一、HiL是什么？

硬件在環(huán)仿真（Hardware-in-the-Loop，簡稱HIL）是真的控制器連接假的被控對象，以一種高效低成本的方式對控制器進行全面測試。它是一種用于復雜設備控制器的開發(fā)與測試技術，通過接入真實的控制器，采用或者部分采用實時仿真模型來模擬被控對象和系統(tǒng)運行環(huán)境，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的仿真測試。

實時仿真硬件（也稱HIL測試機柜）就是要盡可能逼真地模擬真實被控對象，以有效地“欺騙”控制器，讓控制器以為它正在控制一個真實的被控對象。

為什么要做HIL測試？開發(fā)出車載控制器后，直接把該控制器放到車上進行路試不可以嗎？主機廠對控制器做HIL測試的原因如下：

1.安全。試想：在路試過程中，車速180km/h，轉向過程中ESP車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)失效，將會發(fā)生什么？控制器如果沒有經過全面的測試，直接去控制真實被控對象，可能會發(fā)生事故。HIL臺架能輔助工程師對測試結果分析驗證，故障再現(xiàn)，提高測試驗證及分析手段。

2.低成本。如果不采取HIL自動化測試，人工路測情況下，需要很大的路測工程師及車輛，在一定程度上大大增加了研發(fā)開支及風險，HIL臺架在確保測試全面可靠的前提下，能夠有效縮短測試周期，降低測試人工及物料成本。

3.測試覆蓋度。HiL測試覆蓋度越高，后期路試測試項目就越低，HiL 自動化測試服務包括一套完整的 HiL 自動化測試用例、自動化測試程序、自動化測試報告、測試問題記錄，進而保證 HiL 測試的高效進行，測試覆蓋度越高，控制器在整車測試、路測過程中風險及成本越低。

HIL測試目的是對控制系統(tǒng)進行全面的深入的功能測試、故障測試、總線診斷測試，自動化測試，并輔助工程師對測試結果分析驗證，故障再現(xiàn)， 提高測試驗證及分析的手段。

二、HiL測試分類：

1、按照功率分分為：信號級HIL及功率機HIL測試。VCU電控即時信號機HIL測試，MCU驅動電機控制測試即是 功率級測試。

2、作用對象來分：單獨控制器和聯(lián)調控制器測試。比如三電控制器單獨的 HilL 測試和三電控制器聯(lián)調。

三電控制器HiL測試介紹：

1、VCU-HiL仿真測試系統(tǒng)

VCU控制技術水平直接影響著整車的動力性、安全性及經濟性。作為國家重點發(fā)展的技術方向，近年來隨著我國大力發(fā)展新能源汽車及新能源汽車市場不斷擴大，市場對于新能源汽車整車控制系統(tǒng)的開發(fā)、測試與產業(yè)化的要求更為緊迫和嚴格。

VCU-HiL測試主要功能

控制功能全面測試/總線網絡測試/極限工況測試/耐久測試/故障診斷全面測試/回歸測試/數(shù)據初始標定/重復性測試

2、BMS硬件在環(huán)（HiL）仿真測試系統(tǒng)

新能源汽車用動力電池作為動力驅動，而作為銜接電池組、整車系統(tǒng)和電機的重要紐帶，電池管理系統(tǒng)BMS的重要性不言而喻，國內外許多新能源車企都將電池管理系統(tǒng)作為企業(yè)最核心的技術來看待，因此在新能源汽車的研發(fā)過程中，對BMS的仿真測試是非常重要的環(huán)節(jié)。

BMS HiL主要組成包括：上位機（PC）, PXI機箱、處理器板卡、數(shù)據采集板卡、CAN卡、電池模擬器、高壓電源、低壓電源等，BMS HiL中必須提供與BMS控制器硬件IO信號相對應的資源及與BMS控制器控制策略相對應的整車模型、電池模型。

