隨著汽車電氣化的發展，整車用電量增加，且對低電壓電源系統的要求更加苛刻。寶馬集團為低電壓車載電源系統設計并開發了數字孿生。憑借新定義的驗證方法和系統級物理和數字孿生的開發，可以模擬和仿真高度動態的過程，對低電壓電源系統全面施壓，從而快速確定薄弱環節，縮短開發時間并降低成本。

寶馬如何用虛擬方法進行低電壓電源系統的開發

寶馬的終極目標是改用虛擬方法進行低電壓電源系統的開發，從而實現數字孿生。因此，對于連接到電源系統并影響電源系統行為的組件而言，需要使用精確模型。跨越多個汽車安全完整性等級(ASIL)的安全相關組件包括制動器、轉向系統、風擋刮水器、前燈、中央電子控制單元(ECU)以及用于目標識別的傳感器。電力電子驅動的機器、音頻增強器、風扇和放大器等大功率組件會影響電源系統的電壓穩定性。因此，電源和線束需要精確模型。

作為第一步，寶馬在組件級測試臺上對物理組件進行了特性分析，從而改進了這些模型。之后，他們通過道路測試并在實驗室中重新回放這些現象，記錄了電子行為。最后，寶馬開發出了一款系統級測試臺作為實驗室內的物理孿生(請參見圖01)，用于相對于現實驗證數字孿生的結果。寶馬將道路測試中記錄的電波形注入到物理和數字孿生的電源系統中，進一步優化仿真。物理孿生還包括模擬和仿真技術，以便通過注入干擾，模仿真實的駕駛、啟動和故障行為。

在寶馬實現這個多階段模型特性分析和驗證流程(包括上述系統級驗證測試臺)之前，虛擬開發已經成功提供了長期過程(例如行駛周期)的有效結果。首個低壓車載電源系統測試臺通過適當負載有初步改善，不過還沒有考慮高動態的影響。

隨著功能安全的進一步開發，尤其是高度自動駕駛汽車(HAV)和完全自動駕駛汽車(FAV)的重點開發，故障安全功能和故障運行功能變得更加重要。同時，這些安全功能和現有的非安全關鍵型設備和子系統(例如暖通空調系統)都連接到同一個能量(電壓)源。這可能會給安全相關組件以及舒適系統帶來嚴重影響。憑借新定義的驗證方法及系統級物理和數字孿生的開發，可以模擬和仿真這些高度動態的過程，對低電壓電源系統全面施壓，從而快速確定薄弱環節，促進設計和采取適當的應對措施。

NI的產品如何發揮作用

在這一部分，我們將詳細介紹，寶馬如何使用NI的產品搭建測試系統。

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利用能夠高速進行高精度測量和過程細化的高性能模塊化儀器，滿足前述要求。模塊化設計支持可自定義的測試應用。NI的實時PXI系統可滿足這些要求。儀器充當中央測試系統和主連接，可保證無縫集成全面協調(時間、觸發器、同步)整個系統級驗證測試臺所需的所有必要測量和控制功能。

PXI硬件通過工程軟件產品(包括LabVIEW和VeriStand)進行控制。除此之外，測量系統架構允許將第三方工具和設備完全集成到整個裝置中，從而保留這些工具和設備上的現有儀器(例如用于殘余總線仿真的Vector CANoe)。這款基于軟件互聯PXI的測試系統已經成為一種全功能解決方案，可以處理第三方設備的通信總線仿真、測量和控制，例如電子負載、源和內部開發的原型，以及用于安全環境的邏輯接口，其中包括安全開關、繼電器、斷路器等(請參見圖02)。

建立的測量裝置支持開發高度自動化的測試序列，從而在整個驗證工作流中實現以前從未實現過的可重復性。當前系統的前代產品是作為慕尼黑工業大學與寶馬之間的一個合作項目而開發的，因此寶馬對于可重用的高性能模塊化儀器擁有很多積極體驗。模塊化儀器還可滿足苛刻的要求，例如高頻測量(>3 MS/s)、與第三方產品的通信、測試自動化功能和結果報告的自動生成。此外，軟件工具鏈非常全面，無論是專家還是學生，都可以獲得簡單的測試解決方案。

而且，PXI系統的模塊化和可擴展設計支持在任何時間點擴展和調整測量和控制功能，因此可以對裝置進行優化，從而輕松且經濟高效地應對未來的挑戰和要求。像SCB-68接線盒以及SH96連接器和電纜這樣的標準化連接概念細節雖然簡單，但功能強大，必要時可以輕松地升級系統以增強性能。

所用模型可直接從組件供應商采購，也可由寶馬自己開發。所用仿真工具和編程語言包括MathWorks MATLAB和Simulink軟件、Plexim PLECS、Python、Modelica Dymola等。內部開發的模型通常通過系統識別方法生成，并且/或者通過從每個組件獲取電流或功率曲線來進行設計，以便執行適當的設備特性分析。這同樣包括測量反向高動態電流脈沖和故障注入行為。用于對系統進行負荷測試的信號的范圍為0 kHz至150 kHz。獲取的曲線隨后導入仿真系統作為查找表，以便進一步微調和改進現有模型。

降低成本、縮短開發時間，寶馬都做到了

借助這種驗證低電壓電源系統的新方法(包括物理和虛擬測試技術)，寶馬能夠利用新模型開發方法設計全新模型。目前可以在整個設計和開發過程中更早地發現新缺陷，從而縮短開發時間并降低成本，因為工程師可以快速追蹤到初始的更高質量原型。生成的數據和見解可以與供應商和寶馬內部相關人員共享，從而進一步改進其模型。

由于對前述物理-數字設計流采取了穩定性應對措施，目前某些已使用模型的運行速度提高了95%，而在10 kHz至100 kHz范圍內對電源系統的干擾已經降低了75%。此外，在150 kHz以下的頻率范圍內，新模型和改進模型與真實組件相比，已經實現小于5%的偏差。因此，據PANDA項目等研究計劃預測，寶馬有信心將開發周期加快20%，從而通過數字設計縮短產品上市時間。

該解決方案中用到的NI產品如下：

PXI系統

基于FPGA的多功能I/O

VeriStand

LabVIEW

原文標題：開發周期加快20%，寶馬是如何利用數字孿生方案做到的?

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審核編輯：湯梓紅