2024整车下线测试通信解决方案白皮书

自动化电动汽车生产与测试 整解车决下方线案测试通信 消除电动汽车测试自动化系统瓶颈 整车下线测试通信解决方案 本文目标读者 本白皮书主要面向希望了解汽车测试，尤其是待测设备与测试自动化系统之间通信的自动化专家、测试工程师和工厂规划人员。它详细介绍了在网络拓扑、电磁干扰、数据记录以及测试系统与ECU/RBS连接等所面临的相关挑战并提出潜在的解决方案。 引言 工业和交通运输部门的减碳进程引发了一系列连锁反应，例如使用可再生能源代替化石燃料。其中一个结果就是工业领域和私人家庭的全面电气化。现代汽车是这一转型过程的一个范例。内燃机逐步让位于电动系统，电池包代替了油箱，传动系统趋于简单化，车载充电器、逆变器和热泵成为了汽车不可或缺的组成部分。同时，子系统数量不断增长以及软件定义车辆(SDV)等发展趋势，使得E/E（电子/电气）架构日益复杂化，从而给现场工程师带来了重大挑战。高昂的定价压力不仅对研发，还对汽车生产造成了重大影响，尤其是在电动汽车即将大规模生产之际（IEA，2024）。 这在电动汽车的核心组件—动力电池成本占到整车成本20%~30%的情况下尤为重要（Statista，2023）。鉴于动力电池成本占到总成本约40% （欧盟委员会等，2016），如何提高装配效率和效用无疑成为了生产的焦点。除了作为首要成本因素的电池外，这也同样适用于电动汽车的其他部件。然而，电池在生产中的核心地位不仅归结于其成本，还有其他挑战和因素会对生产构成重大影响。动力电池的主要挑战包括 （Jussani等，2017）： 高可靠性 成本可控 安全性 电磁噪声 测试系统 数据记录 电气隔离 RBS 通用性 新版软件 整车下线测试通信解决方案 ··· ECU ECU ECU 图1：挑战概览 这些发展趋势意味着测试在生产中的重要性日益突出。HMS工业网络的经验也表明，随着开发时间的不断缩短，测试正逐渐从开发阶段转向生产阶段，比如在生产开始(SOP)阶段发布新版软件屡见不鲜，这对测试环境的速度和适应性提出了更高的要求。 网络出错的后果是什么？ 在现代电动汽车生产和测试的大背景下，通信系统和网络会对最终产品的性能、可靠性和安全性造成重大影响。设计不当可能引发各种严重问题，从而造成高昂的成本或造成停产。下面列举了部分问题。 测试系统也受到所有这些趋势和挑战的影响，需要选择性地调整。本白皮书重点探讨测试系统的通信网络，特别是待测设备(DUT)和自动化测试系统之间的交互，还详细介绍了相关挑战并给出了合适的解决方案。 1.高压组件对昂贵的测试系统造成损坏 接地不正确和网络设计缺陷可能会导致待测设备与测试系统之间存在电位差，通过通信线路来平衡。最好的情况下，造成的损坏仅限于收发器；但在最坏的情况下，不仅会损坏待测设 整车下线测试通信解决方案 备，还会损坏测试系统的大部分设备。无论哪种情况，所造成的停产都会引起高昂代价。 2.系统架构存在缺陷且过于复杂 随着厂商和通信节点增多，网络设计日趋复杂化，使得维护和故障排除变得更加棘手，进而影响到网络的稳定性。最糟糕的情况下，通信中断可能会导致停工停产。系统架构可追溯性 通信和网络挑战 CAN和CANFD拓扑 分析通信系统的一个重要指标是所使用的通信标准。当前控制单元倾向于使用CAN和CANFD。CANFD自2015年标准化以来，其重要性和认可度延续至今，不过也存在一些挑战。 ISO11898-1:2015和ISO11898-2:2016标准虽然对 CAN和CANFD进行了规范，但并未提供任何实际应用指南。凭借多年的经验积淀和深厚的专业知识，HMS工业网络能为解决这些协议的限制提供指导和帮助。CAN和CANFD均基于多主机原则，专为两端采用120欧姆端接电阻的清晰线性拓扑结构而设计。 不足往往会导致故障排除和维修耗时数日之久，从而造成巨额损失。 3.周转时间过长 在某些情况下，调整测试系统以适应新的集成阶段对时间和专业知识提出了极其苛刻的要求。