電動汽車BMS硬件在環(huán)仿真測試技術(shù)研究

劉 丹

（廣汽三菱汽車有限公司新能源部，湖南 長沙 410100）

1 引言

對于新能源汽車而言，電池管理系統(tǒng)（BMS）作為電池系統(tǒng)的重要組成部分，起著優(yōu)化電池使用和延長電池壽命的重要作用。如何快速高效地開發(fā)出一款電池管理系統(tǒng)成為車企的核心競爭力，經(jīng)過多年探索，業(yè)界普遍采用基于計(jì)算機(jī)模型的控制器開發(fā)V模式開發(fā)流程［1］。在V模式開發(fā)流程中，為了更全面地完善設(shè)計(jì)需求以及問題反饋，硬件在環(huán)（Hardware in the Loop，HIL）仿真測試貫穿于研發(fā)的各個階段［2］。

硬件在環(huán)是指將已下載目標(biāo)代碼的ECU通過I/O連接至硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)，并測試該ECU在各種工況下的功能性和穩(wěn)定性。硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)是一個實(shí)時系統(tǒng)，模擬了被控對象的物理行為、傳感器、執(zhí)行器，甚至其他ECU節(jié)點(diǎn)。因此，當(dāng)硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)與真實(shí)ECU連接后，就構(gòu)成了一個閉環(huán)實(shí)時測試系統(tǒng)。它可重復(fù)地進(jìn)行動態(tài)仿真測試；可在試驗(yàn)室里仿真夏季和冬季的道路試驗(yàn)，無需真實(shí)的測試環(huán)境，節(jié)約測試成本；可進(jìn)行臨界條件測試和模擬極限工況，而沒有實(shí)際風(fēng)險；可模擬ECU引腳開路、與地短接、引腳間短接等錯誤，以及模擬傳感器、執(zhí)行器出錯情況。因此，硬件在環(huán)測試已經(jīng)成為ECU開發(fā)階段不可或缺的一種測試系統(tǒng)。

本文以某電動車型電池管理系統(tǒng)為測試對象，基于MATLAB/Simulink建立電池仿真模型，利用dSPACE軟硬件搭建純電動汽車BMS硬件在環(huán)仿真平臺，對電池管理系統(tǒng)進(jìn)行測試驗(yàn)證工作。

2 BMS電池管理系統(tǒng)架構(gòu)

電池管理系統(tǒng)BMS作為電動汽車儲能系統(tǒng)的核心監(jiān)控系統(tǒng)，最基本的作用是監(jiān)控電池的工作狀態(tài)［3］，保障電池的合理使用與車輛的安全行駛，電池管理系統(tǒng)BMS需要監(jiān)測和管理的對象眾多，合理的BMS是整車安全的前提。

BMS的主要功能如圖1所示，包括電池狀態(tài)監(jiān)測、電池狀態(tài)分析、電池安全保護(hù)、電池均衡、充放電管理、通信功能和電池?zé)峁芾怼?/p>

圖1 BMS主要功能架構(gòu)

3 BMS硬件在環(huán)仿真測試平臺的搭建

BMS硬件在環(huán)仿真測試平臺是基于實(shí)時仿真系統(tǒng)模擬出一套完整的電池動態(tài)模型及運(yùn)行環(huán)境，并結(jié)合自動測試和測試管理等軟件，能夠連接BMS控制器進(jìn)行閉環(huán)測試、自動測試［4］。通過模擬電池組在各種條件下的動態(tài)參數(shù)來驗(yàn)證電池管理系統(tǒng)的控制策略和性能并可對電池管理系統(tǒng)的各項(xiàng)功能參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整。

BMS硬件在環(huán)仿真測試平臺搭建主要包含3大部分：硬件測試系統(tǒng)開發(fā)、仿真模型開發(fā)、測試軟件開發(fā)。利用MATLAB/Simulink搭建電池仿真模型，基于dSPACE軟硬件平臺對BMS仿真測試環(huán)境進(jìn)行搭建，BMS硬件在環(huán)仿真測試平臺整體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 BMS硬件在環(huán)仿真測試平臺整體架構(gòu)

3.1 硬件測試系統(tǒng)開發(fā)

