基于虚拟仪器的电动汽车控制器自动测试系统*

井后华王芳刘志远吉国煌

（1.哈尔滨工业大学，哈尔滨 150001；2.中国一汽新能源汽车分公司，长春 130122）

基于虚拟仪器的电动汽车控制器自动测试系统*

井后华1王芳1刘志远1吉国煌2

（1.哈尔滨工业大学，哈尔滨 150001；2.中国一汽新能源汽车分公司，长春 130122）

针对电动汽车动力系统结构特征和测试需求，基于NI虚拟仪器开发了一套电动汽车控制器自动测试系统，并对系统的软、硬件进行了设计。通过试验台架对该系统功能进行了验证，结果表明，所开发系统可以自动读取测试用例，模拟传感器信号和故障注入，实现整车控制器功能测试和动力系统集成测试，并自动生成测试报告，该测试可保证电动汽车控制系统的安全可靠。

主题词:电动汽车 电控单元 自动测试 虚拟仪器

1 前言

目前以整车控制器（Vehicle Control Unit,VCU）为核心的动力系统电控单元功能不断丰富，显著提高了电动汽车的能耗效率和安全性能，但同时VCU及其周边电子单元的质量也影响了电动汽车的整车性能，因此对整车控制器及其周边电子单元的测试是保证电动汽车控制系统安全可靠的重要环节。

针对电动汽车控制器测试要求，文献[1]基于NI Lab-VIEW设计了纯电动汽车整车信息监控软件；文献[2]、[3]提出了电动汽车控制器在线自动检测系统的设计方案与实现方法；文献[4]基于NI LabVIEW和dSPACE实时仿真系统搭建了测试平台，可以实现对整车控制器硬件接口功能和控制策略的测试和评价；文献[5]、[6]则分别针对整车控制器功能测试和故障模拟、CAN总线干扰等功能开发了dSPACE硬件在回路测试系统和NI虚拟仪器测试系统。然而，上述测试系统主要依赖于手动方式进行控制系统功能测试，无法自动读取测试用例或生成测试报告，执行效率较低。

针对上述问题，本文基于NI虚拟仪器开发了一套自动测试系统，该系统可以自动读取测试用例，模拟传感器信号和故障注入，实现整车控制器功能测试和动力系统集成测试，并自动生成测试报告，提高了测试效率和准确性。

2 自动测试系统设计

2.1 测试需求分析

待测试的电动汽车动力系统结构如图1所示。拟开发的测试系统需要具备如下功能：

a.测试VCU及其周边电气部件是否正常工作；

b.测试集成VCU、电池管理系统（BMS）、电机控制器（MCU）的动力系统是否正常工作；

c.测试控制器在传感器或执行器出现故障等异常情况下的处理机制；

d.可以读取测试用例，自动执行并生成测试报告。

图1 电动汽车动力系统结构示意

2.2 测试系统结构

针对电动汽车电控单元测试需求，基于NI虚拟仪器构建了自动测试系统，其结构如图2所示。测试对象包括VCU、MCU、BMS、加速踏板和挡位等组件；测试系统包括NI仪器、CANoe和接口箱等三部分。NI仪器包括数据采集板卡、IO板卡和模拟信号输出板卡等，可用于信号切换、信号模拟和控制输出，另外NI仪器还可进行测试用例读写和测试报告生成；CANoe用于对电动汽车动力系统总线信息进行监控；接口箱用于连接NI仪器和整车控制器，具有电气信号调理功能。

图2 电动汽车自动测试系统结构示意

3 自动测试系统硬件设计

该测试系统硬件设计主要是设计接口箱电路板。根据测试需求，接口箱电路主要包括信号切换电路、信号输出电路、信号处理电路和故障模拟电路。信号切换电路通过NI仪器控制继电器通断，从而实现模拟传感器信号和实际传感器信号的切换；信号输出电路用于模拟传感器信号，并对NI仪器硬件端口进行保护；信号处理电路可将汽车上0～12 V传感器信号和继电器信号调理为NI仪器可采集的0～5 V信号；故障模拟电路介于VCU与其周边电气部件（如各类传感器和驱动负载）之间，通过NI仪器控制继电器通断，可以触发传感器信号或驱动信号断路、与地短路、与电源短路等故障。接口箱电路板主要功能模块如图3所示。

