BMS HIL試驗研究

范學 鄒圣星 湯志鑫 李智君 梁鵬

【摘? 要】本文圍繞動力電池及其管理系統功能需求和HIL硬件在環試驗進行分析，提出BMS HIL臺架的功能和指標要求，介紹HIL測試中模型要求及模型參數獲取方法、測試用例設計。通過本次研究，實現BMS功能和故障注入等HIL測試，為BMS 功能開發提供快速、全面的測試驗證手段。

【關鍵詞】動力電池及其管理系統;HIL硬件在環測試;模型

中圖分類號：U463.633? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1003-8639（ 2023 ）05-0069-07

【Abstract】This paper analyzes the working requirement of power battery and its management system，and the working principle of HIL system，puts forward the proposed function and index of BMS HIL Bench，talks about model requirement，the method of achieving model parameter and how to get test cases. By this study，we realize the test case such as the function test and fault injection test of the BMS system，which provides a fast and comprehensive test and verification means for BMS function development.

【Key words】power battery system;hardware in loop test;simulation model

作者簡介

范學（1983—），男，工程師，研究方向為汽車試驗技術;鄒圣星（1985—），男，工程師，研究方向為汽車試驗技術;湯志鑫（1989—），男，工程師，研究方向為汽車系統硬件在環試驗技術;李智君（1991—），男，工程師，研究方向為動力電池管理系統開發策略;梁鵬（1979—），男，高級工程師，博士，研究方向為汽車試驗技術。

動力電池系統是新能源車的能量源泉，而BMS是動力電池系統的大腦，決定了動力電池系統功能實現、性能發揮、安全和壽命。如何能高效、全面地開展BMS測試，是項目開發保證的重點之一，而 BMS HIL試驗可以較好實現高效、全面測試的目標。本文將圍繞BMS HIL測試，進行詳細需求分析、模型及參數獲得方法及試驗案例設計方法介紹。

1? 動力電池及其管理系統需求分析

1.1? 動力電池及其管理系統組成

動力電池及其系統由若干單體串并聯和BMS及其他部件組成，如圖1所示。

1.2? BMS需求分析

圖2為某款單體電池的工作區域。單體性能是動力電池系統的基礎，而BMS是動力電池系統完成系統功能，能夠發揮系統性能和安全可靠工作的保障。

BMS主要功能需求如圖3所示。

1）與動力電池系統的基本功能直接相關的需求。例如：單體電壓、溫度采集功能及精度要求;總電壓、電流采集功能要求;絕緣電阻測量要求;上下電功能控制;直流、交流充電功能控制等。

2）與動力電池系統的性能、安全、壽命相關的需求。例如：SOC估算;SOP估算;提高電池系統的有效容量的均衡功能;過壓、欠壓保護;過流保護;過溫保護;漏電保護;熱管理功能等。

2? HIL原理及BMS HIL重難點分析

2.1? HIL測試原理

HIL仿真測試與ECU實車運行環境相比，HIL測試利用實時運行在仿真機中的模型，替代臺架或者實車作為受控對象，通過各種IO板卡及通信板卡模擬實車交互的硬線、通信環境與被測對象通信，實現功能及性能測試，且可以方便利用故障注入模塊等對被測對象施加故障注入，極大提升測試高效性、全面性和安全性。HIL測試原理示意圖如圖4所示。

2.2? BMS HIL重難點分析

由BMS功能需求及HIL測試原理，我們可以梳理出以下BMS HIL測試的重難點。

1）BMS HIL臺架硬件功能及指標需求，HIL機柜硬件需要模擬與BMS交互的實車環境的所有硬件，并且指標需要高于被測BMS的輸入輸出規格。

2）BMS HIL機柜中運行的模型，需要實時運行和準確模擬與BMS交互的輸入輸出信號。

3）HIL測試用例的設計和實現，是HIL高效測試前提保證。

3? BMS HIL臺架硬件需求分析

圍繞BMS的功能需求，HIL機柜需要使用各種板卡模擬實車接口給BMS進行狀態采集和交互。如何使用合理的硬件資源，滿足各平臺BMS HIL的測試需求，是臺架需求分析的重點。

下面將以單體電池電壓模擬功能硬件需求分析為例進行說明。

3.1? BMS HIL臺架單體模擬板卡需求分析

電壓是表征電池狀況最重要的參數之一，原因之一為電池荷電狀態SOC和單體電壓緊密關聯，另一原因是電池電壓存在如圖2的“臨界區域”，越過臨界區域時，電池危險性大增。綜上，BMS必須監控測量單體電池電壓。