主要功能

控制功能全面測試/故障診斷全面測試 /總線網絡測試/回歸測試/極限工況測試/數(shù)據初始標定/耐久測試/重復性測試

3、MCU硬件在環(huán)（HiL）仿真測試系統(tǒng)

電機控制器開發(fā)涉及高電壓、大電流，直接進行電機臺架試驗有較大風險，對算法成熟度要求較高，電機HiL硬件在環(huán)仿真測試的目的是以最低的成本執(zhí)行比較困難的測試和使用物理原型風險太大的測試。

主要功能

專注電機控制器功能測試，為電機臺架的功能及性能測試打下基礎；控制器故障注入及分析在電機控制器設計前期階段即可發(fā)現(xiàn)問題，而無需等到在物理原型上才發(fā)現(xiàn)；執(zhí)行在各種極限條件下測試；控制算法在線分析，跟蹤調試；開發(fā)中的測試故障復現(xiàn)；可以實現(xiàn)軟硬件并行開發(fā)，縮短開發(fā)周期；在測試系統(tǒng)建立之前，在實驗室環(huán)境下完成初始化標定；可降低開發(fā)測試成本；可進行重復的自動化測試

電機控制器功率級P-HiL測試

電機和電控是新能源汽車動力系統(tǒng)的核心，隨著技術的發(fā)展，利用硬件在環(huán)測試（Hanrdware in the Loop, HiL）技術可以方便地完成電機控制策略的開發(fā)和驗證，但是這種信號級HiL只針對電機控制器的控制板，不能對驅動板和功率電路進行測試。針對電機控制器功率部分，傳統(tǒng)的測試方法為搭建電機測試臺架，但這種方法對工程師來說存在靈活性差、成本昂貴、有機械風險、無法進行極限工況和故障測試等問題。

電機控制器功率級P-HiL測試解決方案。該方案可用于驅動逆變器的部件級測試和整車電驅動系統(tǒng)級測試，相較于傳統(tǒng)電機測功臺架，可以使客戶更加方便、靈活、安全、高效地實現(xiàn)對電機控制器的功能性能測試、極限工況和故障測試、耐久和環(huán)境測試等。憑借意昂專業(yè)的技術能力和豐富的行業(yè)經驗，整個測試方案可根據客戶具體需求定制開發(fā)并支持后期擴展，例如集成環(huán)境艙、冷卻系統(tǒng)、整車高壓測試系統(tǒng)以及三電HiL測試系統(tǒng)等。

P-HiL測試方案核心為智能負載模擬器（Active Load Emulator, ALE），俗稱電機模擬器，其主要包括電機模擬單元（e-Motor Emulator, eME）和高壓電源（High Voltage Power Suply, HVPS）。電機模擬器通過模擬真實電機的反電動勢和阻抗來模擬真實電機機械和電氣特性以及四象限運行，接受控制器三相輸出，反饋給被測控制器(Unti under test, UUT)反電動勢以及轉子位置傳感器信號和溫度傳感器信號。

電機模擬器ALE支持用戶構建靈活的從部件級到系統(tǒng)級的測試方案，根據高壓電源HVPS的不同主要有兩種系統(tǒng)方案，其系統(tǒng)架構如下圖所示。

方案一采用單電源模式，電機模擬單元eME和被測控制器UUT共用一個高壓直流電源HVPS，采用獨創(chuàng)性的專利技術使其可以與被測控制器UUT共直流母線，整個系統(tǒng)只需要一個低功率高壓電源進行系統(tǒng)損耗的補充，便可以滿足整個系統(tǒng)的高功率測試，被測控制器UUT不需要額外供電，能量內部循環(huán)利用，利用率高。

方案二采用雙電源模式，電機模擬單元eME和被測控制器UUT分別采用單獨的電源供電，該方案配置靈活，被測控制器UUT端可采用真實電池包或者電池模擬器，模擬整車高壓系統(tǒng)。該方案方便后期擴展，可用于系統(tǒng)級測試。

