基于虛擬儀器的電動汽車控制器自動測試系統*

井后華王芳劉志遠吉國煌

（1.哈爾濱工業大學，哈爾濱 150001；2.中國一汽新能源汽車分公司，長春 130122）

基于虛擬儀器的電動汽車控制器自動測試系統*

井后華1王芳1劉志遠1吉國煌2

（1.哈爾濱工業大學，哈爾濱 150001；2.中國一汽新能源汽車分公司，長春 130122）

針對電動汽車動力系統結構特征和測試需求，基于NI虛擬儀器開發了一套電動汽車控制器自動測試系統，并對系統的軟、硬件進行了設計。通過試驗臺架對該系統功能進行了驗證，結果表明，所開發系統可以自動讀取測試用例，模擬傳感器信號和故障注入，實現整車控制器功能測試和動力系統集成測試，并自動生成測試報告，該測試可保證電動汽車控制系統的安全可靠。

主題詞:電動汽車 電控單元 自動測試 虛擬儀器

1 前言

目前以整車控制器（Vehicle Control Unit,VCU）為核心的動力系統電控單元功能不斷豐富，顯著提高了電動汽車的能耗效率和安全性能，但同時VCU及其周邊電子單元的質量也影響了電動汽車的整車性能，因此對整車控制器及其周邊電子單元的測試是保證電動汽車控制系統安全可靠的重要環節。

針對電動汽車控制器測試要求，文獻[1]基于NI Lab-VIEW設計了純電動汽車整車信息監控軟件；文獻[2]、[3]提出了電動汽車控制器在線自動檢測系統的設計方案與實現方法；文獻[4]基于NI LabVIEW和dSPACE實時仿真系統搭建了測試平臺，可以實現對整車控制器硬件接口功能和控制策略的測試和評價；文獻[5]、[6]則分別針對整車控制器功能測試和故障模擬、CAN總線干擾等功能開發了dSPACE硬件在回路測試系統和NI虛擬儀器測試系統。然而，上述測試系統主要依賴于手動方式進行控制系統功能測試，無法自動讀取測試用例或生成測試報告，執行效率較低。

針對上述問題，本文基于NI虛擬儀器開發了一套自動測試系統，該系統可以自動讀取測試用例，模擬傳感器信號和故障注入，實現整車控制器功能測試和動力系統集成測試，并自動生成測試報告，提高了測試效率和準確性。

2 自動測試系統設計

2.1 測試需求分析

待測試的電動汽車動力系統結構如圖1所示。擬開發的測試系統需要具備如下功能：

a.測試VCU及其周邊電氣部件是否正常工作；

b.測試集成VCU、電池管理系統（BMS）、電機控制器（MCU）的動力系統是否正常工作；

c.測試控制器在傳感器或執行器出現故障等異常情況下的處理機制；

d.可以讀取測試用例，自動執行并生成測試報告。

圖1 電動汽車動力系統結構示意

2.2 測試系統結構

針對電動汽車電控單元測試需求，基于NI虛擬儀器構建了自動測試系統，其結構如圖2所示。測試對象包括VCU、MCU、BMS、加速踏板和擋位等組件；測試系統包括NI儀器、CANoe和接口箱等三部分。NI儀器包括數據采集板卡、IO板卡和模擬信號輸出板卡等，可用于信號切換、信號模擬和控制輸出，另外NI儀器還可進行測試用例讀寫和測試報告生成；CANoe用于對電動汽車動力系統總線信息進行監控；接口箱用于連接NI儀器和整車控制器，具有電氣信號調理功能。

圖2 電動汽車自動測試系統結構示意

3 自動測試系統硬件設計

該測試系統硬件設計主要是設計接口箱電路板。根據測試需求，接口箱電路主要包括信號切換電路、信號輸出電路、信號處理電路和故障模擬電路。信號切換電路通過NI儀器控制繼電器通斷，從而實現模擬傳感器信號和實際傳感器信號的切換；信號輸出電路用于模擬傳感器信號，并對NI儀器硬件端口進行保護；信號處理電路可將汽車上0～12 V傳感器信號和繼電器信號調理為NI儀器可采集的0～5 V信號；故障模擬電路介于VCU與其周邊電氣部件（如各類傳感器和驅動負載）之間，通過NI儀器控制繼電器通斷，可以觸發傳感器信號或驅動信號斷路、與地短路、與電源短路等故障。接口箱電路板主要功能模塊如圖3所示。