理論上講，BMS采集單體電壓的精度越高越好，但是精度越高，難度越大，成本越高，多大的精度是合適的呢？我們先站在參數作用的角度分析。BMS測量單體電壓的作用，一是根據單體電壓估算SOC狀態，SOC=f（V，I，T）;二是在充放電初末期依據電壓提供安全保護。根據行業經驗，0.02V可以大致分辨出電池的荷電狀態，0.05V荷電狀態差異明顯。

從提供安全保護角度，從圖2可以看出，“臨界區域”有一個挺大的范圍。實際應用中，一般會定義上邊界（鐵鋰電池通常為3.8V）和下邊界（鐵鋰電池通常為2.2～2.5V）。通過圖5可知，充電終端和放電末端，電池電壓曲線急劇變化，此時提早或者滯后0.1V對電池容量及保護都可以接受，所以從保護角度來看，0.05V測量精度可以滿足需求了。

綜上理論，磷酸鐵鋰電池BMS單體電壓采集精度應優于0.02V。

另外，經研究，三元鋰電單體電壓特性中，整體充放電曲線較鐵鋰電池斜率高些，充放電末端通常定義為4.2和2.8V。

經調研，目前好的BMS單體電壓采集模塊可以達到0.005V的精度要求，采集范圍為0～5V，同時滿足磷酸鐵鋰和三元鋰的電池電壓采集要求[1]。

綜上分析，單元電池電壓模擬板卡的輸出控制精度不能低于0.005V，輸出范圍不能小于（0～5）V。

3.2? BMS HIL機柜組成介紹

圍繞被測BMS系統的需求和各參數作用分析，我們可以制定出機柜需要的功能硬件種類及對應的性能要求，由于篇幅受限，我們不一一介紹。BMS HIL硬件系統組成和臺架示意圖見圖6。

4? BMS HIL模型需求分析及實現

4.1? BMS HIL單體模型分析及參數獲取方法

4.1.1? 三階RC模型模型分析

BMS HIL根據電池單體特性采用三階RC模型建立等效電路電池模型，并通過安時積分及開路電壓法建立電池系統動態SOC估算Simulink模型。該模型通過電池工作電流及電池溫度輸入，通過安時積分算法得出當前SOC，并通過開路電壓法查表，并與三階RC網絡等效電路分壓進行計算，從而獲取當前單體端電壓，并獲取PACK電壓。

安時積分計算SOC過程見原理為：

SOC=（Iη）dt

其模型試驗見圖7。

利用電池三階RC網絡模型計算電池端電壓的模型，見圖8。

4.1.2? 三階RC模型數學原理

磷酸鐵鋰電池等效電路模型的選擇應綜合考慮以下幾個方面：能較好反映電池的動態特性，模型不能太復雜，模型階數不能太高，減少運算，便于工程應用。由于電池模型的準確性隨模型階數的增加而提高，同時模型的復雜度也相應增加，故在實際應用中需在兩者之間權衡利弊。行業中已證明三階模型精度相對二階模型精度提升更高。綜合考慮選用三階RC模型，作為本文磷酸鐵鋰電池的等效電路模型，并在這種模型下進行模型參數辨識及SOC估算。三階RC等效電路模型如圖9所示[2]。

因此有三階RC網絡空間狀態方程：

4.1.3? RC參數公式推導及辨識

采用基于充放電物理特性的經典離線辨識方法，來辨識所述三階RC模型的參數以及開路電壓關于剩余電量的非線性函數。為了辨識模型參數，進行一個典型恒流放電的工況實驗，放電端電壓曲線如圖10所示：電池在t≤ta這個時間段內處于靜置狀態，在[ta，tc]時間內以恒流放電，在t≥tc時間段內處于松弛狀態。

在a-c段，模型中每個RC網絡為零狀態響應。此時電池的端電壓為：

UL=UOC-IRp（1-e）-IRe（1-e）

-IRf（1-e）-IRΩ（3）

在c-d段，電池放電電路斷開瞬間，流過電池外部的電流跳變為0，電池的狀態發生改變，電池開路電壓突然升高，主要是電池內部固定阻值的歐姆內阻所致：

RΩ=|Uc-Ua| / I（4）

在d-e段，當電池由d點進入靜置階段時，電池內部受到阻抗特性和容抗特性等極化特性的影響，電池內部仍有化學反應進行，直至達到最終的動態平衡，RC網絡相當于零輸入響應

