電池管理系統(tǒng)硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)研究

曾 驥，曹 銘,2，黃菊花,2，劉淑琴

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

電池作為最常見(jiàn)的儲(chǔ)能設(shè)備，正在隨著能源問(wèn)題的日趨緊迫而被越來(lái)越多地研究和重視。在電池技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，對(duì)電池管理系統(tǒng)(BMS)的技術(shù)也提出新的挑戰(zhàn)。隨著B(niǎo)MS結(jié)構(gòu)功能的日趨復(fù)雜，靠工程經(jīng)驗(yàn)難以全面系統(tǒng)地完成整個(gè)管理系統(tǒng)的檢驗(yàn)，設(shè)計(jì)一套具有開(kāi)放性、靈活性、可擴(kuò)展性?xún)?yōu)點(diǎn)的測(cè)試系統(tǒng)是完成系統(tǒng)測(cè)試的關(guān)鍵。近些年很多高校、科研院所以及新能源企業(yè)在BMS 測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方面取得了很多突破[1]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)李曉宇[2]所搭建的BMS 測(cè)試平臺(tái)硬件以PXI 系統(tǒng)為核心，基于LabView 設(shè)計(jì)測(cè)試平臺(tái)軟件系統(tǒng)；同濟(jì)大學(xué)的廉靜等[3]設(shè)計(jì)了基于xPC 的測(cè)試平臺(tái)；上?？屏汗緦O誠(chéng)驍基于RT-LAB 設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)仿真模型，為了實(shí)現(xiàn)BMS 的全面測(cè)試，又設(shè)計(jì)了電池模擬器、高壓回路模擬器、故障注入箱等硬件仿真設(shè)備[4]。

本文介紹一種基于RT-LAB 平臺(tái)的硬件在環(huán)(HIL)系統(tǒng)[5]對(duì)BMS 進(jìn)行測(cè)試。該平臺(tái)由加拿大Opal-RT 推出，具有較好的開(kāi)放性和可擴(kuò)展性，支持利用MATLAB/Simulink 建立的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型應(yīng)用于實(shí)時(shí)仿真、控制、測(cè)試。BMS-HIL 系統(tǒng)由上位機(jī)、高精度實(shí)時(shí)仿真器和模擬串聯(lián)電池狀態(tài)的電池仿真器組成。本文針對(duì)BMS 測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)建對(duì)應(yīng)的模型，并將模型進(jìn)行資源分配，在多個(gè)核中分布式運(yùn)行保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的運(yùn)行效果。整個(gè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 BMS-HIL仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1 硬件在環(huán)仿真平臺(tái)的硬件系統(tǒng)

本文設(shè)計(jì)的BMS-HIL 測(cè)試平臺(tái)的硬件主要包括上位機(jī)、實(shí)時(shí)仿真機(jī)、電池模擬器、信號(hào)輔助設(shè)備、被測(cè)BMS。其中，上位機(jī)實(shí)現(xiàn)仿真和試驗(yàn)的開(kāi)發(fā)和監(jiān)控等功能，是模型開(kāi)發(fā)軟件、仿真控制軟件以及監(jiān)控軟件的運(yùn)行平臺(tái)，實(shí)時(shí)仿真機(jī)實(shí)現(xiàn)電池模型及車(chē)輛模型的實(shí)時(shí)計(jì)算，并通過(guò)通信模塊將相應(yīng)的指令及輸出期望值發(fā)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(jié)果發(fā)送給仿真機(jī)，同時(shí)仿真機(jī)可通過(guò)信號(hào)調(diào)理箱模擬車(chē)輛其他模塊并和BMS 進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

1.1 實(shí)時(shí)仿真機(jī)

BMS-HIL 最重要的功能是實(shí)時(shí)運(yùn)行高精度的電池仿真模型及電動(dòng)汽車(chē)中與電池相關(guān)的其他模型的數(shù)據(jù)變化，建立電動(dòng)汽車(chē)模型，模擬BMS 與整車(chē)接口的所有信號(hào)，根據(jù)工況變化改變電池狀態(tài)數(shù)據(jù)并通過(guò)相應(yīng)接口輸出。

為了滿(mǎn)足仿真的計(jì)算速度和實(shí)時(shí)性要求，本文采用科梁公司的實(shí)時(shí)仿真機(jī)，內(nèi)置Intel i7 4 核處理器,主頻3.4 GHz，內(nèi)存8 GB RAM,以太網(wǎng)接口,11 路PCI 插槽,預(yù)裝REDHAT LINUX 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和I/O 卡驅(qū)動(dòng)。實(shí)時(shí)仿真機(jī)與上位機(jī)通過(guò)LAN 口進(jìn)行模型下載。針對(duì)被測(cè)BMS 的接口，使用計(jì)數(shù)/定時(shí)器板卡NI PCI 6602、模擬輸出板卡NI PCI 6704、數(shù)字I/O 板卡NI PCI 6250、電阻模擬板卡各一塊，且為提升設(shè)備可擴(kuò)展性，所有板卡接口均有預(yù)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(tài)(SOC)變化，且需要模擬各種故障，因此本文采用獨(dú)立單體電池模擬器完成單體電池模擬，實(shí)時(shí)仿真機(jī)運(yùn)行高精度的電池仿真模型可仿真車(chē)上電池組在各類(lèi)駕駛工況下的輸出特性。通過(guò)CAN 總線(xiàn)將單體電池?cái)?shù)據(jù)發(fā)送到電池模擬器，由電池模擬器反映電池組最細(xì)微的電壓變化情況。

1.3 信號(hào)輔助設(shè)備

信號(hào)調(diào)理箱，可以將通用板卡的輸入和輸出的信號(hào)調(diào)整為目標(biāo)設(shè)備所需的信號(hào)范圍，很好的匹配上位機(jī)與目標(biāo)設(shè)備。

