为了进一步提高新型电力驱动组件和系统的开发效率，保时捷工程公司采用了专门针对高压技术要求的测试方法。例如，工程师使用比提希海姆-比辛根（Bietigheim-Bissingen）和纳尔德奥的车辆和部件测试台测试高压电池、通过“硬件在环”（HiL）模拟环境测试脉冲变频器（PWR）的软件，以及在虚拟车辆系统中测试真实硬件。
脉冲变频器在电动汽车中发挥着核心作用——它负责将来自电池的直流电压转换为多相交流电压和相应的旋转磁场，以驱动电机运行。在滑行减速时的能量回收过程中，脉冲变频器反向运转，将电机产生的交流电压转换为直接电压，用于为电池充电。保时捷工程公司技术项目经理拉斐尔·班茨哈夫（Rafael Banzhaf）解释说：“为了在不同行驶状况下针对多方面的性能和舒适性要求实现精确的脉冲变频器控制，需要采用复杂的控制算法和安全功能，例如在发生碰撞、安全气囊弹出等特殊情况下将驱动系统切换到安全状态。这些功能必须在驱动装置进入调试阶段之前通过测试。”
在开发脉冲变频器硬件在环（PWR-HiL）系统之前，工程师们需要在车辆中或在真正的测试台上进行测试。这样一来，一旦控制单元软件出错，就有可能造成设备损坏。因此，保时捷工程公司开发了一套测试脉冲变频器软件的测试台方案，通过硬件在环的方式将真实的脉冲变频器控制单元集成到方案中。保时捷工程公司开发工程师托马斯·弗希腾汉斯（Thomas Füchtenhans）说：“这里的控制单元与安装在车上的完全相同，因此我们可以对其中安装的软件功能做出可靠的判断。唯一的修改就是将高压部件与低压部件分开，例如控制单元中的脉冲变频器控制板。这是出于功能和安全原因的必要之举，但对测试而言丝毫没有影响。”
纳秒级运算
在硬件在环测试中，脉冲变频器控制板并不驱动真实的硬件，而是驱动脉冲变频器电力电子元件的仿真对象。它还与高压电池、驱动电机、总线系统和车辆其他部分的仿真对象相关联，以充分考虑各个车辆系统的影响，例如安全气囊、制动控制系统和驾驶员对脉冲变频器控制的影响。反过来，模拟对象将多相电流或温度等虚拟传感器数据反馈给脉冲变频器控制单元，从而闭合控制回路。由于对实时性的要求极为严苛，电池和车辆其他部分的仿真是在实时计算机（RTPC）上进行的，而电力电子元件和电机的仿真则使用速度更快的 FPGA（现场可编程门阵列）进，其仿真时间可达到纳秒级。
硬件在环测试台的测试范围不仅包括根据规格要求进行的所有功能测试，也包括新软件的闪存测试、安全测试（在车辆中进一步研究之前的安全步骤）、接口测试、诊断功能测试、执行时间测试，以及网络安全和虚拟耐久性测试。班茨哈夫表示：“尽管脉冲变频器硬件在环测试无法完全取代在真正的测试台或车辆上进行的测试，但可以大大减少后两者的使用频率，从而减轻真实测试台的负担、显著降低成本并提高安全性。”脉冲变频器硬件在环测试台是保时捷工程集团各个分公司之间密切合作的成果。目前，已有 6 个脉冲变频器硬件在环测试系统投入使用，并且已有了进一步扩增的计划。
弗希腾汉斯说：“我们所采用的方法的一大特点在于：操作者可以完全远程控制测试台。例如，身处瑞典或美国的应用开发者可以在测试中远程控制仿真进程。所有测试台都相互连接，并与存档系统相连，数据可通过服务器实时提供给所有相关方人员。值得一提的是，上海分公司为提高测试效率提供了宝贵而重要的机会——由于欧洲与中国之间存在时差，因此我们完全可以通过国际团队合作实现 24 小时不间断测试和评估。”
通过人工智能生成测试用例
保时捷工程公司脉冲变频器硬件在环测试的另一个优势便是其高度的自动化。它可以自动读入客户提供的脉冲变频器控制请求文件，并根据相关规格自动导出测试参数，用于生成不同的测试用例和可执行测试。班茨哈夫说：“闭合的自动化链显著提高了整个测试过程的效率。我们只需几个小时就能为脉冲变频器测试序列创建超过 1,000 个测试用例，而如果手动进行创建，则需要花费几个星期的时间。
未来，还计划采用人工智能（AI）方法，利用自然语言处理（NLP）正确解读以简单文本文档提交的产品需求文档，并将其转换为机器可读的代码，随后据此自动生成测试序列。目前，这项工作必须由具备全面的整体系统知识的专家进行。班茨哈夫解释说：“我们的方法是将专家知识转移到数字世界中，从而有助于缩短开发时间并降低开发成本。初步验证非常成功，因此我相信，在中期内，我们在常规测试过程中也将开始采用人工智能技术。”
