電動汽車用電池管理系統(tǒng)測試平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

程 浩，蔣立琴，何志輝，李 軍，王記磊

（廣東省珠海市質(zhì)量計量監(jiān)督檢測所，珠海 519000）

近十年以來，電動汽車行業(yè)在政府政策的引導(dǎo)下蓬勃發(fā)展，一直以來追求高容量、大續(xù)航里程，但隨著電動汽車事故頻發(fā)，其主要風(fēng)險來自動力電池系統(tǒng)，因此行業(yè)對動力電池的安全性、可靠性越來越重視[1]。電池管理系統(tǒng)（BMS）作為連接動力電池系統(tǒng)的“大腦”，主要任務(wù)是保證動力電池系統(tǒng)的安全性、耐久性、以及動力性，一般具有電池參數(shù)監(jiān)測、電池狀態(tài)分析、電池安全保護、能量管理控制、電池信息管理等功能[2]。

但是目前BMS市場標(biāo)準(zhǔn)的缺失和不完善性，導(dǎo)致國內(nèi)市場BMS測試系統(tǒng)具有功能不完善、測試精度不足、自動化程度不高等問題[3]。因此，本文基于PXI硬件架構(gòu)以及LabVIEW軟件開發(fā)環(huán)境設(shè)計了一款模塊化集成的BMS測試平臺，滿足BMS汽車行業(yè)推薦標(biāo)準(zhǔn)的測試項目，適用于電動汽車用BMS產(chǎn)品的出廠檢驗與型式檢驗項目，并且模塊化的平臺設(shè)計有利于后續(xù)對BMS測試功能的拓展與升級。

1 BMS測試系統(tǒng)平臺架構(gòu)及功能

1.1 BMS測試系統(tǒng)平臺架構(gòu)

BMS測試系統(tǒng)架構(gòu)主要由硬件平臺和軟件平臺構(gòu)成，如圖1所示。硬件平臺為BMS測試系統(tǒng)提供測試所需的各種硬件資源以及各種通訊接口，硬件平臺主要由工控主機、系統(tǒng)測試柜以及通訊接口等組成；軟件平臺基于LabVIEW開發(fā)環(huán)境設(shè)計，實現(xiàn)BMS測試系統(tǒng)的人機交互界面設(shè)計、測試流程編輯、測試數(shù)據(jù)分析與結(jié)果判別，以及測試報表輸出等功能。

圖1 BMS測試平臺架構(gòu)Fig.1 Structure of BMS test platform

1.2 BMS測試系統(tǒng)功能

由于BMS標(biāo)準(zhǔn)的缺失與不完善性，BMS測試平臺依據(jù)汽車行業(yè)推薦性標(biāo)準(zhǔn)文件《電動汽車用電池管理系統(tǒng)技術(shù)條件》可實現(xiàn)BMS產(chǎn)品的出廠檢驗和型式檢驗[4]；在與環(huán)境箱的聯(lián)動控制下，可實現(xiàn)BMS產(chǎn)品的高低溫運行以及其他氣候環(huán)境試驗。針對BMS的功能特點[5]，本測試平臺的功能包括以下幾點：

狀態(tài)參數(shù)及估算精度測試：總電壓測量精度、總電流測量精度、單體（電芯組）電壓測量精度、溫度測量精度、絕緣電阻測量精度、SOC累積估算誤差精度、SOC誤差修正速度測試、SOP估算精度測試等；

故障診斷測試：電池溫度高/低、單體（電芯組）電壓高/低、單體（電芯組）一致性偏大、充電/放電電流（功率）大、絕緣薄弱、SOC 高/低、SOC 跳變、總電壓低/高、外部/內(nèi)部通訊接口故障、電池系統(tǒng)溫差大、高壓互鎖故障、總電壓/單體電壓超過過充電截止條件等；

電氣適應(yīng)性能測試：直流供電電壓測試、過電壓測試、疊加交流電壓測試、供電電壓緩升和緩降測試、供電電壓瞬態(tài)變化測試、反向電壓測試、短路保護測試等；

其他功能測試：電池均衡管理測試（主動/被動均衡狀態(tài)測試、均衡電流等）、絕緣電阻測試、耐高壓性能測試、通訊功能測試、充電模擬測試等。

2 測試系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計

平臺的硬件設(shè)計由工控主機、BMS測試系統(tǒng)柜和通訊接口組成。工控主機選用研華工控上位機，主要負(fù)責(zé)控制并提供測試平臺人機交互操作系統(tǒng)，通過RS232實現(xiàn)與BMS系統(tǒng)測試柜中各模塊間的指令發(fā)送、傳輸、接收以及數(shù)據(jù)反饋。BMS測試系統(tǒng)柜主要包含虛擬電池模擬單元、溫度模擬檢測單元、高壓恒壓源、高精度恒流源、霍爾模擬檢測單元、分流器模擬檢測單元、CAN通訊檢測單元、高精度可編程直流電源、絕緣電阻模擬測試單元、絕緣耐壓測試單元、信號檢測和驅(qū)動模擬檢測單元、I/O驅(qū)動檢測單元、充電信號模擬檢測單元等模塊，測試平臺硬件架構(gòu)如圖2所示。