圖3 接口箱主要功能模塊電路示意

4 自動測試系統軟件設計

針對不同的測試需求和系統特征，分別對VCU功能測試和集成系統測試進行軟件設計開發。

4.1 VCU功能自動測試系統軟件開發

VCU功能自動測試系統軟件結構如圖4所示。VCU功能自動測試主要是對VCU及其接口電路進行基本特性和功能檢測，通過對比分析期望輸出與系統實際輸出結果來進行評測。

4.1.1 LabVIEW與CANoe交互

CANoe是專業的CAN總線分析工具，結合ActiveX接口、環境變量以及信息變量方式，可以實現LabVIEW對CANoe的調用，即：

a.通過LabVIEW提供的ActiveX接口模塊實現CANoe軟件控制，主要包括打開、運行、停止等；

b.在CANoe的DBC文件中定義環境變量，并通過LabVIEW對相應環境變量進行讀寫來實現診斷通信；

c.在CANoe的DBC文件中定義信號名稱，并在LabVIEW中通過對相應信號的讀寫來實現CANoe總線信息讀取。

圖4 VCU功能自動測試系統軟件結構

4.1.2 LabVIEW與測試用例交互

該測試系統采用基于同一個Excel文件編寫測試用例和生成測試報告的方式。Excel文件主要內容包括測試用例和測試結果兩部分，測試用例主要指測試所需的傳感器及其對應數值，分別用測試項和控制參數描述；測試結果主要指根據測試用例測量相應物理信息，并將實測值與參考值進行比較，以檢驗是否滿足預期要求，包括變量信息、判斷關系、參考值、實測值和評價等5部分。

以加速踏板傳感器測試為例，圖5為LabVIEW對Excel文件的讀寫和執行程序。

圖5 LabVIEW讀寫并執行測試用例的程序

4.2 集成系統功能自動測試系統軟件開發

TestStand是可立即執行的測試執行管理軟件，用于組織、控制和執行自動化驗證測試。集成系統功能自動測試軟件開發即基于TestStand進行構架，以LabVIEW為基礎設計底層模塊，實現傳感器信號模擬和信息采集等功能，其軟件結構如圖6所示。該系統軟件開發主要包括Step設計和Sequence設計兩部分。

4.2.1 Step模塊設計

Step主要基于LabVIEW實現，即根據功能封裝不同的VI模塊實現不同的功能，LabVIEW VI模塊功能如表2所列。

圖6 集成系統功能自動測試系統軟件結構

4.2.2 Sequence設計

Sequence是TestStand的核心，主要包括Setup、Main和Cleanup等三部分，每部分按照功能需求依次調用表2中相關Step模塊。Setup是測試準備程序，包括端口初始化、啟動CANoe、執行IG ON；Cleanup是測試完成退出程序，包括執行IG OFF、停止CANoe、端口復位；Main為測試過程，如擋位調節、水溫調節等，可以采用Step或子Sequence實現。

以R擋電爬（即不踩加速踏板時車輛低速行駛）功能測試為例，該測試所采用的Sequence結構如圖7所示，測試主程序Main主要包括啟動測試和R擋電爬功能測試兩部分，二者均采用子Sequence實現，分別由若干相關功能的Step組成。

圖7 R擋電爬功能測試對應的Sequence序列

5 自動測試系統臺架試驗

圖8為參照實際車輛搭建的電動汽車控制系統測試臺架，為便于測試和維護，將前置電機和后置電池分別安裝在兩個萬向輪小車上，所開發的自動測試系統放置在副駕駛員位置，顯示器等操作設備位于駕駛員前方。

圖8 電動汽車控制系統測試臺架

5.1 整車控制器功能自動測試

通過設計測試用例，可以通過該測試系統模擬不同的信號電壓，并檢測系統解析的水溫信息（Motor Coolent Temperature），據此可以獲得該傳感器信號的電壓與溫度關系。通過遍歷該傳感器信號范圍（0～5 V），則可以測試得到水溫傳感器信號的電壓-溫度關系曲線，如圖9所示，根據該測試曲線可完善系統相關模塊參數配置，使其可以準確模擬水溫傳感器信號，進而對溫度變化情況下冷卻風扇控制等功能進行測試。

