電池管理系統硬件在環測試系統研究

曾 驥，曹 銘,2，黃菊花,2，劉淑琴

(1.南昌大學，江西 南昌 330031；2.江西省汽車電子工程技術研究中心，江西 南昌 330031；3.江西師范大學，江西南昌 330022)

電池作為最常見的儲能設備，正在隨著能源問題的日趨緊迫而被越來越多地研究和重視。在電池技術發展的同時，對電池管理系統(BMS)的技術也提出新的挑戰。隨著BMS結構功能的日趨復雜，靠工程經驗難以全面系統地完成整個管理系統的檢驗，設計一套具有開放性、靈活性、可擴展性優點的測試系統是完成系統測試的關鍵。近些年很多高校、科研院所以及新能源企業在BMS 測試系統開發方面取得了很多突破[1]。哈爾濱工業大學李曉宇[2]所搭建的BMS 測試平臺硬件以PXI 系統為核心，基于LabView 設計測試平臺軟件系統；同濟大學的廉靜等[3]設計了基于xPC 的測試平臺；上?？屏汗緦O誠驍基于RT-LAB 設計實時仿真模型，為了實現BMS 的全面測試，又設計了電池模擬器、高壓回路模擬器、故障注入箱等硬件仿真設備[4]。

本文介紹一種基于RT-LAB 平臺的硬件在環(HIL)系統[5]對BMS 進行測試。該平臺由加拿大Opal-RT 推出，具有較好的開放性和可擴展性，支持利用MATLAB/Simulink 建立的動態系統數學模型應用于實時仿真、控制、測試。BMS-HIL 系統由上位機、高精度實時仿真器和模擬串聯電池狀態的電池仿真器組成。本文針對BMS 測試系統構建對應的模型，并將模型進行資源分配，在多個核中分布式運行保證系統實時性的運行效果。整個系統的總體結構如圖1 所示。

圖1 BMS-HIL仿真系統總體結構

1 硬件在環仿真平臺的硬件系統

本文設計的BMS-HIL 測試平臺的硬件主要包括上位機、實時仿真機、電池模擬器、信號輔助設備、被測BMS。其中，上位機實現仿真和試驗的開發和監控等功能，是模型開發軟件、仿真控制軟件以及監控軟件的運行平臺，實時仿真機實現電池模型及車輛模型的實時計算，并通過通信模塊將相應的指令及輸出期望值發送給電池模擬器，電池模擬器模擬出各單體的輸出，并回饋模擬結果發送給仿真機，同時仿真機可通過信號調理箱模擬車輛其他模塊并和BMS 進行數據交互。

1.1 實時仿真機

BMS-HIL 最重要的功能是實時運行高精度的電池仿真模型及電動汽車中與電池相關的其他模型的數據變化，建立電動汽車模型，模擬BMS 與整車接口的所有信號，根據工況變化改變電池狀態數據并通過相應接口輸出。

為了滿足仿真的計算速度和實時性要求，本文采用科梁公司的實時仿真機，內置Intel i7 4 核處理器,主頻3.4 GHz，內存8 GB RAM,以太網接口,11 路PCI 插槽,預裝REDHAT LINUX 實時操作系統和I/O 卡驅動。實時仿真機與上位機通過LAN 口進行模型下載。針對被測BMS 的接口，使用計數/定時器板卡NI PCI 6602、模擬輸出板卡NI PCI 6704、數字I/O 板卡NI PCI 6250、電阻模擬板卡各一塊，且為提升設備可擴展性，所有板卡接口均有預留。

1.2 單體電池模擬器

由于單體仿真需要模擬單體電池隨工況的電壓、溫度、荷電狀態(SOC)變化，且需要模擬各種故障，因此本文采用獨立單體電池模擬器完成單體電池模擬，實時仿真機運行高精度的電池仿真模型可仿真車上電池組在各類駕駛工況下的輸出特性。通過CAN 總線將單體電池數據發送到電池模擬器，由電池模擬器反映電池組最細微的電壓變化情況。

1.3 信號輔助設備

信號調理箱，可以將通用板卡的輸入和輸出的信號調整為目標設備所需的信號范圍，很好的匹配上位機與目標設備。

高壓模擬箱，用真實繼電器(包括主正繼電器、主負繼電器、預充繼電器等)、可調預充電阻、可調絕緣電阻、故障設置繼電器及監測電路，可以完全模擬真實車輛上的高壓箱的預充上電過程。

故障注入箱，對于被測控制器來說，在測試階段需要將電氣故障作為系統測試不可忽略的一部分，這就要求硬件在環測試系統能夠提供模擬不同類型電氣故障的設備。

信號轉接箱，通過它將被測控制器接入到硬件在環測試環境中，將信號從前面板相應通道引出，方便觀察、記錄與測量，并且可以對信號進行通、斷路測試，對地、對電源短路等測試。

