| 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?yàn)槠嚑恳齻鲃?dòng)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(yàn)證。參與 MathWorks 初創(chuàng)企業(yè)計(jì)劃幫助我們縮短了該產(chǎn)品的上市時(shí)間，同時(shí)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(gè)電動(dòng)汽車 (EV) 及電動(dòng)出行行業(yè)，負(fù)責(zé)電動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)開發(fā)的工程團(tuán)隊(duì)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(shí)，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(gè)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(dòng)出行領(lǐng)域的深厚經(jīng)驗(yàn)，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(gè)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(shí)發(fā)現(xiàn)的缺點(diǎn)。

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(jì)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(gè)方面具有經(jīng)過驗(yàn)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(shí)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(shí)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(dòng)態(tài)系統(tǒng)行為，特別是在整個(gè)流程的早期識(shí)別規(guī)范錯(cuò)誤。

圖 1. eMoveUs 系統(tǒng)開發(fā)工作流概述，包括項(xiàng)目管理、軟件工程、硬件工程、機(jī)械工程和電磁體設(shè)計(jì)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(cuò)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(shí)才能被首次發(fā)現(xiàn)。這通常會(huì)導(dǎo)致高昂的錯(cuò)誤修正成本，并在一定程度上造成嚴(yán)重的項(xiàng)目延誤。為了避免在系統(tǒng)層面因規(guī)范錯(cuò)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(yàn)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(yàn)證活動(dòng)“流程前置”，并通過 CI 管道實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(dòng)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(jì)時(shí)，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(diǎn)。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(shí)時(shí)運(yùn)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(shí)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(shí)現(xiàn)所用的 Simulink 模型內(nèi)部的詳細(xì)設(shè)計(jì)元素也鏈接起來。這種配置實(shí)現(xiàn)了在規(guī)范和實(shí)現(xiàn)之間的雙向可追溯性(且無需手動(dòng)同步)，促進(jìn)了跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)之間的協(xié)作，并有助于確保整個(gè)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(gè)電動(dòng)汽車動(dòng)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(dòng)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(dòng)、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(dòng)汽車動(dòng)力總成的模塊化被控對象模型。

為了能讓工程師能夠?yàn)楫?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(shí)現(xiàn)了一套變體管理系統(tǒng)。例如，團(tuán)隊(duì)可以使用 Variant Manager for Simulink 選擇一個(gè)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(huì)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(huì)為逆變器選擇一個(gè)簡單的受控電壓源變體來加快仿真速度，或者選擇一個(gè)具有真實(shí)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(shí)時(shí) 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(gè)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(jì)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(yùn)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(yàn)證活動(dòng)“流程前置”，從而最大限度地減少復(fù)雜驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功能中的規(guī)范錯(cuò)誤。

在這個(gè)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(shí)序關(guān)系進(jìn)行可視化。圖 6 展示了一個(gè)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(dòng)化測試。此外，這些測試結(jié)果會(huì)自動(dòng)同步回 Polarion，以便根據(jù)測試用例規(guī)范進(jìn)行最新的項(xiàng)目跟蹤和報(bào)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(huì)止步于領(lǐng)域邊界，而是會(huì)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(jì)和實(shí)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(jì)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(huì)通過 HDL Coder 和 Simulink Real-Time 部署到 Speedgoat 實(shí)時(shí)目標(biāo)機(jī)上的 FPGA 中。這種配置能夠在 HIL 上驗(yàn)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(gè) HIL 平臺(tái)也會(huì)在最終的臺(tái)架測試完成之前，用于執(zhí)行系統(tǒng)集成和驗(yàn)證測試。

已實(shí)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?yàn)槠嚑恳?qū)動(dòng)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(yàn)證。參與 MathWorks 初創(chuàng)公司計(jì)劃幫助我們縮短了該產(chǎn)品的上市時(shí)間，同時(shí)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(yàn)證測試。我們還致力于將這種基于 CI 的自動(dòng)化工作流程進(jìn)一步向上延伸至 V 周期的更前端，以實(shí)現(xiàn)對我們系統(tǒng)架構(gòu)的、基于 CI 的自動(dòng)化驗(yàn)證。