虽然虚拟测试程序覆盖的领域越来越多，但它依然不能完全取代实际的高压电池测试。因此，保时捷工程公司在比提希海姆-比辛根拥有广泛全面的基础设施，包括车辆测试台、系统测试台（用于在组件层级上更精确地分析电池）和电芯测试台（可以直接分析电芯的化学成分）。工程师们可以灵活调整驾驶参数和负载谱，仿真测试所需的驾驶状况，并根据研究目的，对电池的充放电行为、能量密度、内电阻和温度特性进行测量和记录。
在车辆测试台上，电池可以在已安装的状态下接受测试，例如在 WLTP 驾驶循环工况下测量电池容量和电流。这一点对于耐久试验车尤为重要——对于这类车辆，在每行驶 20,000 km 必须执行一次的强制测试范围中，就包括了电池测试。保时捷工程公司高压电池开发工程师迪尔克·皮林（Dirk Pilling）说：“为测试目的而拆除电池会花费太多时间。如果不拆除电池，那么从车辆抵达到准备和进行测试，再到数据评估，我们只需要 48 小时左右的时间，但如果需要拆除电池，就要花费一周左右。”他还指出了另一个重要方面：“在电池上作业可能会导致车辆耐久性测试结果不真实，例如由于松开了连接车身的螺栓，并在之后重新安装时再次拧紧。”
工程师在另一个测试台上对电池外壳进行密封性测试。保时捷工程公司高压电池专项经理乌尔里希·朗格博士（Dr. Ulrich Lange）解释说：“腐蚀或振动损坏等原因可能会导致不密封。如果随后有水渗入电池系统中，就会造成短路。”
用于测试的原型
对于在比提希海姆-比辛根进行的所有电池测试，综合车间都发挥着关键作用。朗格说：“我们在此根据测量的需要为电池进行准备工作、配备必要的传感装置；我们还在此制造整个电池组和模块，作为测试用原型，并且还会在测试结束后拆解电池，以查找相关的蛛丝马迹。”该车间负责处理一部分准备在纳尔德奥技术中心（NTC）进行检验的电池。
过去两年间，保时捷工程公司在 NTC 建立了一套完整的测试设施，按照 GB/T 和 ECE 标准规定对高压电池进行了误操作测试。其中需要研究在电芯因过热等原因而发生“热失控”的情况下电池的表现。在 NTC，这些误操作测试是在建筑中进行的。纳尔德奥技术中心 BEV 协调员安东尼奥·托马（Antonio Toma）说：“在封闭的建筑物内进行热失控测试对设备的安全水平提出了极高的要求，以确保发生电池燃烧时火势能得到控制，并且不会造成任何损害。”
因此，常驻纳尔德奥的工程团队与 NTC 的安全专家和消防队一起制定了一套精妙周全的安全方案。在收到电池后，工程师首先按照要求对其进行准备工作，然后执行测试。在测试过程中，可自动触发的灭火系统确保了极高的安全水平。在测试结束后，工程师会对电池状态进行评估。如果存在危险隐患，就必须将电池放置在装有火灾探测器的上锁箱子内静置 24 小时，之后才能取出并由 NTC 专家分析损坏情况并得出结论。检查结束后，电池将妥善保存在同样配备了防火系统的安全室，直到最终进行废弃处理。
NTC 在此基础上为客户提供全方位服务，除了电芯的过热和自燃测试外，还可以根据客户的具体要求对电池进行专门的误操作测试，以及检查电池外壳的防火性能，服务范围涵盖储存、准备、执行测试，以及拆解后的分析和详细报告。托马总结说：“在测试楼中执行测试的最大优势在于，我们可以在实验室条件下工作。此外，我们拥有汽车开发背景，所以我们很清楚各项具体要求，并能与客户平等互信地携手工作。”
保时捷工程公司可以将真实和虚拟测试方法相结合，提供定制的测试服务。无论选择哪一种方法，客户都能从来自技术前沿的专家知识、方法和服务中受益。
综述
保时捷工程公司采用专门针对高压技术要求的测试方法，包括传统测试台和用于脉冲变频器控制器虚拟测试的硬件在环测试台。未来，人工智能技术将有助于在虚拟测试中缩短开发时间和降低开发成本。
版权信息
本文初刊于《保时捷工程杂志》2023 年第 1 期
文：Richard Backhaus
图：Rafael Kroetz; Luca Santini
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