一種基于AUTOSAR的BMS軟件系統(tǒng)編譯技術(shù)路線

楊 桃，李曙生，鄒海曙，吉 盛

（1.江蘇春蘭清潔能源研究院有限公司；2.泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 泰州 225300）

隨著全球金融危機、生態(tài)環(huán)境惡化與能源、資源枯竭等問題的加劇，大力研究和利用新能源汽車相關(guān)技術(shù)及促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展已成為世界汽車工業(yè)競爭的一個新焦點，美國、日本、德國等世界主要汽車制造強國紛紛加入搶占新能源汽車技術(shù)和市場制高點的行列。2015年5月，國務(wù)院印發(fā)我國實施制造強國戰(zhàn)略行動綱領(lǐng)《中國制造2025》，強調(diào)要大力推動節(jié)能與新能源汽車領(lǐng)域的突破發(fā)展，進(jìn)一步推動節(jié)能與新能源汽車核心技術(shù)的工程化和產(chǎn)業(yè)化能力，形成從關(guān)鍵零部件到整車的完整工業(yè)體系和創(chuàng)新體系。2016 年10 月，中國汽車工程學(xué)會發(fā)布《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》，指出預(yù)計到2030 年我國節(jié)能與新能源汽車的銷量將占汽車總銷量的40%～50%。在各項政策的推動下，國內(nèi)汽車企業(yè)不斷增加對新能源汽車及相關(guān)零部件的研發(fā)投入，在突破動力電池、電驅(qū)動、電控等關(guān)鍵技術(shù)，完善基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，推動新能源汽車產(chǎn)業(yè)化等方面取得了長足的進(jìn)步，這意味著在未來十幾年，我國新能源汽車市場需求將急劇擴大，相關(guān)核心技術(shù)將迎來前所未有的發(fā)展機遇。

隨著國家政策的推動和汽車行業(yè)的發(fā)展，新能源汽車的發(fā)展如火如荼地進(jìn)行著。BMS（Battery Management System，電池管理系統(tǒng)）作為動力電池的核心部件能夠完成對動力電池的精確管理與安全保障，BMS的性能優(yōu)劣將直接決定電動汽車的動力性能、續(xù)航里程與安全。將AUTOSAR（AUTOmotive Open System Architecture 汽車開放系統(tǒng)架構(gòu)）技術(shù)引入到BMS 系統(tǒng)研發(fā)中，對探索基于AUTOSAR的BMS軟件系統(tǒng)編譯技術(shù)路線，優(yōu)化BMS算法，實現(xiàn)高效研發(fā)具有重要意義。

1 AUTOSAR架構(gòu)的技術(shù)概述

AUTOSAR架構(gòu)由全球汽車制造商、部件供應(yīng)商及其他電子、半導(dǎo)體和軟件系統(tǒng)公司聯(lián)合建立，各成員保持開發(fā)合作伙伴關(guān)系。自2003年起，各伙伴公司攜手合作，致力于為汽車工業(yè)開發(fā)一個開放的、標(biāo)準(zhǔn)化的軟件架構(gòu)。AUTOSAR架構(gòu)有利于車輛電子系統(tǒng)軟件的交換與更新，并為高效管理愈來愈復(fù)雜的車輛電子、軟件系統(tǒng)提供基礎(chǔ)。

圖1所示為AUTOSAR的層次架構(gòu)，分三個層次，分別是應(yīng)用層（Application Layer）、運行時環(huán)境（RTE）層、基礎(chǔ)軟件（BSW）層（見圖1）。

圖1 AUTOSAR架構(gòu)

應(yīng)用層（Application Layer）由各種相互通信的AUTOSAR 應(yīng)用軟件組件組成，實現(xiàn)BMS 部分或全部功能，是BMS的核心技術(shù)。

運行時環(huán)境（RTE）層負(fù)責(zé)應(yīng)用層（Application Layer）與基礎(chǔ)軟件（BSW）層之間的通訊，系統(tǒng)中的所有軟件組件均需以RTE 為通道與基礎(chǔ)軟件BSW 或其他組件進(jìn)行信息交互，使得各應(yīng)用軟件的實現(xiàn)并不依賴于硬件平臺和系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成[1]。