图3 接口箱主要功能模块电路示意

4 自动测试系统软件设计

针对不同的测试需求和系统特征，分别对VCU功能测试和集成系统测试进行软件设计开发。

4.1 VCU功能自动测试系统软件开发

VCU功能自动测试系统软件结构如图4所示。VCU功能自动测试主要是对VCU及其接口电路进行基本特性和功能检测，通过对比分析期望输出与系统实际输出结果来进行评测。

4.1.1 LabVIEW与CANoe交互

CANoe是专业的CAN总线分析工具，结合ActiveX接口、环境变量以及信息变量方式，可以实现LabVIEW对CANoe的调用，即：

a.通过LabVIEW提供的ActiveX接口模块实现CANoe软件控制，主要包括打开、运行、停止等；

b.在CANoe的DBC文件中定义环境变量，并通过LabVIEW对相应环境变量进行读写来实现诊断通信；

c.在CANoe的DBC文件中定义信号名称，并在LabVIEW中通过对相应信号的读写来实现CANoe总线信息读取。

图4 VCU功能自动测试系统软件结构

4.1.2 LabVIEW与测试用例交互

该测试系统采用基于同一个Excel文件编写测试用例和生成测试报告的方式。Excel文件主要内容包括测试用例和测试结果两部分，测试用例主要指测试所需的传感器及其对应数值，分别用测试项和控制参数描述；测试结果主要指根据测试用例测量相应物理信息，并将实测值与参考值进行比较，以检验是否满足预期要求，包括变量信息、判断关系、参考值、实测值和评价等5部分。

以加速踏板传感器测试为例，图5为LabVIEW对Excel文件的读写和执行程序。

图5 LabVIEW读写并执行测试用例的程序

4.2 集成系统功能自动测试系统软件开发

TestStand是可立即执行的测试执行管理软件，用于组织、控制和执行自动化验证测试。集成系统功能自动测试软件开发即基于TestStand进行构架，以LabVIEW为基础设计底层模块，实现传感器信号模拟和信息采集等功能，其软件结构如图6所示。该系统软件开发主要包括Step设计和Sequence设计两部分。

4.2.1 Step模块设计

Step主要基于LabVIEW实现，即根据功能封装不同的VI模块实现不同的功能，LabVIEW VI模块功能如表2所列。

图6 集成系统功能自动测试系统软件结构

4.2.2 Sequence设计

Sequence是TestStand的核心，主要包括Setup、Main和Cleanup等三部分，每部分按照功能需求依次调用表2中相关Step模块。Setup是测试准备程序，包括端口初始化、启动CANoe、执行IG ON；Cleanup是测试完成退出程序，包括执行IG OFF、停止CANoe、端口复位；Main为测试过程，如挡位调节、水温调节等，可以采用Step或子Sequence实现。

以R挡电爬（即不踩加速踏板时车辆低速行驶）功能测试为例，该测试所采用的Sequence结构如图7所示，测试主程序Main主要包括启动测试和R挡电爬功能测试两部分，二者均采用子Sequence实现，分别由若干相关功能的Step组成。

图7 R挡电爬功能测试对应的Sequence序列

5 自动测试系统台架试验

图8为参照实际车辆搭建的电动汽车控制系统测试台架，为便于测试和维护，将前置电机和后置电池分别安装在两个万向轮小车上，所开发的自动测试系统放置在副驾驶员位置，显示器等操作设备位于驾驶员前方。

图8 电动汽车控制系统测试台架

5.1 整车控制器功能自动测试

通过设计测试用例，可以通过该测试系统模拟不同的信号电压，并检测系统解析的水温信息（Motor Coolent Temperature），据此可以获得该传感器信号的电压与温度关系。通过遍历该传感器信号范围（0～5 V），则可以测试得到水温传感器信号的电压-温度关系曲线，如图9所示，根据该测试曲线可完善系统相关模块参数配置，使其可以准确模拟水温传感器信号，进而对温度变化情况下冷却风扇控制等功能进行测试。