圖9 測試得到的水溫傳感器電壓-溫度關系曲線

5.2 集成系統功能自動測試

集成系統功能自動測試主要用于對VCU所在動力系統進行功能測試。實際車輛環境復雜，不僅要求系統可以在信號正常的情況下工作，還要求能夠處理各類信號異常的情況，并保證行車安全，為此需要對集成系統的異常處理安全機制進行全面測試，如行駛過程中真空泵故障等。以驅動過程中擋位異常為例，其測試過程為：首先啟動車輛；然后換擋至D擋，電機輸出驅動力矩使電機轉動；模擬擋位傳感器故障，此時VCU識別擋位信號異常，并將其處理為N擋，電機力矩降至0，電機逐漸停止。圖10為驅動過程中擋位信號異常時的測試結果。

圖10 驅動過程中擋位信號異常時的測試結果

通過該測試可以快速對集成系統的驅動功能以及在驅動過程中擋位異常處理機制做出分析和評價。需要說明的是，由于目前臺架上電機沒有連接負載，因此會與實際車輛的驅動響應特性有所差異，但并不會影響對異常處理機制的定性分析。類似地，通過調整Main Steps中具體測試內容就可以按照測試需求靈活設定各種操作和工況，從而在短時間內高效地完成大量復雜測試。

6 結束語

針對電動汽車動力系統結構和測試需求，基于NI虛擬儀器開發了一套自動測試系統。首先，基于Lab-VIEW和EXCEL設計了整車控制器功能自動測試程序，以水溫傳感器測試為例進行了應用，結果表明，該系統可以讀取EXCEL文件測試用例、逐條執行、檢驗測試結果并自動生成報告；然后，基于LabVIEW和TestStand設計了集成系統自動測試程序，以驅動工況擋位異常處理機制為例進行了測試，結果表明，該系統可以實現集成系統的動態協調測試。最后，通過臺架測試也驗證了所開發的自動測試系統的有效性，簡化了測試過程。

1 王克峰.基于虛擬儀器的混合動力電動車車載數據采集分析系統的研制：[學位論文].武漢理工大學,2006.

2 李曉錦,王紅磊,倪計民,等.一種基于LABVIEW的混合動力汽車新型上位機平臺的設計.汽車工程,2013（4）: 312～316.

3 趙剛.基于虛擬儀器的電動汽車數據采集分析系統的研究：[學位論文].武漢理工大學,2007.

4 宋強,王再宙,王志福,等.基于虛擬儀器的電動汽車牽引電機性能測試系統.儀器儀表學報,2007（11）:2019～2023.

5 Bi W,Wang J.Implementation of power system control board test system of the pure electric vehicle//2010 3rd International Conference on Advanced Computer Theory and Engineering(ICACTE),IEEE,2010（6）:177～181.

6 孫瑞,施國梁.電動車控制器自動測試系統的設計與實現.現代電子技術,2013,36（9）:136～139.

7 葉子.基于LabVIEW的純電動客車整車控制器測試系統研究與開發：[學位論文].吉林大學,2012.

8 喬海霞.電動汽車安全驅動控制策略的研究及仿真系統的開發：[學位論文].哈爾濱工業大學,2012.

9 Luo Q,Zhao L,He Z.Development of LabVIEW-based Integration Testing System for Vehicle Electronic Control Unit.// Proceedings of the 32nd Chinese Control Conference.2013: 7704～7709.

10 冷亞楠.四輪獨立驅動電動車車速估計及滑移率控制方法研究：[學位論文].哈爾濱工業大學,2015.

（責任編輯 文 楫）

修改稿收到日期為2016年7月31日。

Automatic Test System for Electronic Control Units of Electric Vehicle Based on Virtual Instrument

Jing Houhua1,Wang Fang1,Liu Zhiyuan1,Ji Guohuang2
（1.Harbin Institute of Technology,Harbin 150001;2.China FAW New Energy Vehicle Branch,Changchun 130122）

According to the structural features and test requirements of electric vehicle powertrain,we developed an automatic test system for electronic control units of electric vehicle based on NI virtual instrument,and completed system hardware and software design.The system function was verified through test bench.The results indicated that the developed system can read test cases automatically,simulate sensors’signals and inject faults,test both the vehicle control unit and the integrated powertrain,and generate test reports automatically.This test can ensure the control system operate safely and reliably.

Electric vehicle,Electronic control unit,Automatic test,Virtual instrument

U469.72

A

1000-3703（2016）11-0025-04

國家自然科學基金(61403105)、教育部博士點專項基金(20132302120018)、黑龍江省博士后科學基金(LBH-Z13103)資助項目。