在生产环境中，能否快速响应待测设备变化以避免浪费时间尤为重要。  图2：CAN和CANFD网络的长度限制 整车下线测试通信解决方案 R=120 两个终端节点之间的最大总线长度：1Mbit/s时为40米 n n n n R R n n n n 图3：CAN网络的线性拓扑结构 按照这一逻辑，在最高仲裁速率1Mbit/s下理论最大总线长度为40米。然而，CAN协会(CiA)坦言实际应用中可能达不到： “理论上，在1Mbit/s速率下可达到40米。但在实际应用中，受所用的电缆、连接器和其他物理层组件（包括收发器芯片）的影响，真实可达到的长度要短得多。”–CiA 在实践中很难定义一个通用值，因为它会因系统而异。比如，在HMS工业网络参与的项目中，CANFD网络的最大允许电缆长度仅为5~10米。除了比特率，拓扑结构对于CANFD网络的稳定性及其覆盖范围也会造成重大影响。 拓扑结构选择的限制主要归结于CAN和CANFD网络极易受单端线影响，因为未接终端电阻的的线缆末端会发生信号反射；CiA也对此有官方声明： “星形和混合拓扑结构会限制可实现的速度/长度比。建议尽量缩短未端接的单端线和支线的长度。”–CiA 单端线 单端线 n R R n n n 这些结论表明，在生产测试系统中宜采用简单的拓扑结构，以确保即使在最大数据速率下也能实现高稳定性。 图4：单端线和长度问题 整车下线测试通信解决方案 测试系统 电压，给自动化测试和生产系统增添了新的风险，由此增加了因接地回路或瞬态电压导致损坏的可能性。 逆变器 图5：电磁干扰和电气隔离 电池 驱动器 CAN_LowCAN_HighCAN_GND A VV 电磁干扰和电气隔离 网络设计不仅取决于适当的拓扑结构，还需要考虑电磁干扰的潜在影响，并利用电气隔离来保护网络。电机、逆变器和其他开关组件可能会产生峰值电压，主要表现为电磁干扰或网络故障。 另一项挑战是通信系统中各个节点的电气隔离，如待测设备与自动化测试系统之间的隔离。随着纯电动汽车(BEV)的日益普及，动力电池或驱动电机等组件在工作时采用大电流和高 电位差 图6：接地回路以及待测设备和自动化系统之间的电位差 RBS Ethernet LANUSB-AUSB-BSDcard FRC-EP190 6-36VDCREMOTE 测试系统 实时硬件 电池 整车下线测试通信解决方案 图7：将测试自动化系统连接到ECU和RBS 测试自动化系统与ECU和RBS的互连 残余总线仿真(RBS)是生产和测试的一个更复杂问题。顾名思义，残余总线仿真旨在通过仿真模拟不存在的通信节点和信号来确保待测设备中的电控单元(ECU)不会出现错误状态。 RBS LANUSB-AUSB-BSDcard FRC-EP190 6-36VDCREMOTE n n n 图8：残余总线仿真 实时执行此类仿真，尤其是在CANFD和长电缆相配套的高速率下，会导致消息延迟或丢失，进而违反ECU规定的周期时间。采用独立的专用实时硬件尽量缩短电缆长度，同时精确遵守周期时间要求，就能确保测试不出错。生成校验(CRC)和有效计数器的严格时效性也会给许多用户带来挑战。计算循环冗余校验(CRC)的算法可能因OEM厂商、车型或集成阶段而有所不同。此外，确保始终在发送消息前的最后一步进行CRC计算至关重要，这表明针对任何修改的灵活性又是一大挑战。利用专用的实时硬件进行残余总线仿真还引发了一个问题，即如何有效地将测试自动化等系统的目标数据整合到残余总线仿真中。根据应用和可用接口的不同，可使用EtherCAT、以太网或CANFD等各种通信协议来传输目标数据。鉴于测试平台的复杂性以及系统和制造商的多样性，通信协议选择的灵活性也是一个关键因素。 整车下线测试通信解决方案 适应新组件的调整灵活性 如前面章节和引言中所述，现代车辆开发方法及流程对电控单元(ECU)测试提出了重大挑战。 第测一试步 MDF4BLF CSV ... MDF4BLFCSV ... 