UL=UOC-IRp（1-e）-IRe（1-e）-IRf

（1-e）-IRΩ=k0-k1e-b1t-k2e-b2t-k3e-b3t（5）

Rp=，Re=，Rf=;

CP=，Ce=，Cf=（6）

4.1.4? 動力電池標定試驗及RC參數獲取

測試利用ARBIN電池充放電測試系統和多功能環境倉并通過編輯工步，實現電池容量標定試驗、在不同溫度不同倍率下的SOC-OCV以及不同溫度和倍率下大電流的混合脈沖功率特性試驗（HPPC試驗），試驗連接操作見圖11，測試圖片見圖12。

目前現有常溫狀態下有效采集試驗數據如圖13所示。

根據圖14中數據利用MATLAB編寫程序進行最小二乘法進行曲線擬合[3]，并識別RC參數。三階RC擬合結果見圖15。

因篇幅原因，代碼在此不做展示。

4.1.5? 動力電池組模型及驗證

根據電池三階RC模型建立等效電池模型，并通過安時積分及開路電壓法建立電池系統動態SOC估算Simulink模型。該模型通過電池工作電流及電池溫度輸入，通過安時積分算法得出當前SOC，并通過開路電壓法查表，并與三階RC網絡等效電路分壓進行計算，從而獲取當前單體端電壓，并獲取PACK電壓[3]。

將混合脈沖功率特性試驗電流曲線以lookup Table的形式賦值給電池模型（圖16），觀察SOC變化曲線（圖17）及端電壓變化曲線（圖18）。

4.2? BMS HIL測試其他主要模型及作用

4.2.1? 預充電路模型

預充電路模型根據真實新能源汽車預充電電路結構搭建，即標準的RC電路。主正繼電器吸合之前，為了防止高壓繼電器拉弧，并保護用電設備，都需要先吸合預充繼電器，通過一個RC電路逐漸提高母線電壓，回路模型接口見圖19。

當HIL系統接收到BMS系統發送接收到主負繼電器系統及預充繼電器吸合報文命令時，按圖20邏輯執行預充過程，當預充電壓與母線電壓差值在設定閾值內時，完成預充。

4.2.2? 非車載直流充電機模型

非車載直流充電機模型屬于標準模型，按照國標要求執行。該模型滿足車載電池管理系統關于直流充電流程的功能測試。下面對本模型結構和輸入輸出接口做基本說明。充電機模型主要分為3部分，包括充電過程的邏輯控制單元、充電過程的執行控制單元以及信號路由單元。

充電邏輯基于Simulink/Stateflow，按照最新國標搭建充電過程的狀態機模型，實現與車載電池管理系統的直接邏輯以及時序控制，限于篇幅原因，這里不展開詳述。

5? BMS HIL測試用例設計及實現

5.1? 測試用例設計分析

HIL測試中獲取測試用例的常見方法有5大類：等價類劃分法、枚舉法、邊界值分析法、錯誤推測法、因果圖功能圖分析方法。

5.1.1? 等價類劃分法

等價類劃分法將不能窮舉的測試過程進行合理分類，劃分成多個子集，然后從中子集內數據中選取具有代表性數據，做成測試用例，在設計用例時要依據需求說明劃分等價類，列出等價表，從而保證設計出的測試用例的完整性和代表性。

示例：等價類-帶載情況下，設置BMS控制器功率，根據高壓上下電進入條件，有效等價類為母線電流小于5A，無效等價類為母線電流大于5A。

5.1.2? 枚舉法

1）VCU模式控制類型：放電模式、AC充電模式、DC充電模式。

2）導致上電失敗的情況：VCU發送禁止上電高壓指令、總壓過高、預充失敗。

以表1中案例進行說明如何利用兩種方法來設計測試用例及評價。

5.1.3? 測試用例示例

邏輯測試用例（LTC）/具體執行用例（CTC）的用例描述結構可將測試用例的業務邏輯與測試數據相分離，可提高用例和腳本使用率，降低維護成本。

根據枚舉法BMS發送下電請求，可出現的響應情況：滿足下電條件，VCU立即發送下電指令;VCU節點使能，但未發送高壓下電命令;VCU報文丟失共3種。

1）VCU立即發送下電指令情況，VCU模式控制類型：放電模式、AC充電模式、DC充電模式，每種分別設置母線電流大于10A和小于10A兩種情況，放電模式需對母線電流為0A進行測試，即VCU立即發送下電指令情況測試CTC數目為2*3+1=7。

