呂 樂，龐明奇，劉凈月

（航天科工防御技術(shù)研究試驗中心，北京 100854）

隨著科技的日益發(fā)展，人們生活水平逐漸提升，汽車保有量也逐年攀升，現(xiàn)在全球都在倡導(dǎo)綠色環(huán)保，目前擺在人類面前的問題就是減少碳排放，追求可持續(xù)發(fā)展，尋求新能源。燃油車逐步要退出歷史的舞臺，目前比較好的替代方案是電動汽車。

電動汽車的核心是動力電池，就目前技術(shù)而言，電芯技術(shù)還不是很完善，所以一個安全可靠的電池管理系統(tǒng) （簡稱：BMS）就必不可少。如何才能確保BMS的安全可靠，就需要比較好的測試工具。當(dāng)前熱論的功能安全中就提到了集成測試，需要有硬件在環(huán)（簡稱：HIL）存在的必要。

目前市面上HIL的產(chǎn)品比較多，尤以dSPACE的設(shè)備比較出名，但是他們的設(shè)備都非常的貴，一般企業(yè)很難接受那么昂貴的價格。本文就給大家介紹一種比較好的方案，既能實現(xiàn)對BMS進行全功能測試，又不需要花費那么高昂的費用。

1 系統(tǒng)設(shè)計

電動汽車的動力源目前的方案是多節(jié)單體串并聯(lián)而成，現(xiàn)在通用的電壓平臺一般為400V系統(tǒng)，也有正在研發(fā)800V系統(tǒng)的，但是對于搭建的HIL測試系統(tǒng)來說，區(qū)別不大，只是對于高壓電源的電壓范圍有些不同的要求。

測試平臺的搭建，與自身被測對象的需求是強相關(guān)的，本文設(shè)計的硬件在環(huán)系統(tǒng)的框圖如圖1所示。

圖1 BMS HIL系統(tǒng)框圖

PC通過網(wǎng)線與VT系統(tǒng)連接，上位機使用的是CANoe，可以通過腳本編寫測試用例，自動生成測試報告。

VT System就是該系統(tǒng)的低壓控制重要的組成部分，包括各類IO板卡以及通信板卡。

低壓供電電源是為整個系統(tǒng)供電的，車載工作電壓一般為9～16V，但為了測試更寬的范圍，本系統(tǒng)選的電源電壓輸出范圍為0～40V，VT通過RS232進行控制。

高壓系統(tǒng)就是模擬整車的電池高壓系統(tǒng)，主要是對電池電壓和端電壓進行仿真，VT通過RS232進行控制。

單體仿真主要是模擬單體電芯，本系統(tǒng)采用的是24串單體進行復(fù)用的方案，且自帶16路溫度模擬通道和被動均衡，VT通過CAN進行自動控制。

BMS為電池管理系統(tǒng)，是被測件。

1.1 低壓部分

根據(jù)BMS接口信息，選擇相應(yīng)的板卡，當(dāng)前系統(tǒng)主要配置的板卡信息，如圖2中所示。

圖2 VT板卡信息

低壓部分的模擬控制與仿真是整個系統(tǒng)重要的環(huán)節(jié)，影響整個系統(tǒng)仿真測試結(jié)果的精確度。本系統(tǒng)采用的是通過Simulink建立閉環(huán)控制模型 （簡稱plantmodel），對各個板卡進行相應(yīng)的控制，同時也對高壓系統(tǒng)和單體仿真進行相應(yīng)的控制。

1.2 高壓部分

由于高壓采集的方案不同，涉及的采集形式也不同。本文選擇常用的采樣方式，針對電池系統(tǒng)的高壓部分，可以簡化成圖3。分析可知，需要模擬2路高壓，分別為PACK電壓、Link電壓。模擬Vlink的高壓源性能要求要比Vpack的高一些，對于響應(yīng)時間以及電壓控制精度都比較嚴(yán)苛。由于模擬信號控制高壓源誤差較串口控制大一些，所以采用串口信號控制。

圖3 動力電池高壓系統(tǒng)

2 閉環(huán)控制設(shè)計

為了仿真整車測試環(huán)境，搭建閉環(huán)控制系統(tǒng)是非常有必要的，目前通用的閉環(huán)控制模型都是simulink搭建，方便直觀且易操作。在此重點介紹一下BMS HIL閉環(huán)模型中重要的兩個模塊：電池仿真模型和充電機模型。

2.1 電池模型

為了動態(tài)仿真單體電壓及模組溫度的變化，需要建立電池仿真模型。目前鋰離子電池模型主要分為3類：電化學(xué)模型、黑箱模型和等效電路模型。

1）電化學(xué)模型不僅可以反映充電過程的潛在變化，還可以描述電池的內(nèi)部反應(yīng)。該模型由復(fù)雜的、相互耦合的偏微分方程 （partial differential equations，PDE）序列組成［1］，但這需要相當(dāng)復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理。

2）黑箱模型可以通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等不同算法基于大量數(shù)據(jù)建立輸入和輸出之間的非線性關(guān)系，因此黑箱模型在很大程度上依賴于訓(xùn)練數(shù)據(jù)的數(shù)量和品質(zhì)。同時，該模型的算法耗時并且不能反映電池的物理特性［2］。

