| 作者 : Matthias Braband 博士，eMoveUs GmbH

“我們開發(fā)了一款 800 伏的碳化硅逆變器，它能夠為汽車牽引傳動應(yīng)用提供高達(dá) 600 千瓦的峰值功率。在這一開發(fā)過程中，我們所采用的工作流和工具鏈方法得到了充分驗證。參與 MathWorks 初創(chuàng)企業(yè)計劃幫助我們縮短了該產(chǎn)品的上市時間，同時控制了成本，這對幾乎所有初創(chuàng)企業(yè)來說都是至關(guān)重要的。”

---- Matthias Braband 博士，eMoveUs GmbH

在整個電動汽車 (EV) 及電動出行行業(yè)，負(fù)責(zé)電動傳動系統(tǒng)開發(fā)的工程團(tuán)隊面臨著許多共同的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)不僅在于產(chǎn)品本身的復(fù)雜性日益增加，更在于需要在控制成本、并確保開發(fā)流程符合 ASPICE、ISO 26262 等標(biāo)準(zhǔn)的同時，以更快的速度交付高質(zhì)量的產(chǎn)品。

為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，我們在 eMoveUs 迎來了一個職業(yè)生涯中千載難逢的機(jī)遇：我們可以將員工們在電動出行領(lǐng)域的深厚經(jīng)驗，與從零開始創(chuàng)辦一家新公司的契機(jī)完美結(jié)合。我們建立了一個精益開發(fā)流程，并采用了一致的工具鏈來解決我們在使用以前方法時發(fā)現(xiàn)的缺點。

在對各種可用方案進(jìn)行全面評估之后，我們采用了一套新的工作流程。該流程將基于模型的系統(tǒng)工程 (MBSE) 與基于模型的設(shè)計相結(jié)合，并集成使用了 MATLAB 和 Simulink 產(chǎn)品以及 Polarion 應(yīng)用生命周期管理 (ALM) 軟件。圖 1 展示了 ASPICE 的系統(tǒng)工程過程。該工作流程已在多個方面具有經(jīng)過驗證的優(yōu)勢。它使我們能夠基于單一數(shù)據(jù)源進(jìn)行工作，并在不同學(xué)科和go工程之間實現(xiàn)工作產(chǎn)品的充分復(fù)用。此外，它使我們的工程師能夠?qū)Ｗ⒂诠δ荛_發(fā)而不是滿足過程要求，同時建立從需求到架構(gòu)、模型、代碼和測試的可追溯性。重要的是，它還使我們能夠?qū)ⅰ傲鞒糖爸谩狈妒綉?yīng)用于系統(tǒng)工程，從而可以在系統(tǒng)層面分析動態(tài)系統(tǒng)行為，特別是在整個流程的早期識別規(guī)范錯誤。

圖 1. eMoveUs 系統(tǒng)開發(fā)工作流概述，包括項目管理、軟件工程、硬件工程、機(jī)械工程和電磁體設(shè)計接口。

使用 System Composer 進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)建模

在傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)流程中，系統(tǒng)規(guī)范中的錯誤通常要等到原型機(jī)問世，并依據(jù)系統(tǒng)規(guī)范進(jìn)行測試時才能被首次發(fā)現(xiàn)。這通常會導(dǎo)致高昂的錯誤修正成本，并在一定程度上造成嚴(yán)重的項目延誤。為了避免在系統(tǒng)層面因規(guī)范錯誤而產(chǎn)生這些額外的、不可預(yù)測的成本，我們的目標(biāo)是在流程中盡早地驗證規(guī)范的正確性。在我們的工作流程中，我們使用 System Composer 來定義可仿真的系統(tǒng)架構(gòu)。這使我們能夠?qū)y試和驗證活動“流程前置”，并通過 CI 管道實現(xiàn)自動化，如圖 1所示。

此外，我們在 System Composer 和 Simulink 中，維持了系統(tǒng)組件與其對應(yīng)的軟件架構(gòu)組件之間的一對一映射關(guān)系，從而可以在系統(tǒng)層面分析動態(tài)行為。因此，軟件工程師可以將系統(tǒng)級的行為模型用作草稿。在 Simulink 中為軟件生產(chǎn)開發(fā)詳細(xì)設(shè)計時，他們不僅可以復(fù)用接口，還可以將系統(tǒng)架構(gòu)中定義的行為模型作為起點。另外，跨部門的模型和環(huán)境復(fù)用率也很高。例如，系統(tǒng)、硬件和軟件部門使用相同的被控對象模型進(jìn)行閉環(huán)仿真和測試，并且能夠直接在我們的 Speedgoat HIL 系統(tǒng)上實時運行。描述這種依賴關(guān)系的示意圖請參見圖 2。

圖 2. 使用 System Composer 建模的功能、邏輯、硬件(物理)和軟件架構(gòu)，并與被控對象模型結(jié)合，實現(xiàn)系統(tǒng)級閉環(huán)仿真。

此外，我們使用 Requirements Toolbox 和 Polarion Connector for Simulink，將 Polarion 中管理的需求與 System Composer 模型中定義的架構(gòu)元素關(guān)聯(lián)起來。我們還使用該連接器，將軟件實現(xiàn)所用的 Simulink 模型內(nèi)部的詳細(xì)設(shè)計元素也鏈接起來。這種配置實現(xiàn)了在規(guī)范和實現(xiàn)之間的雙向可追溯性(且無需手動同步)，促進(jìn)了跨學(xué)科團(tuán)隊之間的協(xié)作，并有助于確保整個開發(fā)周期的一致性。