2）VCU節點使能，但未發送高壓下電命令情況，VCU模式控制類型分為放電、AC充電模式、DC充電模式，每種分別設置母線電流大于5A和小于5A兩種情況，即該測試CTC數目為2*3=6。

3）VCU報文丟失情況，與前一種類似，測試CTC數目為6。因此，異常導致高壓下電功能測試的CTC數目為7+6+6=19。

通過上述LTC簡要操作步驟、輸入輸出數據分析以及測試通用流程，設計LTC具體操作過程如圖21所示。

5.2? 測試用例分類

根據對功能需求分析的追蹤，結合上述測試用例設計方法，共得出有效測試用例225項，并且此類測試用例可通用，見表2。

5.3? 典型測試用例實現

利用SIMULINK搭建系統底層模型，加載至VERISTAND工程中，搭建工程測試界面如圖22所示。

5.3.1? 輔助上退電邏輯驗證

搭建鑰匙邏輯，IKEY值為1時，系統電源切換板卡為BMS供KL30常電，當IKEY值大于閾值時，系統上KL15電，同步將使能給虛擬BCM發出喚醒及IG3電請求，同時發送啟動允許報文標志位，見圖23。

此時系統通過數字量模擬板卡的DI/DO通道將互鎖及碰撞信號發給BMC，然后電池、電阻模擬板卡，電流板卡、高壓板卡、繼電器仿真板卡將信號給各BIC和HVSU進行系統采樣完成BMS的自檢，通過自檢的BMC發送繼電器吸合請求，繼電器板卡動作完成預充，并上高壓電，動作見圖24。預充過程信號級電壓動作見圖25，上電動作流程見圖26。

5.3.2? 直流充電升降壓邏輯驗證

系統通過電阻板卡及DO板卡模擬給BMS控制器CC2信號，見圖27。

將4.2.2中介紹的非車載直流充電機模型增加實車直流充電邏輯，通過仿真機完成與BMS之間通過直流充電子網實現升降調壓過程握手邏輯，見圖28，能夠握手成功，從而進入直流充電流程，實現直流充電功能邏輯驗證。

過程報文交互見圖29，調壓過程將車載充電機模型實時計算的電流值給到電池，對于升降壓充電過程，利用BMS給DC/DC發第一次降壓目標值為360V指令，模型OFC在由參數配置階段進入充電階段之前確認電壓降到360V，BMS根據充電樁的輸出能力給OFC發第二次降壓目標值指令，直到調壓至充電樁最大充電能力。

直流充電過程模型SOC與BMS計算SOC比對數據見圖30，由圖可知，模型仿真SOC和實際BMS SOC計算接近，是比較理想的結果。

6? 動力電池系統功率級HIL測試擴展

我們擴展搭建的動力電池功率級HIL除可實現表2中的測試用例信號級層面的驗證外，亦可將其轉化成動力電池功率級HIL測試用例，在HIL模擬的整車環境下對真實動力電池系統進行功率級HIL測試，能更為真實有效地反映系統在整車狀態下的功能表現，測試系統擴展見圖31，目前已完成系統搭建。

此外還可以與本部其他高壓域系統功率級HIL進行聯調測試，集成電池、電機、電控及充配電系統，能夠在高壓層級驗證整車邏輯功能、充電性能、熱管理、行駛性能及功能安全等，見圖32。

高壓域三電功率級HIL聯調測試后集成了電池、電機、電控及充配電系統，能夠在高壓層級驗證整車邏輯功能、充電性能、熱管理、行駛性能及功能安全等，測試用例思維導圖見圖33。

7? 結束語

本文通過對動力電池及其管理系統功能需求分析和研究，提出了BMS HIL測試硬件需求，并通過有效手段構建了符合要求的BMS HIL試驗系統，研究了HIL測試中關鍵單體模型要求及模型參數獲取的試驗方法，設計并制定了測試用例，并且可以為信號級功率級共用。BMS HIL試驗能力建立，為BMS及動力電池系統開發提供了高效、全面的驗證手段，可為動力電池系統的性能、安全保駕護航。

參考文獻：

[1] 熊杰. BMS硬件在環系統開發[D]. 北京：清華大學，2018.

[2] 李慧慧. 基于分數階模型的鋰離子電池SOC估計[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學，2018.

[3] 張禹軒. 電動汽車電池模型參數在線辨識及SOC估計[D]. 長春：吉林大學，2014.

（編輯? 楊? 景）