孟月 李志揚(yáng) 朱建新 陳雨飛 呂帥帥 倪紅軍

摘? 要： 文中基于工程實(shí)際搭建混動(dòng)車電池管理系統(tǒng)硬件在環(huán)測(cè)試平臺(tái)，為電池管理系統(tǒng)（BMS）的開發(fā)和測(cè)試提供支持。該測(cè)試平臺(tái)硬件包括上位機(jī)、實(shí)時(shí)仿真機(jī)、電池模擬器等，軟件包括RT?LAB仿真平臺(tái)、自動(dòng)化測(cè)試軟件TA，實(shí)時(shí)仿真模型包括電池模型、整車模型等。通過該硬件在環(huán)測(cè)試平臺(tái)模擬BMS控制器的輸入信號(hào)，采集BMS控制器的輸出和必要的輸入信號(hào)，進(jìn)行BMS策略的驗(yàn)證測(cè)試。結(jié)果表明，該硬件在環(huán)測(cè)試平臺(tái)可以準(zhǔn)確全面地驗(yàn)證BMS策略的可靠性，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，減少開發(fā)成本。

關(guān)鍵詞： 硬件在環(huán)測(cè)試平臺(tái); 電池管理系統(tǒng); 混動(dòng)車; 信號(hào)采集; 仿真建模; 驗(yàn)證測(cè)試

中圖分類號(hào)： TN86?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2020）08?0086?03

Research on HIL testing platform of battery management system for hybrid vehicle

MENG Yue1，2， LI Zhiyang1， ZHU Jianxin2， CHEN Yufei 1，2， L? Shuaishuai1， NI Hongjun1

（1. School of Mechanical Engineering， Nantong University， Nantong 226019， China; 2. Corun Hybrid Power Technology Co.， Ltd.， Shanghai 201501， China）

Abstract： A hardware?in?the?loop （HIL） testing platform of the battery management system （BMS） for hybrid vehicles is constructed based on engineering practice to support the development and testing of BMS. The hardware of the testing platform includes upper computer， real?time simulator， battery emulator， etc.， the software includes RT?LAB simulation platform and automated testing software TA， and the real?time simulation model includes battery model， full vehicle model， and so on. By means of the HIL testing platform， the input signal of the BMS controller is simulated， and the output signals and the necessary input signals of the BMS controller are collected， so as to perform the verification test of the BMS strategy. The results show that the HIL testing platform can verify the reliability of the BMS strategy accurately and comprehensively， shorten the product development cycle， and reduce development costs.

Keywords： HIL testing platform; BMS; hybrid vehicle; signal acquisition; simulation modeling; verification test

0? 引? 言

電池管理系統(tǒng)（BMS）作為混動(dòng)車的核心技術(shù)之一，直接影響到汽車的行駛里程、能耗、壽命等關(guān)鍵指標(biāo)，具有極其重要的研究意義[1]。由于電池自身的特性，采用電池組驗(yàn)證電池管理系統(tǒng)有一定的試驗(yàn)條件限制。在測(cè)試電池處于極限工況下電池管理系統(tǒng)的控制功能時(shí)，容易出現(xiàn)安全問題[2?3]。采用硬件在環(huán)測(cè)試的方法對(duì)電池管理系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，能夠避免這種問題，加速和簡(jiǎn)化開發(fā)流程，及早地發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的不足。

硬件在環(huán)（HIL）測(cè)試平臺(tái)是將系統(tǒng)的一部分用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真模擬，另一部分用真實(shí)的控制器硬件來代替，形成仿真閉環(huán)回路。其優(yōu)點(diǎn)是使得系統(tǒng)在一個(gè)盡可能逼真的模擬環(huán)境中進(jìn)行運(yùn)行和測(cè)試[4?6]。一套完整的BMS硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)可以加快開發(fā)流程，提高產(chǎn)品的可靠性、穩(wěn)定性和安全性[7?8]。

本文介紹了一種基于RT?LAB搭建的電池管理系統(tǒng)硬件在環(huán)測(cè)試平臺(tái)，該平臺(tái)具有高精密度、高實(shí)時(shí)性等優(yōu)勢(shì)[9?10]。采用硬件在環(huán)測(cè)試平臺(tái)為BMS提供采集信號(hào)，響應(yīng)BMS的輸出控制信號(hào)，進(jìn)行BMS功能測(cè)試，大幅度縮短產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間，提高開發(fā)成本。

