隨著汽車電氣化的發(fā)展，整車用電量增加，且對(duì)低電壓電源系統(tǒng)的要求更加苛刻。寶馬集團(tuán)為低電壓車載電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)并開發(fā)了數(shù)字孿生。憑借新定義的驗(yàn)證方法和系統(tǒng)級(jí)物理和數(shù)字孿生的開發(fā)，可以模擬和仿真高度動(dòng)態(tài)的過(guò)程，對(duì)低電壓電源系統(tǒng)全面施壓，從而快速確定薄弱環(huán)節(jié)，縮短開發(fā)時(shí)間并降低成本。

寶馬如何用虛擬方法進(jìn)行低電壓電源系統(tǒng)的開發(fā)

寶馬的終極目標(biāo)是改用虛擬方法進(jìn)行低電壓電源系統(tǒng)的開發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生。因此，對(duì)于連接到電源系統(tǒng)并影響電源系統(tǒng)行為的組件而言，需要使用精確模型。跨越多個(gè)汽車安全完整性等級(jí)(ASIL)的安全相關(guān)組件包括制動(dòng)器、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、風(fēng)擋刮水器、前燈、中央電子控制單元(ECU)以及用于目標(biāo)識(shí)別的傳感器。電力電子驅(qū)動(dòng)的機(jī)器、音頻增強(qiáng)器、風(fēng)扇和放大器等大功率組件會(huì)影響電源系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。因此，電源和線束需要精確模型。

作為第一步，寶馬在組件級(jí)測(cè)試臺(tái)上對(duì)物理組件進(jìn)行了特性分析，從而改進(jìn)了這些模型。之后，他們通過(guò)道路測(cè)試并在實(shí)驗(yàn)室中重新回放這些現(xiàn)象，記錄了電子行為。最后，寶馬開發(fā)出了一款系統(tǒng)級(jí)測(cè)試臺(tái)作為實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的物理孿生(請(qǐng)參見圖01)，用于相對(duì)于現(xiàn)實(shí)驗(yàn)證數(shù)字孿生的結(jié)果。寶馬將道路測(cè)試中記錄的電波形注入到物理和數(shù)字孿生的電源系統(tǒng)中，進(jìn)一步優(yōu)化仿真。物理孿生還包括模擬和仿真技術(shù)，以便通過(guò)注入干擾，模仿真實(shí)的駕駛、啟動(dòng)和故障行為。

在寶馬實(shí)現(xiàn)這個(gè)多階段模型特性分析和驗(yàn)證流程(包括上述系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證測(cè)試臺(tái))之前，虛擬開發(fā)已經(jīng)成功提供了長(zhǎng)期過(guò)程(例如行駛周期)的有效結(jié)果。首個(gè)低壓車載電源系統(tǒng)測(cè)試臺(tái)通過(guò)適當(dāng)負(fù)載有初步改善，不過(guò)還沒(méi)有考慮高動(dòng)態(tài)的影響。

隨著功能安全的進(jìn)一步開發(fā)，尤其是高度自動(dòng)駕駛汽車(HAV)和完全自動(dòng)駕駛汽車(FAV)的重點(diǎn)開發(fā)，故障安全功能和故障運(yùn)行功能變得更加重要。同時(shí)，這些安全功能和現(xiàn)有的非安全關(guān)鍵型設(shè)備和子系統(tǒng)(例如暖通空調(diào)系統(tǒng))都連接到同一個(gè)能量(電壓)源。這可能會(huì)給安全相關(guān)組件以及舒適系統(tǒng)帶來(lái)嚴(yán)重影響。憑借新定義的驗(yàn)證方法及系統(tǒng)級(jí)物理和數(shù)字孿生的開發(fā)，可以模擬和仿真這些高度動(dòng)態(tài)的過(guò)程，對(duì)低電壓電源系統(tǒng)全面施壓，從而快速確定薄弱環(huán)節(jié)，促進(jìn)設(shè)計(jì)和采取適當(dāng)?shù)膽?yīng)對(duì)措施。

NI的產(chǎn)品如何發(fā)揮作用

在這一部分，我們將詳細(xì)介紹，寶馬如何使用NI的產(chǎn)品搭建測(cè)試系統(tǒng)。

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利用能夠高速進(jìn)行高精度測(cè)量和過(guò)程細(xì)化的高性能模塊化儀器，滿足前述要求。模塊化設(shè)計(jì)支持可自定義的測(cè)試應(yīng)用。NI的實(shí)時(shí)PXI系統(tǒng)可滿足這些要求。儀器充當(dāng)中央測(cè)試系統(tǒng)和主連接，可保證無(wú)縫集成全面協(xié)調(diào)(時(shí)間、觸發(fā)器、同步)整個(gè)系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證測(cè)試臺(tái)所需的所有必要測(cè)量和控制功能。