高壓程控電源，主要用于模擬電池組高壓，給高壓模擬箱提供高壓模擬電源。由于電池管理系統采集電池組總電壓、總電流是通過霍爾傳感器采集，因此系統也可以直接模擬霍爾傳感器輸出端信號供BMS 直接采集。

低壓程控電源，給BMS 提供電源，輸出電壓電流可調，可完成電源過壓欠壓試驗，具備反向輸出及可控掉地功能。為BMS 電源可靠性測試提供支持。

2 硬件在環仿真平臺的軟件系統

2.1 RT/LAB 實時仿真平臺

本文采用RT-LAB 作為實時仿真平臺，它支持將Simulink 搭建的數學模型下載到具有實時系統的下位機中，實時系統要求模型在每個真實時間步長中完成輸入到輸出的全過程。RT-LAB 通過其獨有的分核計算技術，將Simulink 模型分配到不同的CPU 中，實現高速并行運算。通過OPAL-RT 公司提供的RT-LAB 實時化仿真軟件以及搭載實時操作系統的仿真機，對電池的Simulink 模型進行實時化處理，使該模型能夠實時模擬電池輸出特性，滿足硬件在環測試的實時性要求[5]。

2.2 模型設計

整個HIL 系統的模型要能完整地模擬BMS 與整車所有接口信號，其中從控制器主要采集單體電池的電壓、溫度信號，這些信號也是變化最頻繁的信號，這些物理信號完全由電池模擬器模擬輸出，電池模型則實時給其發送控制信號。主控模塊則主要負責接收整車控制器通訊，接收控制信號，發送電池管理系統的指定數據，測量總電壓、總電流、絕緣電阻，控制高壓箱繼電器通斷，與充電機通訊。為了實現對BMS 的功能測試，本文將整個HIL 系統模型拆分到兩個核中，使計算更加高效。其中一個核運算主級子系統，即數學仿真部分；另一個核運算次級子系統，即硬件驅動部分。整個HIL 系統的RT-LAB 模型如圖2 所示。

圖2 BMS-HIL系統RT-LAB模型

2.2.1 電池模型

鋰離子電池具有復雜的遲滯特性和電壓回彈特性[6]。為精確估計電池的狀態，需要建立一個結構盡可能簡單、參數辨識更容易的電池模型。等效電路模型對動力電池的各種工作狀態有較好的適用性，而且容易推導出模型的狀態方程，便于分析和應用，因而被廣泛采用。因此，在滿足估算精度的條件下，本文選用二階R-C 等效電路模型，如圖3 所示，極大地減少了模型仿真的計算量。

圖3 二階R-C 等效電路模型

根據基爾霍夫定律可得：

式中：U1表示極化電容C1的電壓，U2表示極化電容C2的電壓，UL表示電池端電壓，所有參數均與SOC、T、I相關。UOC與SOC(方便表述下文均用z表示)相關，可近似表示為：

式中：K0、K1、K2、K3、K4為待擬合系數，與SOC、溫度、電流相關。

在BMS 測試中電池單體并聯的數量必須靈活，電池模型必須具有模擬多元電池能力。每個單體電池的狀態初始值是不同的，需要提前設定，因此通常的做法是將電池的單體模型復制需要模擬單體電池的個數，但這樣大大增加了整個模型的運行時間。為了簡化模型的運行，使模型中輸入的電流為一個矩陣，矩陣的數量為(I1，I2…In)，這樣函數f(...)只需要運行一次：

本文使用概率密度來對電池的參數進行仿真，使用一個矩陣來生成電池的不均衡。采用兩個普通的概率分布，分別為正態分布和卡方分布。正態分布用于產生單體電池電容和給定SOC開路電壓的函數?？紤]到電池特性的偏差，可以設置每個電池的電流，初始溫度，初始SOC和電池的容量的放大系數，這就使每一個輸入值都存在微小的差異[7]。

在確定電池模型的輸入和輸出時，為了驗證在仿真時模型里設置的參數的準確性，以電流為輸入，而把端電壓作為輸出。但值得注意的是，在實際電動汽車的電池管理系統里，電流和端電壓都是作為輸入量的。本文所搭建的的電池模型，如圖4 所示，將辨識出來的參數設置進去，就可以進行模型的仿真和驗證。

圖4 電池模型

2.2.2 充電通訊模型

BMS 和充電機之間的通訊需要按照國標GB/T 27930-2015 進行，當BMS 和充電機通過充電插頭完成物理連接并上電之后，BMS 和充電機之間的狀態轉換是相互協調工作的互操作約定。兩者之間的CAN 通訊首先進入充電握手階段完成相互辨識，辨識成功后雙方進入充電參數配置階段進行充電參數的交換并完成時間同步，然后進入充電階段，雙方實時進行充電狀態通訊并充電計時，當充電狀態達到結束要求時，BMS 與充電機互相發送充電停止報文，進入充電結束階段互相發送充電統計數據，完成之后BMS 產生充電CAN通訊流程結束的控制信號。拔掉充電插頭，整個充電通訊流程結束。本文所搭建的充電通訊模型[8]如圖5 所示。