1? 測(cè)試平臺(tái)組成

1.1? 硬件組成

1.1.1? 上位機(jī)

硬件在環(huán)測(cè)試平臺(tái)使用工作站作為上位機(jī)，安裝有實(shí)時(shí)仿真試驗(yàn)管理軟件（RT?LAB）和自動(dòng)測(cè)試軟件（TA）。上位機(jī)主要用來配置硬件設(shè)備，并監(jiān)測(cè)運(yùn)行狀態(tài);對(duì)仿真模型進(jìn)行部署、編譯、下載;控制仿真試驗(yàn)的運(yùn)行和停止;對(duì)測(cè)試用例進(jìn)行開發(fā)和管理，運(yùn)行和結(jié)束測(cè)試任務(wù)。

1.1.2? 實(shí)時(shí)仿真機(jī)

HIL測(cè)試平臺(tái)使用集智達(dá)工控機(jī)，安裝有REDHAT操作系統(tǒng)，插有各種NI板卡、電阻卡和CAN卡，滿足BMS所需的各種信號(hào)通道和CAN總線接口。實(shí)時(shí)仿真機(jī)的主要功能是：運(yùn)行仿真模型，并按照上位機(jī)發(fā)送的命令運(yùn)行，發(fā)送數(shù)據(jù)信息;控制配套的其他硬件設(shè)備（如電池模擬器、高壓模擬箱等）的運(yùn)行;產(chǎn)生BMS所需的各種信號(hào)，如AO/I通道、DO/I通道、CAN總線接口等。

1.1.3? 電池模擬器

本測(cè)試平臺(tái)可以模擬24節(jié)單體和12路溫度電阻通道。單通道電壓范圍為0.7～5 V，單通道輸出電壓絕對(duì)誤差小于等于2 mV。電池模擬器支持故障仿真功能，支持的故障模式包括輸出短路、輸出開路、串聯(lián)在一起的通道間開路、單體過充過放等故障模擬。

1.1.4? 高壓模擬箱

高壓模擬箱在預(yù)充電中預(yù)充電阻程控可調(diào)，工作溫度范圍：-45～80 ℃，工作電壓范圍：DC 0～600 V，可以模擬負(fù)載短路、繼電器粘連、預(yù)充電等故障，還可以模擬預(yù)充電阻燒壞故障，具有高溫保護(hù)機(jī)制。

1.2? 軟件組成

1.2.1? 試驗(yàn)管理軟件

試驗(yàn)管理軟件由RT?LAB調(diào)用Simulink模型實(shí)現(xiàn)，以完成試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷拈_發(fā)、仿真的實(shí)時(shí)運(yùn)行控制等，如圖1所示。試驗(yàn)管理軟件能夠快速準(zhǔn)確地將Simulink模型導(dǎo)入工程文件，通過TCP/IP實(shí)現(xiàn)模型仿真的控制，包括模型編譯、下載、節(jié)點(diǎn)分配等操作，可以實(shí)現(xiàn)仿真參數(shù)的在線調(diào)整。

1.2.2? 自動(dòng)化測(cè)試軟件

自動(dòng)測(cè)試軟件選用TA，如圖2所示，主要作用在于通過與試驗(yàn)管理軟件的無縫鏈接，實(shí)現(xiàn)測(cè)試流程的自動(dòng)運(yùn)行和管理。采用圖形化操作顯示界面，所有控件可以在TA的控件庫中選取。設(shè)計(jì)和管理測(cè)試監(jiān)控界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有輸入輸出通道進(jìn)行操作，對(duì)所要求類型的信號(hào)進(jìn)行仿真輸出、實(shí)時(shí)記錄、曲線顯示。

2? 實(shí)時(shí)仿真模型

2.1? 電池模型

本文采用的電池模型如圖3所示，包括二階RC模型、開路電壓模型、內(nèi)阻模型等。整個(gè)BMS系統(tǒng)模型運(yùn)行于實(shí)時(shí)系統(tǒng)，整體解算步長(zhǎng)小于等于1 ms。二階RC模型中的內(nèi)阻R和電容C都是和SOC、溫度T相關(guān)的參數(shù)，在模型運(yùn)行過程中，R和C都是根據(jù)實(shí)際電池實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的函數(shù)。