PXI硬件通過(guò)工程軟件產(chǎn)品(包括LabVIEW和VeriStand)進(jìn)行控制。除此之外，測(cè)量系統(tǒng)架構(gòu)允許將第三方工具和設(shè)備完全集成到整個(gè)裝置中，從而保留這些工具和設(shè)備上的現(xiàn)有儀器(例如用于殘余總線仿真的Vector CANoe)。這款基于軟件互聯(lián)PXI的測(cè)試系統(tǒng)已經(jīng)成為一種全功能解決方案，可以處理第三方設(shè)備的通信總線仿真、測(cè)量和控制，例如電子負(fù)載、源和內(nèi)部開發(fā)的原型，以及用于安全環(huán)境的邏輯接口，其中包括安全開關(guān)、繼電器、斷路器等(請(qǐng)參見圖02)。

建立的測(cè)量裝置支持開發(fā)高度自動(dòng)化的測(cè)試序列，從而在整個(gè)驗(yàn)證工作流中實(shí)現(xiàn)以前從未實(shí)現(xiàn)過(guò)的可重復(fù)性。當(dāng)前系統(tǒng)的前代產(chǎn)品是作為慕尼黑工業(yè)大學(xué)與寶馬之間的一個(gè)合作項(xiàng)目而開發(fā)的，因此寶馬對(duì)于可重用的高性能模塊化儀器擁有很多積極體驗(yàn)。模塊化儀器還可滿足苛刻的要求，例如高頻測(cè)量(>3 MS/s)、與第三方產(chǎn)品的通信、測(cè)試自動(dòng)化功能和結(jié)果報(bào)告的自動(dòng)生成。此外，軟件工具鏈非常全面，無(wú)論是專家還是學(xué)生，都可以獲得簡(jiǎn)單的測(cè)試解決方案。

而且，PXI系統(tǒng)的模塊化和可擴(kuò)展設(shè)計(jì)支持在任何時(shí)間點(diǎn)擴(kuò)展和調(diào)整測(cè)量和控制功能，因此可以對(duì)裝置進(jìn)行優(yōu)化，從而輕松且經(jīng)濟(jì)高效地應(yīng)對(duì)未來(lái)的挑戰(zhàn)和要求。像SCB-68接線盒以及SH96連接器和電纜這樣的標(biāo)準(zhǔn)化連接概念細(xì)節(jié)雖然簡(jiǎn)單，但功能強(qiáng)大，必要時(shí)可以輕松地升級(jí)系統(tǒng)以增強(qiáng)性能。

所用模型可直接從組件供應(yīng)商采購(gòu)，也可由寶馬自己開發(fā)。所用仿真工具和編程語(yǔ)言包括MathWorks MATLAB和Simulink軟件、Plexim PLECS、Python、Modelica Dymola等。內(nèi)部開發(fā)的模型通常通過(guò)系統(tǒng)識(shí)別方法生成，并且/或者通過(guò)從每個(gè)組件獲取電流或功率曲線來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以便執(zhí)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)備特性分析。這同樣包括測(cè)量反向高動(dòng)態(tài)電流脈沖和故障注入行為。用于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行負(fù)荷測(cè)試的信號(hào)的范圍為0 kHz至150 kHz。獲取的曲線隨后導(dǎo)入仿真系統(tǒng)作為查找表，以便進(jìn)一步微調(diào)和改進(jìn)現(xiàn)有模型。

降低成本、縮短開發(fā)時(shí)間，寶馬都做到了

借助這種驗(yàn)證低電壓電源系統(tǒng)的新方法(包括物理和虛擬測(cè)試技術(shù))，寶馬能夠利用新模型開發(fā)方法設(shè)計(jì)全新模型。目前可以在整個(gè)設(shè)計(jì)和開發(fā)過(guò)程中更早地發(fā)現(xiàn)新缺陷，從而縮短開發(fā)時(shí)間并降低成本，因?yàn)?a target="_blank">工程師可以快速追蹤到初始的更高質(zhì)量原型。生成的數(shù)據(jù)和見解可以與供應(yīng)商和寶馬內(nèi)部相關(guān)人員共享，從而進(jìn)一步改進(jìn)其模型。

由于對(duì)前述物理-數(shù)字設(shè)計(jì)流采取了穩(wěn)定性應(yīng)對(duì)措施，目前某些已使用模型的運(yùn)行速度提高了95%，而在10 kHz至100 kHz范圍內(nèi)對(duì)電源系統(tǒng)的干擾已經(jīng)降低了75%。此外，在150 kHz以下的頻率范圍內(nèi)，新模型和改進(jìn)模型與真實(shí)組件相比，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)小于5%的偏差。因此，據(jù)PANDA項(xiàng)目等研究計(jì)劃預(yù)測(cè)，寶馬有信心將開發(fā)周期加快20%，從而通過(guò)數(shù)字設(shè)計(jì)縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。

該解決方案中用到的NI產(chǎn)品如下：

PXI系統(tǒng)

基于FPGA的多功能I/O

VeriStand

LabVIEW

原文標(biāo)題：開發(fā)周期加快20%，寶馬是如何利用數(shù)字孿生方案做到的?

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審核編輯：湯梓紅