｜電動車輛動力系統HIL測試技術與應用

摘要：近一、二十年來，硬體迴路（hardware-in- the-loop, HIL）測試技術被廣泛運用於開發複雜性高且要求即時（real-time）運算之嵌入式系統，此測試技術不僅可大幅降低系統開發之時間與成本，亦可代替風險性高之真實系統測試且有利於測得系統性能邊界，藉以提升系統之安全性與可靠度，故HIL測試技術最先被應用於開發航太與車輛控制系統。本文介紹電動車輛動力系統之HIL測試技術與相關應用，包含結合車載資通訊技術與複式電力驅動系統之智慧電動車研發以及馬達驅動控制器之失效模式分析。

Abstract: In the recent two decades, the hardware-in-the-loop (HIL) testing technique has been widely applied to the development of high-complexity, real-time embedded systems. This technique can not only greatly lower the system development time and cost, but is also able to replace the high-risk testing using the actual system. Moreover, the system performance boundary can be estimated through HIL tests. This article describes the HIL testing technique for the propulsion system of the electric vehicle (EV) and its applications, including the development of an intelligent EV through the integration of telematics and the compound electric propulsion system and failure mode analysis of the motor drive.

關鍵詞：硬體迴路模擬、電動車動力系統、嵌入式系統、能源管理、電子穩定控制

Keywords：Hardware-in-the-Loop Simulation, EV Powertrain, Embedded System, Energy Management, Electronic Stability Control

前言
Hardware-in-the-loop （HIL） simulation是一項廣泛用於開發高複雜度即時嵌入式系統（real-time embedded systems）之虛擬測試與驗證技術，此技術運用擬真程度高之軟體數學模型取代真實的受控系統硬體，並藉由系統整合技術將待測之嵌入式系統輸出、入訊號端與虛擬受控系統模型之輸入、出訊號端相連結，以建構出一套複雜度在可控範圍內之虛擬驗證平台。此平台可提供所開發之嵌入式系統雛形在正式安裝於真實的受控系統前，即可進行高擬真程度之即時模擬，以驗證其功能和進行系統軟/硬體設計之正確性與穩定性檢測。由於此套虛擬測試驗證技術可將嵌入式系統之硬體及一部分受控系統硬體（例如:電動車輛之馬達與驅動器）納入模擬平台之控制迴路當中，故稱之為硬體迴路（HIL）模擬技術。

此技術有利於縮短即時控制系統之產品開發時間及成本，方便系統除錯工作進行，避免最後實體系統驗證階段才發現重大的設計瑕疵與錯誤，亦可透過模擬平台軟體設定進行長時間的系統耐久度與可靠度測試，並可模擬系統在極限狀況下之運作情況，藉以測得系統的性能邊界，故HIL測試技術對於成功開發高複雜度之即時控制系統非常重要，尤其對於極度要求可靠度及安全性之車輛與航太控制系統，HIL測試驗證更是不可缺少的一環。

電動車為當前熱門的產業焦點，更被台灣在內的各國政府視為重要的明星產業，電動車之關鍵技術橫跨電力電子、電機機械、系統控制與電池儲能等領域，以馬達動力系統之開發為例，其所牽涉之技術便與上述幾項技術息息相關，更仰賴系統工程之技術進行馬達、驅動器、傳動系統、電池系統以及全車能量管理系統之軟/硬體整合，本文將著重於電動車輛之HIL測試技術以及相關應用。

電動車輛馬達動力系統HIL測試架構
如圖1所示為電動車輛馬達動力系統HIL之測試架構，其主要包含三部分:馬達驅動器（motor drive）、電動馬達及車輛動力系統負載模型，其中馬達驅動器又包含訊號級（signal level）的控制器及功率級的變頻器/轉換器兩部分，馬達控制器在開發初期可以個人電腦（PC）進行控制演算法的測試，最後再以嵌入式系統的方式實踐，例如本圖中所示之電子控制單元（electronic control unit, ECU）即為一般車用即時控制系統之實踐方式，經由虛擬的車輛傳動系統模型及車輛動力學模型計算得到動力系統的負載，再由實體的馬達動力計（dynamometer）加載在待測的電動馬達上。