3）等效電路模型是具有電子元件的電路，通常是理想的電阻器或電容器［3］。通過具有不同時間常數(shù)的RC元件的串聯(lián)連接，可以很好地模擬電池在不同時間尺度的電壓響應(yīng)。等效電路模型的主要優(yōu)點是能快速地模擬電池外特性且模型簡單。

綜上所述，由于電化學(xué)模型以及黑箱模型計算過程較為復(fù)雜，而等效電路模型計算簡單且具有一定的物理意義，故等效電路模型在工程應(yīng)用上較為廣泛。文中將在仿真平臺中采用等效電路模型模擬實際電池，與單體仿真器聯(lián)合使用。等效電路模型如圖4所示，其中參數(shù)都是從真實電芯實驗中提取出來的，仿真曲線比較接近真實的狀態(tài)。

圖4 二階等效電路模型

根據(jù)圖4可知，電池的端電壓如式（1）所示；其中VLoss表示系統(tǒng)的損耗電壓，計算如式（3）所示。

式中：VBat——電池包終端輸出電壓；VOCV——電池包開路電壓；VLoss——電池包自損耗電壓；VCell——單體電芯的電壓；VCDL——雙電層電容電壓損耗；VCDiff——擴散層電容電壓損耗；nCell——電池中單體電芯的數(shù)量；CDL——雙電層電容；RDL——雙電層電阻；CDiff——擴散層電容；RDiff——擴散層電阻；RBat——電池內(nèi)阻；LBat——電池內(nèi)部等效電感；TBat——電池溫度；IBat——電池電流；SOC——荷電狀態(tài)。

仿真模型中的各個參數(shù)，需要對電池進行大量的試驗推導(dǎo)得出。在離線辨識鋰電池等效電路模型參數(shù)前，需要通過間隔放電試驗建立OCV曲線［4］。然后再通過各種試驗以及如上公式，得到各個參數(shù)，再用Simulink建模，如圖5所示。

圖5 電池模型仿真

2.2 充電機模型

電動車最重要的一個功能就是充電，充電又分為快/慢充，慢充驗證起來相對要容易一些，都是整車廠自己定義的邏輯，屬于車內(nèi)控制器間的通信；快充之所以驗證比較困難，是因為涉及到與車外充電樁的交互，充電樁簡圖如圖6所示?；赩T系統(tǒng)開發(fā)的BMS測試系統(tǒng)，如果要實現(xiàn)對BMS的全功能測試，正確地仿真出充電機模型，是十分有必要的?；贕BT27930搭建模型，同時還具備故障注入的功能，如圖7所示。充電機仿真圖如圖8所示。

圖6 充電樁簡圖

圖7 充電機系統(tǒng)框圖

充電機模型搭建完成之后，除了嚴(yán)格遵從GBT27930要求外，還需具備相應(yīng)的故障注入功能，需要進行反復(fù)調(diào)試與測試，充分驗證之后才能用于對BMS的測試。

除了上述兩個重要的模塊需要搭建，閉環(huán)模型還有很多工作需要完成，就不在此贅述，為了完成對BMS的全功能測試，需要搭建一整套完整的閉環(huán)模型，然后配合VT系統(tǒng)才能稱得上是硬件在環(huán)測試系統(tǒng)。

3 硬件在環(huán)測試系統(tǒng)調(diào)試

完成上述一系列工作后，初步完成了整個系統(tǒng)的搭建，聯(lián)調(diào)才是最重要的一步。搭載被測試件（即BMS控制器）進行系統(tǒng)功能的調(diào)試，對整個系統(tǒng)的通信要求也是相當(dāng)嚴(yán)格，除了要求搭建的模型要準(zhǔn)確，同時還需要各個通信模塊配置也要無誤。為了方便操作，需要利用CANoe自帶的Pannel搭建可視化的操作面板，通過手動實現(xiàn)部分測試用例要求的操作，對比測試結(jié)果是否存在問題，如此進行若干操作之后，方可驗證系統(tǒng)的可用性與可靠性。操作面板如圖9所示。部分測試用例如圖10所示。

4 結(jié)論

當(dāng)前國內(nèi)新能源汽車發(fā)展迅猛，在此領(lǐng)域想實現(xiàn)對國外的彎道超車，為了加速研發(fā)速度，高效的測試環(huán)境就十分有必要，而且V流程開發(fā)中對硬件在環(huán)的測試環(huán)節(jié)也是有一定要求。測試最終的發(fā)展方向一定是自動化 與 智 能 化［5］。有些測試工況很難實現(xiàn)，或者要付出比較大的代價，但是如果有HIL測試系統(tǒng)進行測試，就可以實現(xiàn)全功能測試，包括各類故障注入。本文利用VT 搭建的測試系統(tǒng)，花費較少的錢，實現(xiàn)了對BMS控制器的全功能測試，提高了測試品質(zhì)與測試效率，縮短了開發(fā)周期，同時也大大降低了開發(fā)成本。

圖8 充電機仿真圖

圖9 操作界面

圖10 部分測試用例