现实时的数字化设计，因此对运算速度的约束要求更高。实时仿真器通常包含性能强大的计算内核，能够实现步长1μs以下的定步长实时计算，适合电力电子电路小时间尺度的数字化设计，如RT-LAB ， dSPACE等。 S-HIL在保真度、速度等方面均有强大的表现，是PCU数字化设计中最受关注的数字平台。但S-HIL通常需要定制化配置硬件资源和软件服务，导致其造价昂贵。

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图10硬件在环应用案例
P-HIL在硬件控制器的基础上，将验证范围扩大到功率级，其控制系统搭建在功率控制器中，被控对象搭建在同功率等级的功率放大电路中，而非实时仿真器里，电驱动系统P-HIL结构如图11所示。功率放大电路采用灵活与高效的电力电子拓扑，可以是PCU ，如图10b所示，也可以是其他装置，如MMC等。 P-HIL能完成PCU软件及部分软硬件集成的设计验证，是良好的动力台架替代方案。
AVL与Scienlab开发的工业级P-HIL ，分别采用了多电平拓扑和共交流母线的功率循环结构作为功率放大电路，支持大功率高频电驱动系统的集成验证。与动力台架相比，其负载更加灵活，能够完成各种故障工况的测试，且更安全。由于P-HIL相当于在虚拟的数字侧与实际的物理侧增加了功放电路和传感电路，极大地引入不稳定源，受制于功率拓扑的结构和算法设计， P-HIL的高保真度模型和有限的运行边界，是其主要的设计挑战。

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图11电驱动系统功率硬件在环结构
针对PCU的数字平台综合比较见表1 。数字平台由于在功能范围、保真度、速度、复杂度上的折中，导致单一的结构无法覆盖整个研发周期的所有设计验证需求，但基于数字化技术灵活的特点，能够将多种数字平台构建成数字工具链，以扩大PCU软件的设计验证范围，提高全研发周期的设计验证覆盖率，满足图3中V型设计软件开发各阶段的不同设计验证需求。

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表1数字平台的综合比较
随着多核处理器CPU、并行计算的GPU、FPGA与集成不同计算单元的片上系统（SystemonChip,SOC），以及计算机集群在数字平台中不断被应用，数字平台的硬件技术朝着并行化、分布式的方向发展，极大地提升了数字平台的计算性能。 PCU的数字化设计会朝着基于模型的开发理念，即V型的上层基于模型化，下层操作系统化。设计者仅需在顶层思考面向应用的设计，底层通过数字工具链完成自动化的设计验证。
但目前，各阶段之间的数字平台大多彼此独立，衔接度不高，缺少整体的调度核心，导致上层的设计执行至下层可能并非全局最优，需要重新迭代，存在一定的局限性，数字化的计算资源没有被充分利用。因此设计面向全局优化的中控调度系统，综合统筹数字平台的一体化最优设计是未来的发展方向。