研究背景

随着碳达峰、碳中和目标升级为国家战略，将推动经济社会发展全面绿色转型，大力发展新能源汽车是实现双碳目标的重要举措。电驱系统是新能源汽车的重要组成部分，它的开发是新能源汽车开发过程中的重要环节，高效的开发模式有助于加快开发速度，更快实现产品落地。随着实时仿真技术的发展，将实时仿真应用到新能源电驱开发过程中成为了可能。

应用挑战

传统使用硬件平台的开发模式搭建硬件平台所需时间长，前期缺少硬件平台或者更换硬件平台的过程中往往无法测试控制器。单纯采用离线仿真的方式由于缺少物理IO难以验证控制器，使用HIL半实物仿真可以单独测试控制器，同步硬件平台和控制器的开发。实物平台测试的过程中需要用到的测试设备众多，部分工况例如逆变器故障，过流等复现困难。并且在控制器开发前期过程中由于鲁棒性不强，测试过程可能具有一定危险性。使用HIL半实物仿真在控制器前期的功能性开发过程中可以任意修改拓扑，设定不同的实验条件，加快开发和测试的速度。

StarSim半实物仿真方案

远宽能源自研HIL仿真平台采用FPGA+CPU架构，可以协同仿真不同步长的模型。支持小步长仿真永磁同步，异步电机等多种电机模型；拥有多种通讯接口，便于测试控制器通讯功能；有着丰富的物理IO，包括高速模拟输出，数字输入，提供了小步长仿真的硬件基础。

仿真对象

CPU仿真电池模型

新能源汽车往往采用电池作为逆变器直流侧电源，电池的端电压会随着SOC，输出电流等变化。另一方面逆变器时常工作在能量回馈的工作状态，即将电机的能量通过逆变器回馈给电池充电。

远宽能源的HIL仿真器采用CPU+FPGA的架构，可以在CPU中仿真电池模型，并且支持用户自己搭建电池的数学模型，实现多种电池的仿真。

FPGA solver仿真任意拓扑变流器

基于远宽能源全自研的FPGA solver可以仿真任意拓扑变流器。前级Boost升压变流器，后级DC/AC逆变器均可根据需求搭建。

支持的电机模型

线性电机

电机电感在电流变化时为常量，使用较为简单，只需输入电机的参数即可。支持永磁同步电机，交流感应电机等类型。

CPU自定义电机

用户可以在CPU中编写电机的数学方程，在FPGA上仿真逆变器拓扑。相较于线性电机仿真具有更高的灵活性，可以满足不同电机建模的需求。

非线性电机

实物电机中存在电感非线性，空间谐波等问题，使用专业的电机建模软件可以生成电机模型文件，例如ANSYS公司的ECE模型。

如下图所示，电机的dq轴电流随着dq轴磁通的变化存在明显的非线性。

技术亮点

• 丰富的电机位置传感器支持：包含霍尔传感器，增量式编码器，旋转编码器，用户可以根据实际需求配置。

• 高速采样和极低延时：电驱系统的逆变器开关频率通常在10kHz以上，准确采样PWM信号非常重要，远宽能源自研HIL产品提供了高达10MHz的DI数字信号采样能力，并且DI到FPGA仿真solver延时极低。

• 丰富的通讯接口：包括ModBus，串口，CAN通讯等