圖2 BMS測試平臺硬件架構(gòu)Fig.2 Hardware structure of BMS test platform

工控主機是BMS測試系統(tǒng)軟件平臺的載體，為用戶提供控制和編輯測試指令的人機交互界面。大部分硬件模塊集成于BMS測試柜中，通過接線轉(zhuǎn)接板與待測BMS進行通訊連接；通過RS232與工控主機進行通訊連接。BMS測試系統(tǒng)柜采用PXI硬件架構(gòu)設(shè)計，模塊化集成使其具有靈活的可拓展性。其中虛擬電池模擬單元為120通道的5 V/5 A的虛擬電池組成，通過與溫度模擬測試單元聯(lián)動，能夠模擬鋰離子電池單體的電壓、電流、溫度等特性參數(shù)，完成BMS狀態(tài)參數(shù)精度檢測；0 V～1000 V高壓恒壓源模擬電池包或系統(tǒng)的總電壓，并對BMS的總電壓檢測精度進行測試；-500 A～+500 A的高精度恒流源能夠模擬電池包或系統(tǒng)的總電流，聯(lián)合霍爾/分流器檢測單元能夠?qū)MS總電流采集精度進行檢測；電壓可調(diào)范圍0 V～60 V，電流可調(diào)范圍0 A～25 A的高精度可編程電源可實現(xiàn)對BMS進行直流供電電壓、過電壓、欠電壓、疊加交流電壓、供電電壓緩升和緩降、供電電壓瞬態(tài)變化、反向電壓、短路保護等測試項目；絕緣電阻模擬測試單元與絕緣耐壓測試單元最高可模擬電池包或系統(tǒng)1000 MΩ的絕緣電阻，以及滿足BMS絕緣耐壓等級檢測等測試；36 V/2 A的I/O驅(qū)動檢測單元模塊可接受上位機指令調(diào)節(jié)輸入輸出，具備檢測I/O口高邊、低邊驅(qū)動能力的功能等；信號檢測與驅(qū)動模擬檢測單元主要包括16路±24 V電壓檢測、8路I/O輸入、8路I/O輸出，以及4路PWM輸入/輸出單元等；充電信號模擬檢測單元用于模擬檢測BMS的CC、CP、CC2國標(biāo)充電信號；5路 CAN通訊（包括內(nèi) CAN、主 CAN、快充 CAN、慢充 CAN、預(yù)留 CAN）檢測單元基于SAE J1939，能適應(yīng)不同的CAN通訊協(xié)議，兼容 CAN2.0A和 CAN2.0B協(xié)議，能夠?qū)?BMS進行CAN通訊功能檢測以及故障注入檢測等。

3 測試系統(tǒng)軟件平臺設(shè)計

BMS測試系統(tǒng)除了必要的硬件基礎(chǔ)外，還需要軟件平臺的支撐。軟件平臺是在LabVIEW 環(huán)境下開發(fā)設(shè)計，它是美國NI公司所開發(fā)的圖形化軟件開發(fā)環(huán)境，能夠?qū)⒐I(yè)測量控制與計算機完美結(jié)合，使得圖形化界面編輯直觀且易于理解，是一種被市場普遍接受的BMS測試系統(tǒng)軟件平臺開發(fā)環(huán)境[6]。測試平臺軟件界面如圖3所示。

圖3 測試平臺軟件界面Fig.3 Software interface of test platform

測試平臺軟件架構(gòu)如圖4所示，主要包括測試過程管理、數(shù)據(jù)處理分析、系統(tǒng)保護管理三大類。測試過程管理主要包括BMS測試項目點選、測試流程編輯以及測試數(shù)據(jù)保存等；數(shù)據(jù)處理分析主要包括測試數(shù)據(jù)分析、測試結(jié)果判別、測試報表輸出、測試數(shù)據(jù)查詢等；系統(tǒng)保護管理主要又分為系統(tǒng)開機自檢、分級權(quán)限管理、系統(tǒng)安全防護等保護管理設(shè)計。工況模擬功能（尤其是復(fù)雜工況或?qū)嵻嚬r模擬功能）是目前BMS測試系統(tǒng)平臺的短板，因此本測試系統(tǒng)軟件平臺在QC/T 897-2011的4種典型充放電工況的基礎(chǔ)上增加FUDS（federal urban driving schedule）充放電工況與 DST（dynamic stress test）充放電工況，并且對用戶開放了工況編輯功能，可對BMS的SOC估算精度、SOC誤差修正速度、SOP估算精度等參數(shù)進行更準(zhǔn)確的檢測。