使用 Simscape 進(jìn)行物理建模

要在系統(tǒng)、軟件或硬件層面進(jìn)行閉環(huán)仿真，就需要一個電動汽車動力總成的物理模型。我們使用 Simscape 和 Simscape Electrical 創(chuàng)建了該模型，其高層視圖如圖 3 所示。該多域模型包括用于傳動系統(tǒng)電池、直流電纜、電磁干擾 (EMI) 濾波器、逆變器、交流母排、電驅(qū)動、負(fù)載模型和冷卻的模塊化組件。在該模型中，我們還可以集成來自 Ansys Maxwell 等 CAE 工具的、用于仿真熱效應(yīng)和電磁效應(yīng)的降階模型，以保證達(dá)到預(yù)期的仿真速度。

圖 3. 電動汽車動力總成的模塊化被控對象模型。

為了能讓工程師能夠為當(dāng)前仿真用例中的任意組件選擇保真度級別，我們使用模型變體實現(xiàn)了一套變體管理系統(tǒng)。例如，團(tuán)隊可以使用 Variant Manager for Simulink 選擇一個將電池建模為簡單恒壓源的變體模塊，以進(jìn)行基本仿真。之后，他們可能會切換到電池的 RC 或 RL 電路變體，以分別研究其低頻電容行為或高頻電感行為。同樣地，我們的工程師可能會為逆變器選擇一個簡單的受控電壓源變體來加快仿真速度，或者選擇一個具有真實開關(guān)行為的更高保真度變體來評估 PWM 效應(yīng)。圖 4 展示了在變體管理器中處理這些變體的示例。

圖 4. Variant Manager for Simulink。

閉環(huán)模擬、代碼生成與實時 HIL 測試

當(dāng)我們在 System Composer 中規(guī)劃好系統(tǒng)架構(gòu)，并且詳細(xì)的被控對象模型也準(zhǔn)備就緒后，我們便可以在多個層級上進(jìn)行閉環(huán)仿真。具體而言，我們可以使用 Simulink 中的系統(tǒng)行為模型、軟件架構(gòu)模型或詳細(xì)設(shè)計模型來進(jìn)行這些仿真，如圖 5 所示。

圖 5. 用于在系統(tǒng)架構(gòu)級別運行閉環(huán)仿真的仿真環(huán)境。

它使我們能夠?qū)⒁言谙到y(tǒng)層面進(jìn)行的驗證活動“流程前置”，從而最大限度地減少復(fù)雜驅(qū)動系統(tǒng)功能中的規(guī)范錯誤。

在這個環(huán)境中，我們能夠使用 MATLAB 及其數(shù)據(jù)檢查器，在系統(tǒng)層面分析產(chǎn)品行為，并對信號、性能指標(biāo)和時序關(guān)系進(jìn)行可視化。圖 6 展示了一個系統(tǒng)架構(gòu)的閉環(huán)仿真結(jié)果的示例，該仿真用于分析磁場定向控制器的電流控制行為。使用 Simulink Test，我們可以在系統(tǒng)層面或針對特定的架構(gòu)組件，在這種閉環(huán)設(shè)置中執(zhí)行自動化測試。此外，這些測試結(jié)果會自動同步回 Polarion，以便根據(jù)測試用例規(guī)范進(jìn)行最新的項目跟蹤和報告。

圖 6. 永磁同步電機(jī)的閉環(huán)

電流控制分析結(jié)果。該電機(jī)采用了可仿真系統(tǒng)架構(gòu)和模塊化電機(jī)模型。

這種一致性的開發(fā)方法并不會止步于領(lǐng)域邊界，而是會進(jìn)一步延續(xù)。 隨著我們在 V 周期中不斷推進(jìn)，從系統(tǒng)規(guī)范進(jìn)展到軟件規(guī)范、架構(gòu)、基于模型的設(shè)計和實現(xiàn)，我們工作流程的下一階段就

包括了代碼生成以及 MIL、PIL 和 HIL 測試。在這一階段，我們使用 Embedded Coder 從 Simulink 中的軟件架構(gòu)或詳細(xì)設(shè)計模型生成代碼，將其集成到 AUTOSAR 協(xié)議棧中，并部署到英飛凌 AURIX TC3xx 微控制器上。然后，前面介紹過的受控對象模型，會通過 HDL Coder 和 Simulink Real-Time 部署到 Speedgoat 實時目標(biāo)機(jī)上的 FPGA 中。這種配置能夠在 HIL 上驗證最終產(chǎn)品的正確軟件行為。此外，為了利用協(xié)同效應(yīng)并降低設(shè)備和開發(fā)成本，同一個 HIL 平臺也會在最終的臺架測試完成之前，用于執(zhí)行系統(tǒng)集成和驗證測試。

已實現(xiàn)的效益和持續(xù)的集成改進(jìn)

我們開發(fā)了一款 800 伏的碳化硅逆變器，它能夠為汽車牽引驅(qū)動應(yīng)用提供高達(dá) 600 千瓦的峰值功率。在這一開發(fā)過程中，我們所采用的工作流程和工具鏈方法得到了充分驗證。參與 MathWorks 初創(chuàng)公司計劃幫助我們縮短了該產(chǎn)品的上市時間，同時控制了成本，這對于幾乎所有初創(chuàng)公司而言都是至關(guān)重要的。

我們正在持續(xù)擴(kuò)展和改進(jìn)我們的工作流程。例如，我們已經(jīng)將 CI 與 Jenkins 和 Bitbucket 結(jié)合使用，以持續(xù)執(zhí)行軟件單元、集成和驗證測試。我們還致力于將這種基于 CI 的自動化工作流程進(jìn)一步向上延伸至 V 周期的更前端，以實現(xiàn)對我們系統(tǒng)架構(gòu)的、基于 CI 的自動化驗證。