基礎(chǔ)軟件（BSW）層主要用于提供基礎(chǔ)軟件服務(wù)，包括標(biāo)準(zhǔn)化的系統(tǒng)功能以及功能接口，并且由一系列的基礎(chǔ)服務(wù)軟件組件構(gòu)成，包括系統(tǒng)服務(wù)、內(nèi)存服務(wù)、通信服務(wù)等。

2 動力電池管理系統(tǒng)（BMS）功能

新能源汽車區(qū)別于傳統(tǒng)車最核心的技術(shù)是“三電”，即動力電池、電驅(qū)動、電控。動力電池是新能源汽車的動力來源，為新能源汽車的行駛提供源源不斷的能量，是新能源汽車的心臟。動力電池管理系統(tǒng)（BMS）是動力電池的核心部件，通過對動力電池進(jìn)行全方位的實時監(jiān)控、管理和保護，提高電池的性能和使用效率，進(jìn)而提高整個系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，確保新能源汽車的安全。BMS有如下基本功能：

動態(tài)監(jiān)測單體電池或電池組電壓，實時采集單體電池或電池組的端電壓，測量精度≤±0.5%FS。

動態(tài)監(jiān)測單體電池或電池組溫度，實時采集單體電池或電池組溫度場的溫度，測量精度≤±2℃。

單體電池或電池組電壓均衡管理，均衡管理的目的是“削峰填谷”。即在充電、放電或擱置過程中，通過外加電路對電池充放電電流的調(diào)節(jié)，使電池的電壓達(dá)到較好的一致性，均衡后電池間SOC差≤10%。

動態(tài)監(jiān)測電池系統(tǒng)總電壓，實時采集電池系統(tǒng)輸出總電壓，測量精度≤±2%FS。

動態(tài)監(jiān)測電池系統(tǒng)總電流，實時采集電池系統(tǒng)輸出總電流，測量精度≤±3%FS。

電池荷電狀態(tài)（SOC）估算，SOC 估算一直是BMS 中非常關(guān)鍵的技術(shù)問題，是整車控制策略制定的重要依據(jù)，因此對SOC 的估算精度（尤其是動態(tài)精度）要求較高，SOC估算精度≤10%。

電池健康狀態(tài)（SOH）估算，SOH 反映電池容量、健康度、性能狀態(tài)，是電池使用一段時間后性能參數(shù)與標(biāo)稱參數(shù)的比值，當(dāng)電池充滿電時的容量低于電池額定容量的80%時，電池就應(yīng)該更換。老化電池性能嚴(yán)重下降，且容易引發(fā)各種安全問題。如果能準(zhǔn)確估算電池健康狀態(tài)，及時提醒人們更換新電池，可以避免老化電池使用過程中發(fā)生不可預(yù)知的安全問題，同時還可以避免過早更換新電池造成資源浪費。

電池系統(tǒng)熱管理，根據(jù)動態(tài)監(jiān)測單體電池或電池組溫度數(shù)據(jù)，通過導(dǎo)熱介質(zhì)、溫控裝置構(gòu)成的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，適時對動力電池采取加熱、散熱、溫度均恒措施，使動力電池保持在10～30℃的溫度范圍之內(nèi)，維持其最佳的使用狀態(tài)，保證電池系統(tǒng)的使用性能、安全和壽命。

電池系統(tǒng)絕緣電阻監(jiān)測，動力電池系統(tǒng)屬高壓帶電系統(tǒng)，電氣安全直接關(guān)系到乘客的人身安全，絕緣失效會造成高壓對人體的直接傷害，因此絕緣電阻的檢測是重要環(huán)節(jié)，一般通過檢測電池正對地、負(fù)對地的絕緣電阻來判定絕緣性能。

故障診斷處理，通過動態(tài)監(jiān)測動力電池的工作狀態(tài)，對過溫、過電壓、欠電壓、過流、SOC過低、絕緣電阻報警等故障及時診斷處理，并通過CAN通信報給整車ECU。