電機模擬器ALE主要特點和優(yōu)勢：

可用于電機控制器部件級和系統(tǒng)級測試；

通道數(shù)可選，配置靈活，支持后期擴展，支持多通道并聯(lián)運行；

可選內部集成高低壓電源，不需要控制器外接高低壓電源供電；

模擬真實電機電氣特性（反電動勢和阻抗）；

通過改變電機參數(shù)可模擬多種電機（永磁同步電機和交流感應電機等）；

可模擬六相電機；

模擬電機位置傳感器（旋轉變壓器、編碼器等）；

模擬電機溫度傳感器；

支持電機四象限運行；

支持控制器多種PWM調制模式；

可選故障注入單元，模擬多種電機故障；

功能豐富易于操作的上位機軟件，通訊協(xié)議完全開放；

豐富的通訊接口（CAN、LAN等，方便系統(tǒng)集成）；

設備體積小，可靈活移動；

水冷，散熱性能好，噪音小。

電機模擬器ALE典型測試項目：

控制器功率級P-HiL測試；

控制器轉速扭矩特性測試；

標準工況和極限工況性能測試；

控制器耐久和環(huán)境適應性試驗；

再生能量回饋性能測試；

控制器故障保護能力測試；

整車系統(tǒng)級功能性能測試。

三、HIL架構組成

硬件平臺：將整個系統(tǒng)硬件設備按照測試過程中的不同工作分工劃分為相對獨立的功能模塊，各功能模塊間采用標準的線束進行連接交互。

系統(tǒng)硬件基于 NI PXI 平臺搭建，主要有上位機(PC)、PXI 機箱、實時處理器板卡、數(shù)據采集板CAN 卡、DIO 板卡、電阻模擬板卡、低壓電源等組成。

軟件平臺：運行在上位機中，采用平臺化的設計思維，從執(zhí)行環(huán)境配置和測試用例編寫，以及數(shù)據監(jiān)控和自動化測試執(zhí)行，都可以在統(tǒng)一的軟件平臺上進行操作。通用化的軟件平臺可以集成多種外設資源，并統(tǒng)一配置管理。系統(tǒng)基于試驗管理軟件進行上位機管理和實驗測試，實現(xiàn)試驗管理、故障注入、測試用例編輯及自動化測試等功能。

測試軟件主要包括兩大部分的功能：編寫測試用例和執(zhí)行測試用例。主要功能包括：1) 序列開發(fā)環(huán)境 2) 調試 3) 多線程并行測試 4) 用戶管理 5) 可自定義的報告 6) 可自定義的操作員界面 7) 數(shù)據庫記錄

實時仿真模型：模型基于 MATLAB/Simulink 或者 AMESim 仿真平臺進行搭建，提供與 控制器硬件 信號相對應的資源及與控制器控制策略相對應的模型等。

四、HIL測試流程

HiL 自動化測試服務包括一套完整的 HiL 自動化測試用例、自動化測試程序、自動化測試報告、測試問題記錄和測試使用說明文檔。

4.1測試準備

4.1.1測試計劃

本實施階段項目立項工作時，首先根據項目需求制定項目實施測試計劃，細化項目在每個階段的具體工作，確定項目每項的工作的計劃開始日期和結束日期，明確標識測試項(對測試項的了解)，具體包括以下內容:是否需要測試的特征(對產品的了解); 采用的測試方法(測試策略、測試重點和等級): 測試項通過的準則 (出口準則、度量); 測試暫停準則和回復要求(非正常退出);測試完成所需提交的交付項(文檔等); 測試任務;測試環(huán)境的要求(資源):人員配備和所需的訓練(資源): 測試的進度(啟程安排和粗略的時間表): 風險和應急措施。

4.1.2被測件接口分析

根據需要對三電測試系統(tǒng)中被測控制器使用 資源配置，把被測控制器與測試設備的交互信號按照模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字輸入、數(shù)字輸出、脈沖采集、脈沖輸出、電源和地、CAN、LIN 等通訊信號進行分類，形成被測控制器的接口需求。

