TMS HIL&RCP全栈解决方案

随着汽车电动化和智能化的发展，整车能量管理内容增多，对汽车能量管理的要求也越来越高，从整车层面出发对各子系统进行能量统筹管理将成为电动汽车未来的发展趋势，其中汽车热管理是整车能量管理的重要组成部分，高效的整车热管理系统对于提高车辆性能、延长电池寿命以及增加乘员的舒适度至关重要。

目前汽车热管理已从传统分散式热管理系统发展成为集成式智能化的热管理系统，集成式智能化热管理系统通过整合车辆各系统的热管理需求，优化能量利用率，为现代汽车（尤其是新能源汽车）带来了多方面的显著优势，主要体现在：

1. 提升能量利用效率：余热回收与再利用、动态分配热能、降低系统总能耗；

2. 优化车辆性能与可靠性：精准温控、防止极端工况、系统协同响应；
3. 降低成本和空间占用：硬件集成化、轻量化设计、简化布局；
4. 提升用户体验：快速调节座舱温度、降低噪音、缓解续航焦虑；
5. 环保与可持续发展：减少碳排放、延长电池寿命、兼容绿色制冷剂；
6. 适应未来技术发展：支持高压快充、兼容多能源架构、奠基智能化发展。

图1 整车热管理系统

从技术研发角度出发，集成式智能化热管理技术在系统研发中面临以下主要困难：

1. 系统复杂性增加：利用多通阀或者管路，将电池、电驱回路与空调系统的部分或全部回路连通，形成一个大的循环回路；
2. 热耦合效应：各子系统之间存在热耦合，某一子系统的变化可能影响整体性能，增加了系统设计和优化难度；
3. 能量管理挑战：系统需在满足热管理需求的同时优化能量使用，对能量管理提出更高的要求；
4. 控制策略复杂：需要开发复杂的控制策略，确保各子系统在不同工况下高效运行，同时满足整车性能要求；
5. 仿真与测试难度：集成式系统仿真和测试更为复杂，需建立精确的模型及大量的测试用例进行测试验证；
6. 可靠性和耐久性：系统需在各种工况下长期稳定运行，增加了可靠性设计和测试的难度；
7. 成本控制：集成式系统可能增加硬件、软件以及测试成本，需在整车性能和成本之间找到平衡。

利用硬件在环（Hardware-in-the-Loop,HIL）测试技术，对整车集成式热管理系统的研发和测试带来显著的优势：

• 早期验证与迭代：HIL测试允许在整车原型尚未完成时，对热管理系统进行功能验证和控制策略优化，大幅缩短开发周期；
• 并行开发：热管理系统硬件（如压缩机、水泵和水阀等）和软件（如控制算法）可以同步开发和测试，减少传统串行开发的等待时间。

• 多子系统协同测试：HIL测试平台可集成电池、电机、空调等多个子系统的硬件和仿真模型，验证集成式热管理系统的整体性能；
• 全工况模拟测试：HIL测试可以在实验室环境中模拟极端温度、湿度等复杂工况，覆盖传统实车测试难以实现的场景；
• 软硬件接口验证：通过HIL测试，可提前发现并解决软硬件接口（如传感器信号、执行器控制）的兼容性问题；
• 故障注入与边界测试：可主动注入传感器、执行器等电气及失效等故障，验证系统的鲁棒性和容错能力。

• 减少实车测试依赖：HIL测试可在实验室完成大部分功能验证，减少对实车测试的依赖，降低测试成本（如路试费用、环境舱费用）；
• 避免硬件损坏风险：在虚拟环境中测试极限工况（如过热、过冷），避免因测试失误导致的硬件损坏或安全事故；
• 优化资源利用：通过HIL测试提前发现设计缺陷，减少后期修改成本，并优化测试资源分配。

综上，HIL测试为整车集成式热管理系统的研发和测试提供了高效、灵活、安全的验证手段，显著提升了开发效率、测试覆盖率和系统可靠性。通过HIL测试，研发团队能够在早期阶段发现并解决问题，降低开发成本与风险，同时支持复杂控制策略的开发与优化，为下一代智能电动汽车的热管理技术突破奠定坚实基础。

整车热管理HIL测试系统是一个复杂的集成平台，旨在模拟整车热管理系统的运行环境，并对其硬件和软件进行实时测试。该系统通常包括以下三大核心部分：

图2 整车热管理 HIL测试系统架构

• 开发热管理被控对象实时仿真模型，包括：空调回路（压缩机模型、冷凝器模型、膨胀阀模型、蒸发器模型等），电机回路（电子水泵模型、多通水阀模型、电机热模型等），电池回路（电池热模型、chiller模型、电子水泵模型、多通水阀模型等）；
• 编译下载并运行被控对象模型；
• 试验管理：运行试验管理软件，搭建测试界面实现在线调参，波形显示，数据记录等；
• 自动化测试：运行自动化测试软件，实现对被测控制器自动化测试。