第测二试步 第测x试步 ... 新版软件的发布和集成阶段往往会导致消息目录变化，进而需要对测试系统进行相应的更改。这还可能涉及更改残余总线仿真，甚至CRC计算的算法。这些调整不仅耗时而且成本高昂，尤其是在生产环境中，可能还需要专门培训的员工。相关的复杂性加剧了故障风险和系统失效可能性。因此，基于以上种种原因，必须实施简单灵活的系统来尽可能减少适应新集 图10：数据记录 成阶段所需的工作量并缩短周转时间。数据记录 新版软件 变化 RBS 测试系统 电池 在汽车生产测试过程中，通信系统面临的另一项关键挑战是记录所有的通信数据，近年来其重要性日益突出。其原因多种多样。总体趋势是收集一切可用数据，从中推断各种结论以获得额外好处。比如，在创建数字孪生时，通信数据对电池特别重要，但其一大动机是质量保证以及针对法律和保修索赔的保护。记录待测设备与测试自动化系统之间的所有通信数据，甚至在多年后仍能用来推断生产质量相关的结论。此外，这些数据还可用于一般分析或故障排除。其中一大挑战是建立清晰的日志文件，以及每个测试步骤和各个待测设备之间的对应关系，确保最大限度的可追溯性。根据应用和使用情况不同，可选择基于信号或消息的日志格式。 图9：适应新组件的调整灵活性 整车下线测试通信解决方案 采用PC平台解决方案还是独立接口？ 有两种方法可以解决上述问题并满足待测设备与测试系统之间的通信要求：PC平台解决方案或独立的车辆通信接口(VCI)。这两种方法各有千秋，详见图11。比如，由于物理限制，纯PC平台解决方案中的CAN和CANFD网络往往会达到其物理范围限制，需使用扩展设备。此外，许多独立的VCI已具有很高的电气隔离性能，能为测试系统提供最大保护。相比之下，许多与PC平台解决方案配套的CANPC接口要么无电气隔 离，要么隔离强度不够，需要使用额外的高强度电气隔离组件，如中继器。 不过，这两种方法的最大差异主要体现在残余总线仿真方面。在纯PC平台解决方案中，整个仿真在计算机上运行。其优势是算力强，可进行更复杂的仿真；主要劣势是Windows和Linux系统无法保证实时能力和不能严格遵守指定的周期时间。相比之下，独立系统价格低、体积 PC平台 测试系统 - + - + 独立设备 测试系统 实时能力 算力 周期时间接口数量RBS复杂性编程工作量 + - + + - + 实时能力 算力 周期时间接口数量RBS复杂性编程工作量 LANUSB-AUSB-BSDcard FRC-EP190 6-36VDCREMOTE 实时硬件 电池 + - 电池 图11：PC平台vs.独立设备 整车下线测试通信解决方案 小，但算力有限。不过它们专为实时仿真和精确时间控制而设计，非常适合小规模的仿真和计算校验。两种方法的另一大区别在于仿真的组态和编程。在计算机上可实施复杂的仿真，但需要大量编程工作；而独立解决方案采用简单的拖放式组态，无需编程工作。这主要体现在周转时间上，因为调整PC平台的残余总线仿真通常比独立解决方案更费时费力。 关于作者 工业网络业务部的产品经理 KristoferKoch HMSIndustrialCom KristoferKoch是HMS工业网络的产品经理，主要负责开发创新型汽车解决方案。LinkedIn个人主页：www.linkedin.com/in/kristofer-koch 工业网络业务部的项目工程师 KarolinaAlbrecht HMSIndustrialCom 的Kar客ol户ina项A目lbr，ec并ht是作H为M现S工场业应网用络工的程一师名为项客目户工项程目师提，供主援要助负。责开发和监督汽车领域 整车下线测试通信解决方案 HMS汽车测试通信解决方案 USB STATUSB 1234 CAN@netNT420 CANbridgeNT420 PWR USR2 USR1 CAN LANUSB-AUSB-BSDcard Ethernet