CAN通信，CAN通信是一種控制器局域網(wǎng)絡(luò)，屬于工業(yè)現(xiàn)場總線的范疇，與一般的通信總線相比，CAN 總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性，在汽車領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛。BMS 的CAN通信一般由內(nèi)部CAN總線和外部CAN總線組成，內(nèi)部CAN總線完成BMS主控制器與各子系統(tǒng)控制器之間的數(shù)據(jù)交換，外部CAN 總線完成BMS與整車之間的數(shù)據(jù)交換。

3 基于AUTOSAR 的BMS 軟件系統(tǒng)編譯技術(shù)路線

AUTOSAR 架構(gòu)有利于BMS 軟件的開發(fā)與更新，為高效管理日漸復(fù)雜的軟件系統(tǒng)提供基礎(chǔ)，并且在確保產(chǎn)品及服務(wù)質(zhì)量的同時降低了成本，提高了效率，依托汽車開發(fā)V 模式，實現(xiàn)將控制模型直接移植到目標(biāo)BMS的無縫連接。

AUTOSAR 層次化的軟件架構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)化的接口以及虛擬功能總線的這些特點使得基于AUTOSAR 的開發(fā)方式能夠?qū)崿F(xiàn)軟硬件相互脫離，驅(qū)動代碼以配置的形式自動生成，應(yīng)用代碼的自動生成以及工具鏈之間的無縫連接，不用像傳統(tǒng)方式一樣在應(yīng)用代碼生成之后進(jìn)行繁瑣的應(yīng)用代碼和驅(qū)動代碼之間的拼接工作，標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)流程和AUTOSAR 工具鏈的配合使得在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)下，任務(wù)可以分散進(jìn)行，然后集中起來配置，這些都大大加速了電子系統(tǒng)的開發(fā)速度，標(biāo)準(zhǔn)化的接口定義也使得產(chǎn)品集成后的一致性和可靠性得到保證[2]。

基于AUTOSAR 的開發(fā)方法，從總體軟件架構(gòu)的設(shè)計到軟件組件的應(yīng)用代碼，再到底層驅(qū)動代碼、底層服務(wù)代碼以及RTE 代碼，依托AUTOSAR 工具鏈來進(jìn)行。

搭建MATLAB/Simulink 功能模型。根據(jù)功能需求在Simulink 環(huán)境下搭建功能模型，并進(jìn)行仿真分析。然后將Simulink 模型轉(zhuǎn)化為Targetlink 模型，并根據(jù)實際需要進(jìn)行變量定標(biāo)、算法優(yōu)化、設(shè)置代碼生成選項等工作，并針對Targetlink 模型進(jìn)行仿真分析。

自動生成代碼及在環(huán)測試。在模型驗證通過后，通過Targetlink 工具自動生成C 語言代碼。進(jìn)行Tasking 集成編譯鏈接，將生成的.s19 文件下載至硬件平臺。先進(jìn)行軟件在環(huán)測試，測試軟件代碼的功能與性能能否滿足要求，再進(jìn)行硬件在環(huán)測試，用于測試應(yīng)用層軟件與底層軟件的兼容性。

技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 技術(shù)路線

4 結(jié)語

BMS 通過對電池組實施有效管理，有利于確保電動汽車的安全，保障電池組的性能，提高電池使用效率，進(jìn)而提高整個系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。探索基于AUTOSAR 的BMS 軟件系統(tǒng)編譯技術(shù)路線，通過對BMS 的功能與性能的深入了解，對其進(jìn)行基于MATLAB/Simulink 的應(yīng)用層可視化模型搭建，得到結(jié)構(gòu)緊湊、故障率少的自動代碼，對其進(jìn)行軟硬件在環(huán)仿真和實車搭載試驗，不斷調(diào)試與修改，得到準(zhǔn)確無誤、性能優(yōu)異的BMS 系統(tǒng)，這對于節(jié)約編寫代碼的時間，縮短BMS 項目的開發(fā)周期，提高BMS 代碼的準(zhǔn)確性具有重要意義，同時提升了新能源汽車動力電池管理系統(tǒng)的競爭力，帶動了相關(guān)產(chǎn)業(yè)升級，促進(jìn)新能源汽車行業(yè)發(fā)展。