2.2? 整車模型

整車模型中包含了電機(jī)模型、變速箱模型、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)模型、整車動(dòng)力學(xué)模型等。電機(jī)模型和變速箱模型主要是為了能夠根據(jù)輸入的電流信號(hào)模擬出實(shí)際的行車速度狀態(tài)。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)模型和整車動(dòng)力學(xué)模型是為了模擬整個(gè)系統(tǒng)的能量收支分布情況，包括輸入能量、損耗能量以及輸出能量等。通過導(dǎo)入大量的實(shí)際行車工況數(shù)據(jù)，來對(duì)模型中的參數(shù)進(jìn)行匹配。

3? 測(cè)試驗(yàn)證

利用某款BMS，本文搭建的硬件在環(huán)仿真測(cè)試平臺(tái)如圖4所示。

3.1? 上下電策略測(cè)試

對(duì)BMS中的上下電策略進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，相關(guān)測(cè)試量為bus電壓、總正繼電器、預(yù)充繼電器、總負(fù)繼電器。通過Busmaster軟件進(jìn)行采集數(shù)據(jù)，利用Canoe軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以分析得到，收到上電指令后，預(yù)充繼電器先閉合，然后總負(fù)繼電器和總正繼電器閉合，bus電壓開始升高，當(dāng)升高到一定數(shù)值時(shí)，預(yù)充繼電器斷開，bus電壓繼續(xù)升高，升高至穩(wěn)定數(shù)值。當(dāng)發(fā)出下電指令后，總正繼電器和總負(fù)繼電器相繼斷開，bus電壓逐漸下降至0。此試驗(yàn)結(jié)果與繼電器動(dòng)作時(shí)序圖一致，如圖6所示。

3.2? SOC修正策略測(cè)試

靜態(tài)修正在零電流下進(jìn)行，在電流絕對(duì)值小于1 A持續(xù)一段時(shí)間后，對(duì)當(dāng)前SOC值進(jìn)行校對(duì)，當(dāng)偏差達(dá)到一定程度時(shí)，開啟修正機(jī)制，將內(nèi)部計(jì)算SOC值直接修正到位，并實(shí)時(shí)給出修正標(biāo)志位。對(duì)SOC修正策略進(jìn)行驗(yàn)證，通過Busmaster軟件進(jìn)行采集數(shù)據(jù)，利用Canoe軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，如圖7所示。其中SOC_CAN表示SOC的發(fā)送值，SOC_inside表示SOC的計(jì)算值，SOC_correct_flag表示SOC的修正標(biāo)志，初始SOC設(shè)置為87%，電流設(shè)置小于1 A，根據(jù)BMS策略需求，保持無電流狀態(tài)超過60 s，在所設(shè)定策略條件下，SOC修正標(biāo)志位置達(dá)到90%。

試驗(yàn)結(jié)果表明，本文搭建的電池管理系統(tǒng)硬件在環(huán)測(cè)試平臺(tái)滿足BMS的測(cè)試需求，可以快速地驗(yàn)證BMS策略的可靠性。

4? 結(jié)? 論

本文搭建的電池管理系統(tǒng)硬件在環(huán)測(cè)試平臺(tái)，具有模擬電池單體電壓采樣、總電壓采樣、單體均衡、SOC估算等測(cè)試功能。通過該平臺(tái)還可以實(shí)現(xiàn)測(cè)試流程的設(shè)計(jì)、編寫和管理，實(shí)現(xiàn)測(cè)試流程的自動(dòng)運(yùn)行和管理，更加高效快速地驗(yàn)證BMS策略的可靠性。試驗(yàn)結(jié)果表明，該平臺(tái)能縮短開發(fā)周期，提高測(cè)試效率，減少測(cè)試成本。

注：本文通訊作者為倪紅軍。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫誠驍，吳帥軍，霍艷紅，等.基于RT?LAB的混動(dòng)車BMS硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)[J].電源技術(shù)，2017，41（8）：1174?1176.

[2] RAHIMI?EICHI H， OJHA U， BARONTI F， et al. Battery management system： an overview of its application in the smart grid and electric vehicles [J]. IEEE industrial electronics magazine， 2013， 7（2）： 4?16.