隨著電動(dòng)汽車行業(yè)的蓬勃發(fā)展，交通電氣化正逐步改變著車輛的設(shè)計(jì)、測試及制造流程。在這一變革中，控制器硬件在環(huán)（C-HIL）技術(shù)，亦被稱為信號(hào)級(jí)硬件在環(huán)，已成為電力電子控制固件測試的一種新興手段。相較于包含功率流的測試方法，如功率硬件在環(huán)設(shè)置，C-HIL以其易用性、廣泛的自動(dòng)化測試覆蓋率和較低的成本，贏得了業(yè)界的廣泛關(guān)注。
電動(dòng)汽車的普及，使得固定充電器和車載充電器（OBC）成為了行業(yè)焦點(diǎn)，同時(shí)也為電動(dòng)出行帶來了新的挑戰(zhàn)。為了支持電動(dòng)汽車充電器控制的開發(fā)與測試，利用C-HIL技術(shù)高保真度實(shí)時(shí)模擬高開關(guān)頻率電源轉(zhuǎn)換器顯得尤為重要。然而，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)面臨著諸多挑戰(zhàn)，需要采取創(chuàng)新的解決方案。
在電力電子實(shí)時(shí)仿真領(lǐng)域，基于FPGA的仿真器扮演著核心角色。設(shè)計(jì)這類平臺(tái)時(shí)，需綜合考慮開關(guān)模型復(fù)雜性、可實(shí)現(xiàn)的時(shí)間步長和易用性三大因素。開關(guān)模型可以從高詳細(xì)瞬態(tài)模型到理想開關(guān)模型，乃至平均轉(zhuǎn)換器模型不等，時(shí)間步長則根據(jù)模型復(fù)雜性而異，從皮秒級(jí)到每個(gè)開關(guān)周期一個(gè)仿真步長不等。而易用性方面，則需在手動(dòng)編碼優(yōu)化與通用仿真方法之間找到平衡點(diǎn)。
Typhoon HIL平臺(tái)專為電力電子應(yīng)用而設(shè)計(jì)，通過圖形原理圖編輯器、理想開關(guān)模型和GDS過采樣等技術(shù)，成功解決了上述挑戰(zhàn)。圖形原理圖編輯器允許用戶以圖形化方式設(shè)計(jì)電路，無需生成VHDL代碼，大大簡化了設(shè)計(jì)流程。理想開關(guān)模型則能夠在高保真度下模擬電力電子轉(zhuǎn)換器，同時(shí)避免了亞納秒級(jí)時(shí)間步長的需求。GDS過采樣技術(shù)則提高了換相事件檢測的分辨率，進(jìn)一步提升了仿真精度。
在電動(dòng)汽車充電器中，DC-DC轉(zhuǎn)換器是關(guān)鍵組件之一。實(shí)時(shí)模擬這些轉(zhuǎn)換器，尤其是高開關(guān)頻率下的DC-DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如雙有源橋（DAB）和諧振（LLC, CLLLC）轉(zhuǎn)換器，面臨著諸多挑戰(zhàn)。高開關(guān)頻率減少了高頻變壓器的體積和重量，但也對(duì)仿真時(shí)間步長和功率傳輸保真度提出了更高要求。
Typhoon HIL通過與工業(yè)合作伙伴的協(xié)作研究，發(fā)現(xiàn)DAB和LLC模型在200 ns及更低的時(shí)間步長下仍難以提供足夠的保真度進(jìn)行HIL測試。為此，Typhoon HIL開發(fā)了一種專門的DC-DC轉(zhuǎn)換器求解器，能夠以25 ns的時(shí)間步長模擬DAB和LLC系列轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)了多速率仿真。這一技術(shù)顯著提高了仿真保真度，同時(shí)保持了易用性。
為了驗(yàn)證該求解器的性能，Typhoon HIL創(chuàng)建了一個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)置，使用外部控制器模擬控制器時(shí)鐘與仿真器時(shí)間基準(zhǔn)不同步的現(xiàn)實(shí)場景。測試結(jié)果表明，該求解器在高達(dá)300 kHz的開關(guān)頻率下表現(xiàn)良好，能夠準(zhǔn)確模擬DAB和LLC轉(zhuǎn)換器的功率傳輸特性。
Typhoon HIL還測試了幾種LLC諧振轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)，考慮了不同的開關(guān)頻率和特征阻抗。仿真數(shù)據(jù)表明，在最高達(dá)500 kHz的開關(guān)頻率范圍內(nèi)，仿真結(jié)果均表現(xiàn)出色。除了高性能外，該求解器還優(yōu)化了資源利用率，單個(gè)HIL606設(shè)備上最多可模擬8個(gè)轉(zhuǎn)換器。
自2022年以來，基于DC-DC求解器的模型已成功應(yīng)用于先進(jìn)充電應(yīng)用中的控制開發(fā)和測試。Typhoon HIL的優(yōu)化求解器方法不僅提供了高仿真保真度，還保持了離線仿真平臺(tái)的易用性，為電動(dòng)汽車充電器的開發(fā)與測試提供了有力支持。
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