图9 测试得到的水温传感器电压-温度关系曲线

5.2 集成系统功能自动测试

集成系统功能自动测试主要用于对VCU所在动力系统进行功能测试。实际车辆环境复杂，不仅要求系统可以在信号正常的情况下工作，还要求能够处理各类信号异常的情况，并保证行车安全，为此需要对集成系统的异常处理安全机制进行全面测试，如行驶过程中真空泵故障等。以驱动过程中挡位异常为例，其测试过程为：首先启动车辆；然后换挡至D挡，电机输出驱动力矩使电机转动；模拟挡位传感器故障，此时VCU识别挡位信号异常，并将其处理为N挡，电机力矩降至0，电机逐渐停止。图10为驱动过程中挡位信号异常时的测试结果。

图10 驱动过程中挡位信号异常时的测试结果

通过该测试可以快速对集成系统的驱动功能以及在驱动过程中挡位异常处理机制做出分析和评价。需要说明的是，由于目前台架上电机没有连接负载，因此会与实际车辆的驱动响应特性有所差异，但并不会影响对异常处理机制的定性分析。类似地，通过调整Main Steps中具体测试内容就可以按照测试需求灵活设定各种操作和工况，从而在短时间内高效地完成大量复杂测试。

6 结束语

针对电动汽车动力系统结构和测试需求，基于NI虚拟仪器开发了一套自动测试系统。首先，基于Lab-VIEW和EXCEL设计了整车控制器功能自动测试程序，以水温传感器测试为例进行了应用，结果表明，该系统可以读取EXCEL文件测试用例、逐条执行、检验测试结果并自动生成报告；然后，基于LabVIEW和TestStand设计了集成系统自动测试程序，以驱动工况挡位异常处理机制为例进行了测试，结果表明，该系统可以实现集成系统的动态协调测试。最后，通过台架测试也验证了所开发的自动测试系统的有效性，简化了测试过程。

1 王克峰.基于虚拟仪器的混合动力电动车车载数据采集分析系统的研制：[学位论文].武汉理工大学,2006.

2 李晓锦,王红磊,倪计民,等.一种基于LABVIEW的混合动力汽车新型上位机平台的设计.汽车工程,2013（4）: 312～316.

3 赵刚.基于虚拟仪器的电动汽车数据采集分析系统的研究：[学位论文].武汉理工大学,2007.

4 宋强,王再宙,王志福,等.基于虚拟仪器的电动汽车牵引电机性能测试系统.仪器仪表学报,2007（11）:2019～2023.

5 Bi W,Wang J.Implementation of power system control board test system of the pure electric vehicle//2010 3rd International Conference on Advanced Computer Theory and Engineering(ICACTE),IEEE,2010（6）:177～181.

6 孙瑞,施国梁.电动车控制器自动测试系统的设计与实现.现代电子技术,2013,36（9）:136～139.

7 叶子.基于LabVIEW的纯电动客车整车控制器测试系统研究与开发：[学位论文].吉林大学,2012.

8 乔海霞.电动汽车安全驱动控制策略的研究及仿真系统的开发：[学位论文].哈尔滨工业大学,2012.

9 Luo Q,Zhao L,He Z.Development of LabVIEW-based Integration Testing System for Vehicle Electronic Control Unit.// Proceedings of the 32nd Chinese Control Conference.2013: 7704～7709.

10 冷亚楠.四轮独立驱动电动车车速估计及滑移率控制方法研究：[学位论文].哈尔滨工业大学,2015.

（责任编辑 文 楫）

修改稿收到日期为2016年7月31日。

Automatic Test System for Electronic Control Units of Electric Vehicle Based on Virtual Instrument

Jing Houhua1,Wang Fang1,Liu Zhiyuan1,Ji Guohuang2
（1.Harbin Institute of Technology,Harbin 150001;2.China FAW New Energy Vehicle Branch,Changchun 130122）

According to the structural features and test requirements of electric vehicle powertrain,we developed an automatic test system for electronic control units of electric vehicle based on NI virtual instrument,and completed system hardware and software design.The system function was verified through test bench.The results indicated that the developed system can read test cases automatically,simulate sensors’signals and inject faults,test both the vehicle control unit and the integrated powertrain,and generate test reports automatically.This test can ensure the control system operate safely and reliably.

Electric vehicle,Electronic control unit,Automatic test,Virtual instrument

U469.72

A

1000-3703（2016）11-0025-04

国家自然科学基金(61403105)、教育部博士点专项基金(20132302120018)、黑龙江省博士后科学基金(LBH-Z13103)资助项目。