4.1.3HiL 設備資源分配

需要對 HiL 測試系統(tǒng)進行資源分配，依據控制器的管腳定義，結合其外圍電氣原理對各管腳進行 HiL 機柜資源分配，對部分繼電器控制信號用模擬負載電阻代替，從而實現(xiàn)測試的外部環(huán)境與實車硬件環(huán)境盡可能的接近，據此編寫 HiL 機柜資源分配表，依據此表可進行控制器與機柜之間信號連接或者線束制作。

4.1.4 控制器線束設計

根據項目實際情況來確定是否需要定制被測控制器和 HiL 設備的連接線束,如果用戶現(xiàn)有設備沒有連接線束，那可以定制連接線束。通過采用定制線束方式將被測量控制器與 HiL 測試機柜連接起來，實現(xiàn)供電、輸入信號、輸出信號、通訊信號的傳遞。本項目中定制控制器的線束根據線束使用要求，一端連接控制器的連接器，另一端連接 HiL 測試集成連接器，線徑滿足信號的功率要求,每根信號都打有標簽，便于測試區(qū)分，提高使用效率。

4.1.5被測控制器需求分析

4.1.5.1整車控制器功能需求

根據提供被測控制器功能需求分析文檔,包括對控制器功能的劃分及相關功能的具體描述并最終形成功能規(guī)范輸入。

整車控制器常見功能包括:

整車上下電

系統(tǒng)工作模式

扭矩管理

扭矩限制

扭矩協(xié)調

蠕行

換擋策略

整車安全

附件控制

信號接口及處理

能量回收

5.1.5.2電池管理系統(tǒng)功能需求

根據提供被測控制器功能需求分析文檔,包括對控制器功能的劃分及相關功能的具體描述并形成功能規(guī)范輸入意見。

電池管理系統(tǒng)常見功能包括:

繼電器控制

高壓互鎖

功率預測

快慢充功能

電芯均衡

電芯電壓和溫度采集

保險熔斷監(jiān)控

碰撞掉電保護

故障管理

電源管理

電池總電壓總電流采集

CAN 通訊

絕緣監(jiān)控

SOC

SOH

熱管理

4.1電機控制功能需求

系統(tǒng)功能依據客戶輸入的功能規(guī)范和測試規(guī)范為準，電池管理系統(tǒng)是新能源汽車能源控制部件，它根據新能源汽車動力電池、電機的狀態(tài)，按需進行整車的上下電，電池狀態(tài)監(jiān)測和熱管理等功能進行控制。

4.2搭建測試工程

搭建三電系統(tǒng)閉環(huán)測試工程，主要包括添加實時目標機(RT Target)、添加各種硬件資源、向 RT 目標機中部署系統(tǒng)定義文件等，同時因為 HiL 測試使用了真實的被測控制器，對軟硬件I/O 端口也要重新進行映射，然后部署下載到實施目標機中，再創(chuàng)建對應的傳感器、開關信號模擬，接受執(zhí)行器的控制命令，模擬其他節(jié)點通訊。

4.3測試用例開發(fā)

4.3.1 測試用例開發(fā)原則

測試用例開發(fā)方法研究是測試的關鍵點之一。采用合理的測試方法開發(fā)出合理有效的測試用例，不僅可以增加測試的覆蓋度而減少冗余重復的測試，也可以大大減小測試的時間而提高測試的效率。因此我們研究出來一套系統(tǒng)的測試用例開發(fā)方法以及相應的測試方法。

測試用例的開發(fā)原則:

1.正確性

輸入用戶實際數(shù)據以驗證系統(tǒng)是否滿足需求規(guī)格說明書的要求:測試用例中的測試點應首先保證要至少覆蓋需求規(guī)格說明書中的各項功能，并且正常

2.全面性

覆蓋所有的需求功能項，測試用例除了對測試點本身的測試外，還需考慮用戶實際使用的情況、與其他部分關聯(lián)使用的情況、非正常情況(不合理、非法、越界以及極限輸入數(shù)據)操作和環(huán)境設置等。