• 实时仿真机：高性能实时计算设备，运行整车热管理系统仿真模型；
• IO接口模块：提供数字量、模拟量、CAN总线、LIN总线等接口，实现仿真系统与被测控制器之间的数据交互；
• 信号调理模块：用于将仿真模型输出的信号转换为被测控制器可接受的信号（如电压、电流、PWM信号），并将被测控制器的反馈信号（如温度、压力）经过调理传输回仿真模型；
• 故障注入模块：用于测试过程中向被测控制器注入相应的电气故障。

• 专用于控制热管理系统的硬件设备。

实时仿真机，包括CPU、RAM和SDD，通过PCIe总线扩展数字量IO模块，模拟量IO模块，CAN/LIN总线IO模块，并通过千兆以太网与上位机进行数据交互。

图3 实时仿真机

• Intel Core/Xeon多核高性能CPU，支持升级；
• 支持并行多核，多目标机和FPGA的实时运行；
• 灵活可扩展I/O模块；
• 适用于桌面及机柜式HIL应用（低噪音）；

基于Simscape开放的多物理域仿真平台，在Simscape Electrical(电气系统)、Simscape Battery(电池系统)、Simscape Fluids(流体系统)、Simscape Multibody(多体动力学系统)以及Simscape Driveline(传动系统)等领域具有丰富的专业库，使其能够应对更加复杂的多物理系统建模需求。

图4 Simscape开放的多物理域仿真平台

Simscape Fluids(流体系统)中集成了整车热管理建模的丰富模型库，包括：Two-Phase Fluid(两相流)、Thermal Fluid(热流)、Moist Air(湿空气)等模块，工程师可根据热管理原理拓扑图方便高效的搭建整车热管理模型，简化了对热力学复杂公式的推导，模型部件与实际部件对应，模型可识度较高，有助于团队之间的沟通与合作。

图5 Simscape Fluid库

如下图所示，由Simscape Fluid库搭建整车热管理模型，包括空调回路、电驱回路、电池回路以及暖风回路，可覆盖乘员舱制冷、乘员舱制热、电池冷却、电池加热、电驱冷却、余热回收、热泵串联模式以及并联模式等，满足众多模式的控制测试。

图6 整车热管理模型

连接相关信号的线束，将模型下载至实时仿真机中并运行，通过上位机发送相关指令，实时模拟测试工况，进行实时仿真测试，并实时记录相关测试数据和波形。

TMS主要测试项目：

1. 乘员舱制冷工况：环境温度40℃，车辆按照NEDC+高速行驶工况运行，设置乘员舱目标温度为21℃，运行3600s；
2. 乘员舱制热工况：环境温度-10℃，车辆按照NEDC+高速形式工况运行，设置乘员舱目标温度为25℃，运行3600s；

测试波形如下：

图7 乘员舱制冷工况

图8 乘员舱制热工况

熠速在热管理TMS HIL系统拥有丰富的积累和实际项目案例，主要特点如下：

汽车热管理系统快速控制原型(Rapid Control Prototype,RCP)是一种用于开发和测试汽车热管理系统控制测试的先进工具和方法，它通过实时仿真设备，使工程师能够在开发的早期阶段快速设计、测试和优化控制算法。

在TMS RCP应用中，熠速为用户提供一套完整的解决方案，包括：实时仿真机、特定的IO和功率驱动模块、实时调参和观测数据软件，运行用户开发的控制算法模型，来控制整个热管理系统。

图9 热管理系统RCP

RCP实时仿真机与上文介绍的HIL实时仿真机结构相同，区别在于RCP的实时仿真机中运行控制算法模型，因此IO接口需求和HIL是不一样的。

针对热管理系统接口需求，实时仿真机具备了丰富的IO接口类型，以便充当为一个“万能控制器”，适配于不同项目的算法开发验证。熠速所提供的RCP方案包含百余中IO模块，支持多种类型的IO和协议。

图10 丰富的IO接口类型

热管理系统的控制也需要满足对系统中各部件的驱动应用，如电子膨胀阀、电子水阀、风扇、鼓风机等，熠速也提供了相应的驱动模块，包括：高边驱动、低边驱动、H桥驱动及步进电机驱动模块等，用户可以直接将其与实时仿真机连接用于驱动各执行部件。

图11 功率驱动模块