BMS硬件測試系統(tǒng)主要包括dSPACE Mid-Size實(shí)時仿真硬件、電源控制模塊、高壓模擬箱、電池模擬器、故障注入模塊。BMS硬件測試系統(tǒng)主要集成安裝在BMSHIL硬件機(jī)柜中。

dSPACE Mid-Size實(shí)時仿真硬件是硬件在環(huán)仿真測試平臺中最核心部件，用于計(jì)算被控對象模型，并負(fù)責(zé)與IO板卡之間的通信。該仿真硬件集成了DS1006處理器板卡和IO板卡（如DS2211，DS4302等），各板卡通過PHS總線連接，安裝在dSPACE提供的專用主機(jī)箱中。電源控制箱，用于控制機(jī)柜供電，負(fù)責(zé)220V/50Hz交流電的總控制。高壓模擬箱，用于模擬預(yù)充電過程以及高壓繼電器的故障等功能。電池單體模擬器對電池組的單體狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時模擬，滿足電池單體監(jiān)控及均衡單元控制器的功能需求和測試需要。故障注入模塊實(shí)現(xiàn)對BMS控制器各管腳進(jìn)行故障注入的功能測試。

3.2 仿真模型開發(fā)

BMS硬件在環(huán)仿真測試模型開發(fā)環(huán)節(jié)，最核心的模型開發(fā)工作主要是IO模型開發(fā)、電池模型開發(fā)［5］。

3.2.1 IO模型開發(fā)

I/O子模型包括HIL硬件接口配置子模型、HIL設(shè)備輸入信號子模型、HIL設(shè)備輸出信號子模型和CAN網(wǎng)絡(luò)通信子模型。I/O子模型架構(gòu)如圖3所示。

圖3 I/O子模型架構(gòu)

HIL硬件接口配置子模型主要包括模型狀態(tài)管理、數(shù)字口配置管理和CAN通信配置管理。HIL設(shè)備輸入信號子模型主要實(shí)現(xiàn)實(shí)時仿真器平臺硬件信號輸入功能，主要包括數(shù)字信號、模擬量信號、PWM信號。HIL設(shè)備輸出信號子模型主要實(shí)現(xiàn)實(shí)時仿真器平臺硬件信號輸出功能，主要包括數(shù)字信號、模擬量信號、PWM信號和模擬電阻信號。HIL設(shè)備CAN通信子模型主要實(shí)現(xiàn)實(shí)時仿真器平臺CAN網(wǎng)絡(luò)通信功能，主要有CAN控制器配置模塊和CAN網(wǎng)絡(luò)通信功能實(shí)現(xiàn)模塊。

3.2.2 電池模型開發(fā)

電池模型主要包括3部分：一是電流管理模型，計(jì)算充電和放電的總電流，即電池組總的充電電流或者總的放電電流；二是繼電器控制模型，負(fù)責(zé)控制電池包繼電器控制管理以及高壓上下電管理；三是電池模組模型，可設(shè)置電池的硬件參數(shù)，將BMS的電流、SOC、SOH、電池溫度等信息進(jìn)行計(jì)算處理，得到電池的狀態(tài)信息。電池模型架構(gòu)具體如圖4所示。

圖4 電池模型架構(gòu)

4 BMS硬件在環(huán)仿真測試驗(yàn)證

依據(jù)BMS功能規(guī)范進(jìn)行測試開發(fā)工作，設(shè)計(jì)相應(yīng)的測試用例對BMS功能邏輯進(jìn)行測試驗(yàn)證。本文主要對電池總電壓、SOC值和車速進(jìn)行了硬件在環(huán)測試驗(yàn)證。通過BMS硬件在環(huán)測試平臺，模擬車輛上電啟動并對車輛進(jìn)行加速的測試過程，記錄電池SOC、總電壓和車速的變化曲線，測試結(jié)果曲線如圖5所示，該結(jié)果中體現(xiàn)的SOC變化曲線和設(shè)計(jì)目標(biāo)一致。

圖5 電池SOC/電池總電壓/車速對比測試曲線

5 結(jié)論

本文基于dSPACE實(shí)時仿真硬件，以BMS電池管理系統(tǒng)為對象開發(fā)設(shè)計(jì)了一套硬件在環(huán)測試平臺，實(shí)現(xiàn)了對BMS產(chǎn)品進(jìn)行全面、準(zhǔn)確的測試。通過實(shí)際測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，利用該BMS硬件在環(huán)測試仿真平臺可以迅速有效驗(yàn)證BMS基本功能是否滿足設(shè)計(jì)要求，為BMS開發(fā)工作縮短了設(shè)計(jì)周期，降低了BMS開發(fā)成本，同時為后續(xù)實(shí)車驗(yàn)證提供了反饋驗(yàn)證的條件，確保BMS產(chǎn)品的安全性、穩(wěn)定性以及可靠性。