圖5 充電通訊模型

2.2.3 負載模型

根據負載的變化，負載模型向電池模型實時發出電流需求，從而控制電池模擬器模擬單體電池隨工況的電壓、溫度、SOC變化。本文根據試驗過程中不同類型的負載需求，設計了恒定負載、駕駛負載和外部工況負載三種負載模型，如圖6所示。

圖6 負載模型

恒定負載可以實現恒定電壓負載、恒定電流負載和恒定功率負載的模擬，通過輸入端口可以設定恒定負載的工作模式和恒定負載的大小，最終得到當前負載的電流需求。

駕駛負載可以通過駕駛員實時的加速踏板信號、制動踏板信號、擋位信號以及車速，計算出當前負載下的電流需求。

外部工況負載，即根據電池所應用到車輛的整車動力性指標，以及動力電池、傳動系、驅動電機等部件參數，在Advisor 中搭建整車仿真系統模型。在不同的仿真工況下，進行整車力學仿真，在電池模型的輸入端可以得到不同工況下整車對電池功率的需求，進而將所得功率需求導入所搭建的模型中，得到外部工況負載下的電流需求。

通過負載模式選擇模塊，可以手動選擇不同的負載模式，將該模式下的負載電流輸入到電池模型中。

2.3 LabView 監控軟件設計

LabView 是仿真平臺交互界面常用的設計軟件，該軟件提供了豐富的圖形化輸入與顯示控件，有利于系統測試過程中的變量輸入和模型狀態監控。由于BMS 的模型相當復雜，使用人員在RT-LAB 中在線調參和狀態監控十分不便[9]。為了便于使用人員操作BMS-HIL 仿真平臺完成系統測試，本文基于LabView 設計了圖形化交互界面，包含電池模型輸出監控模塊、負載模型選擇模塊、車輛狀態監控模塊、駕駛信號輸入模塊和充電通訊狀態監控模塊，如圖7 所示。該界面全面覆蓋了系統的測試范圍。

圖7 LabView 管理界面

3 仿真實驗設計及測試結果

本文所設計的電池模型、負載模型、充電通訊模型可以通過充放電仿真實驗來驗證其可行性，電池模型和負載模型可以通過放電仿真實驗進行測試，充電通訊模型可以通過與被測BMS 的充電連接過程進行測試。

3.1 電池和負載模型測試

實驗通過外部工況負載模式，來測試所設計的電池模型和負載模型。測試中將NEDC 工況導入Advisor 整車仿真模型中，求得此工況下的功率需求導入負載模型中，得到此工況下的電流需求作為電池模型的輸入。為了在保證仿真結果準確的前提下盡量加快仿真速度，在生成電池的不均衡過程中將正態分布的標準差設置為0.002。在電池模型的輸出端，可以得到48 節單體電池電壓的變化情況，同時使用NI 公司的6341 多功能采集卡采集電池模擬器的輸出電壓。實驗中記錄一節單體電池模型輸出電壓以及電池模擬器輸出電壓如圖8 所示，電池模型輸出電壓曲線與電池模擬器輸出電壓曲線的相關系數為0.998 9，能夠證明電池模擬器輸出電壓的準確性以及本文所設計的電池模型和負載模型的可行性。

圖8 單體電池電壓輸出

3.2 充電通訊模型測試

在BMS-HIL 中，仿真機與高壓模擬箱、程控電源、電池模擬器和被測BMS 之間的通信采用的是CAN 通信方式。以充電通訊模塊為例，實時仿真機通過調用CAN 卡與被測BMS之間進行CAN 通訊。使用周立功CANalyst CAN 收發器實時監控總線上的報文，通過CANtest 平臺可以實時查看充電通訊模塊與被測BMS 間的通訊流程，平臺監測報文截取后如圖9 所示。

圖9 通訊過程報文收發狀態

其中，1 階段為充電握手階段；2 階段為充電參數配置階段；3 階段為充電階段；4 階段為充電結束階段。整個過程報文收發正確，未發生丟幀，實時仿真機充電通訊模塊與被測BMS 之間的通訊正常，能夠證明所設計的充電通訊模型的可靠性。

4 結語

HIL 測試技術可以快速高效地對BMS 進行采集精度、均衡策略、CAN 通訊、故障診斷等功能進行全覆蓋測試驗證，減少后期實車路試次數，大大提高BMS 開發測試效率[10]。本文基于RT-LAB 平臺搭建了電池管理系統硬件在環測試系統，詳細介紹了硬件在環仿真平臺軟件系統的設計，仿真測試結果驗證了該硬件在環測試平臺的有效性。