圖4 BMS測試平臺軟件架構(gòu)Fig.4 Software structure of BMS test platform

4 測試系統(tǒng)測試結(jié)果輸出

4.1 狀態(tài)參數(shù)測量精度測試

BMS狀態(tài)參數(shù)精度測試架構(gòu)如圖5所示。BMS子板主要用于采集電池單體電壓、電流、溫度等參數(shù)；BMS母板一般用于采集總電壓、總電流以及絕緣檢測等參數(shù)。工控主機端軟件平臺經(jīng)隔離CAN通信單元與BMS子板和母板連接，通過通信總線連接控制各硬件模塊模擬電池單體的電壓、電流、溫度以及總電壓、總電流、絕緣電阻等參數(shù)，并與BMS子板與母板采集的數(shù)據(jù)對比，計算并分析BMS采集數(shù)據(jù)的精度是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖5 狀態(tài)參數(shù)精度測試架構(gòu)Fig.5 Structure of state parameter accuracy testing

對待測BMS的單體電壓采集、總電壓、總電流采集精度測試結(jié)果對比如圖6所示。圖6（a）是隨機選取的4組電池單體在3000 mV～3800 mV間以200 mV為步進值，通過測試平臺模擬值與BMS檢測值的結(jié)果對比。結(jié)果顯示：BMS采集電壓最大誤差 3 mV，滿足國標(biāo)要求；圖 6（b），6（c）分別為 BMS總電壓、總電流采集精度測試，且BMS總電壓最大誤差為1 V，總電流最大誤差0.6 A，滿足國標(biāo)要求。

圖6 狀態(tài)參數(shù)精度測試結(jié)果對比Fig.6 Results comparison of state parameter accuracy test

4.2 SOC估算精度測試

BMS的SOC估算是衡量BMS產(chǎn)品好壞的關(guān)鍵性指標(biāo)，國家標(biāo)準(zhǔn)要求純電動汽車、可外接充電式混合動力電動汽車的SOC累計估算誤差不大于5%，不可外接充電式混合動力電動汽車的SOC累計估算誤差不大于15%。甚至，2017年科技部發(fā)布國家重點研發(fā)計劃新能源汽車等14個重點專項中建議動力電池系統(tǒng)SOC估算誤差不大于±3%。因此，本測試平臺基于SOC真值計算公式：

式中：Q0為電池系統(tǒng)的初始可用容量；Q1為BMS測試平臺記錄的電池系統(tǒng)放電量。

SOC真實值與BMS估算值進行比較，判別SOC估算誤差是否在標(biāo)準(zhǔn)要求內(nèi)。待測BMS在圖7（a）的工況下，先以440 A恒流放電100 s，再以440 A恒流充電100 s，通過測試平臺檢測待測BMS的SOC估算精度，對比結(jié)果如圖7（b）所示，SOC估算誤差均在2%以內(nèi)，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖7 SOC精度測試結(jié)果對比Fig.7 Results comparison of SOC accuracy test

4.3 故障監(jiān)視診斷

高穩(wěn)定性、高可靠性以及高精度的BMS產(chǎn)品能夠有效提高新能源汽車隊電池的利用率，防止電池出現(xiàn)過充或過放，延長電池使用壽命，實時的監(jiān)控電池組及各電池單芯的運行狀態(tài)，能有效預(yù)防電池組的突發(fā)事故，如遇緊急情況時，可提前作出預(yù)警，為保障安全贏得時間[7]。因此，本測試平臺具備對BMS進行各種故障診斷的功能，部分故障診斷界面如圖8所示，其中診斷項目包含有總電壓過高/過低、充電電流過大、放電電流過大、SOC過高/過低、模塊電壓過高/過低、模塊溫度過高/過低、模塊溫度差異過大、絕緣故障、通信故障、繼電器故障、風(fēng)扇故障、熔斷器故障等。測試平臺能準(zhǔn)確的模擬BMS故障信號并通過通訊與BMS進行對比，準(zhǔn)確判別BMS故障診斷功能的準(zhǔn)確性。

圖8 測試平臺故障診斷界面Fig.8 Fault diagnosis interface of test platform

5 結(jié)語

本測試平臺完成調(diào)試后，對大量的20～120串不等的不同類型的BMS進行測試，試驗結(jié)果表明：該平臺能夠滿足市場現(xiàn)有的不同BMS的出廠檢驗與型式檢驗項目，并且具有足夠的系統(tǒng)穩(wěn)定性，在測試項目點選后可進行一鍵自動測試功能。由于模塊化的集成設(shè)計，降低了測試平臺的購置成本；在后續(xù)的模塊更換，功能拓展，軟件升級，以及系統(tǒng)維護方面有著更好的便捷性。PXI的架構(gòu)設(shè)計使該平臺兼具了高精度、優(yōu)性能、低成本的特點[8]；在LabVIEW的軟件環(huán)境下，具有清晰的圖形化顯示，界面友好等優(yōu)點[9]。因此，通過本BMS測試平臺的檢測，可鑒別出監(jiān)測精度低、安全功能不完善、性能可靠性低下的產(chǎn)品，以保證電動車用BMS的高安全性和高可靠性的特點。