3.連貫性

用例組織有條理、主次分明，尤其體現(xiàn)在業(yè)務測試用例上，用例執(zhí)行顆粒度盡量保持每個用例都有測點，不能同時覆蓋過多功能點，否則執(zhí)行起來牽連太大，每個用例間保持連貫性很重要

4.可判定性

測試執(zhí)行結果的正確性是可判定的，每一個測試用例都有相應的期望結果

5.可操作性

測試用例中要寫清楚測試的操作步驟，以及與不同的操作步驟相對應的測試結果。

4.3.2 測試用例定義

一條完整 HiL 測試用例，所包含的基本測試項有，測試用例初始狀態(tài)、測試過程中執(zhí)行的測試動作、期望的測試結果、測試狀態(tài)復位等要素組成。

4.3.3測試用例開發(fā)方法分類

執(zhí)行測試的常見的方法有黑盒測試法、白盒測試法和基于經驗的測試法。三者有各自的測試特點及測試技術。

4.3.4 黑盒設計法

根據黑盒測試方法的特點,將其詳細劃分為以下幾個類別:等價類劃分法、邊界值分析法、決策表法、狀態(tài)轉移測試法、測試用例法、因果圖法、判斷表驅動法、正交試驗設計法、功能圖法。

4.3.5 白盒設計法

白盒測試方法是基于結構的測試用例設計方法。通過觀察測試對象的程序代碼，選擇一個代碼覆蓋的標準，然后根據這標準生成測試用例。例如，所有的語句至少被執(zhí)行一次，在所選標準的基礎上產生單個的測試用例,基于代碼生成的測試用例的基礎是描述程序結構的控制流圖?？刂屏鲌D是一個帶有開始和結束節(jié)點的有向圖，程序的指令(語句)是通過節(jié)點來表示的,一個沒有分支的語句序列可以用一個節(jié)點表示，語句之間的路徑是通過邊(控制流)來描述，圖內的開始和結束節(jié)點可以省略。

4.3.6 經驗設計法

4.3.6.1錯誤推斷法

基于經驗和直覺推測程序中所有可能存在的各種錯誤,從而有針對性的設計測試用例的方法。錯誤推測方法的基本思想: 列舉出程序中所有可能有的錯誤和容易發(fā)生錯誤的特殊情況，根據他們選擇測試用例。

例如，在單元測試時曾列出的許多在模塊中常見的錯誤。以前產品測試中曾經發(fā)現(xiàn)的錯誤等，這些就是經驗的總結。輸入數(shù)據和輸出數(shù)據為零的情況，輸入表格為空格或輸入表格只有一行，這些都是容易發(fā)生錯誤的情況，可選擇這些情況下的例子作為測試用例

在產品測試的實踐中對產品的了解的加深和測試經驗的豐富，使用錯誤推測法設計的測試用例往往非常有效，可以作為測試設計的一種補充手段，并且積累的經驗越豐富，方法使用效率越高。

4.3.6.2 探索測試法

探索式測試(Exploratory Testing)是一種軟件測試方法，也可以說是一種測試思維方法,是一種強調個人自由與責任的測試方法,讓獨立測試人員可以借用不斷的學習來改善測試的規(guī)劃與測試的執(zhí)行，而在測試的過程中也會同時改善測試案例達到相輔相成的效果。

4.3.7自動化測試用例開發(fā)

測試用例的開發(fā)需嚴格遵循整車控制器功能規(guī)范文檔,測試用例需針對被測控制器功能進行開發(fā)，并形成測試矩陣文檔及測試用例說明文檔。

測試矩陣編寫在嚴格遵守整車控制器開發(fā)功能文檔的基礎上，創(chuàng)建測試用例，文檔中需對每條測試用例的測試功能，測試方法及預期結果進行簡單描述，并對每條測試用例進行編碼.以便測試過程中通過測試編號進行查找問題。

測試用例說明文檔是對測試矩陣的詳細補充，測試矩陣中對測試用例只做簡單描述，測試說明文檔針對每條測試用例測試的功能，測試時的初始條件，完成該測試用例具體需要的詳細執(zhí)行步驟，更改的信號位置及名稱，甚至測試動作后的等待時間，以及預期結果需要檢測的信號名稱等進行詳細描述。依據此文檔可直接編輯自動化測試用例。

說明文檔針對每條測試用例測試的功能，測試時的初始條件，完成該測試用例具體需要的詳細執(zhí)行步驟，更改的信號位置及名稱，甚至測試動作后的等待時間，以及預期結果需要檢測的信號名稱等進行詳細描述。依據此文檔可直接編輯自動化測試用例。

測試管理軟件的功能:1) 寫測試序列:2) 管理試驗軟件:3) 生成測試報告

配置與試驗環(huán)境軟件的功能: 1) 接收測試序列發(fā)來的激勵數(shù)據: 2) 將激勵數(shù)據發(fā)給實時仿真機，并在線顯示仿真結果

4.4 測試調試

4.4.1 冒煙測試

測試工程搭建完成后，連接被測控制器，需要對被測控制器和 HiL 測試設備做冒煙測試驗證設備連接與原件是否有基本的問題。冒煙測試有測試人員和開發(fā)人員共同完成，在測試過程中發(fā)現(xiàn)問題，測試人員找到了一個 Bug，然后開發(fā)人員會來修復這個 Bug，冒煙測試是否通過決定了下一輪系統(tǒng)測試是否可以執(zhí)行。

4.4.2 接口測試

接口測試是只有被測控制器，沒有和整車仿真模型形成閉環(huán)的測試，屬于開環(huán)測試。接口測試通過人為賦值模擬外部控制器與被測控制器之間的數(shù)據交互,驗證被測控制器數(shù)據交互是否正常，側重信號交互驗證。一般接口測試如果有測試程序，可以自動測試，如果沒有測試程序，可手動測試。

4.4.3 首輪測試

被測控制器和整車仿真模型形成閉環(huán)的測試，屬于閉環(huán)測試。閉環(huán)測試通過模擬操作駕駛室變量，使整車模型與被測控制器自動數(shù)據交互，驗證被測控制器軟件策略，側重功能和性能驗證。

打開自動化測試用例庫，在 TestStand 測試界面調入測試用例對象，直接運行即可。

4.4.4問題關閉

測試過程中發(fā)現(xiàn)的問題使用問題單形式記錄。在問題記錄和問題描述遵循“5C”的要求:

正確(Correct)，不會產生歧義:

清晰( Clear)，容易理解;

簡潔(Concise)，沒有多余的東西;

完整(Complete)，包含重現(xiàn)缺陷的完整數(shù)據；

致性(Consistent)，缺陷單格式要統(tǒng)

4.4.5 回歸測試

在第一輪測試相關問題關閉后，由開發(fā)人員更新軟件，生成新的軟件版本，下載到被測控制器中，在 HiL 設備上對上個版本中出現(xiàn)并修復的缺陷進行再次驗證，并以缺陷為核心，對相關修改的部分進行測試。

4.4.6 測試報告

通過 HiL 測試管理軟件加載測試序列，執(zhí)行測試，輸出測試報告。

4.5測試總結

被測控制器 HiL 回歸測試完成，在功能方面達到測試通過標準后，需要對 HiL 測試工作進行總結和整理，并生成及編制 HiL 測試總結。

HiL 測試總結主要包括以下內容:

1、HilL 測試環(huán)境、測試周期、測試人員及測試內容等;

2、測試過程中的問題統(tǒng)計與分析，并對測試遺留問題進行記錄;

3、測試結束后檢查所做的測試工作及完成情況，提交工作成果，包括: 測試用例說明文檔，測試矩陣文檔，可執(zhí)行文件及生成的測試報告等

來源：新能源汽車電控開發(fā)與測試