高壓模擬箱，用真實(shí)繼電器(包括主正繼電器、主負(fù)繼電器、預(yù)充繼電器等)、可調(diào)預(yù)充電阻、可調(diào)絕緣電阻、故障設(shè)置繼電器及監(jiān)測(cè)電路，可以完全模擬真實(shí)車(chē)輛上的高壓箱的預(yù)充上電過(guò)程。

故障注入箱，對(duì)于被測(cè)控制器來(lái)說(shuō)，在測(cè)試階段需要將電氣故障作為系統(tǒng)測(cè)試不可忽略的一部分，這就要求硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)能夠提供模擬不同類(lèi)型電氣故障的設(shè)備。

信號(hào)轉(zhuǎn)接箱，通過(guò)它將被測(cè)控制器接入到硬件在環(huán)測(cè)試環(huán)境中，將信號(hào)從前面板相應(yīng)通道引出，方便觀(guān)察、記錄與測(cè)量，并且可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行通、斷路測(cè)試，對(duì)地、對(duì)電源短路等測(cè)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(tǒng)采集電池組總電壓、總電流是通過(guò)霍爾傳感器采集，因此系統(tǒng)也可以直接模擬霍爾傳感器輸出端信號(hào)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(diào)，可完成電源過(guò)壓欠壓試驗(yàn)，具備反向輸出及可控掉地功能。為BMS 電源可靠性測(cè)試提供支持。

2 硬件在環(huán)仿真平臺(tái)的軟件系統(tǒng)

2.1 RT/LAB 實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)

本文采用RT-LAB 作為實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，它支持將Simulink 搭建的數(shù)學(xué)模型下載到具有實(shí)時(shí)系統(tǒng)的下位機(jī)中，實(shí)時(shí)系統(tǒng)要求模型在每個(gè)真實(shí)時(shí)間步長(zhǎng)中完成輸入到輸出的全過(guò)程。RT-LAB 通過(guò)其獨(dú)有的分核計(jì)算技術(shù)，將Simulink 模型分配到不同的CPU 中，實(shí)現(xiàn)高速并行運(yùn)算。通過(guò)OPAL-RT 公司提供的RT-LAB 實(shí)時(shí)化仿真軟件以及搭載實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的仿真機(jī)，對(duì)電池的Simulink 模型進(jìn)行實(shí)時(shí)化處理，使該模型能夠?qū)崟r(shí)模擬電池輸出特性，滿(mǎn)足硬件在環(huán)測(cè)試的實(shí)時(shí)性要求[5]。

2.2 模型設(shè)計(jì)

整個(gè)HIL 系統(tǒng)的模型要能完整地模擬BMS 與整車(chē)所有接口信號(hào)，其中從控制器主要采集單體電池的電壓、溫度信號(hào)，這些信號(hào)也是變化最頻繁的信號(hào)，這些物理信號(hào)完全由電池模擬器模擬輸出，電池模型則實(shí)時(shí)給其發(fā)送控制信號(hào)。主控模塊則主要負(fù)責(zé)接收整車(chē)控制器通訊，接收控制信號(hào)，發(fā)送電池管理系統(tǒng)的指定數(shù)據(jù)，測(cè)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(jī)通訊。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)BMS 的功能測(cè)試，本文將整個(gè)HIL 系統(tǒng)模型拆分到兩個(gè)核中，使計(jì)算更加高效。其中一個(gè)核運(yùn)算主級(jí)子系統(tǒng)，即數(shù)學(xué)仿真部分；另一個(gè)核運(yùn)算次級(jí)子系統(tǒng)，即硬件驅(qū)動(dòng)部分。整個(gè)HIL 系統(tǒng)的RT-LAB 模型如圖2 所示。

圖2 BMS-HIL系統(tǒng)RT-LAB模型

2.2.1 電池模型

鋰離子電池具有復(fù)雜的遲滯特性和電壓回彈特性[6]。為精確估計(jì)電池的狀態(tài)，需要建立一個(gè)結(jié)構(gòu)盡可能簡(jiǎn)單、參數(shù)辨識(shí)更容易的電池模型。等效電路模型對(duì)動(dòng)力電池的各種工作狀態(tài)有較好的適用性，而且容易推導(dǎo)出模型的狀態(tài)方程，便于分析和應(yīng)用，因而被廣泛采用。因此，在滿(mǎn)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(jì)算量。

圖3 二階R-C 等效電路模型

根據(jù)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(shù)均與SOC、T、I相關(guān)。UOC與SOC(方便表述下文均用z表示)相關(guān)，可近似表示為：

式中：K0、K1、K2、K3、K4為待擬合系數(shù)，與SOC、溫度、電流相關(guān)。

在BMS 測(cè)試中電池單體并聯(lián)的數(shù)量必須靈活，電池模型必須具有模擬多元電池能力。每個(gè)單體電池的狀態(tài)初始值是不同的，需要提前設(shè)定，因此通常的做法是將電池的單體模型復(fù)制需要模擬單體電池的個(gè)數(shù)，但這樣大大增加了整個(gè)模型的運(yùn)行時(shí)間。為了簡(jiǎn)化模型的運(yùn)行，使模型中輸入的電流為一個(gè)矩陣，矩陣的數(shù)量為(I1，I2…In)，這樣函數(shù)f(...)只需要運(yùn)行一次：

本文使用概率密度來(lái)對(duì)電池的參數(shù)進(jìn)行仿真，使用一個(gè)矩陣來(lái)生成電池的不均衡。采用兩個(gè)普通的概率分布，分別為正態(tài)分布和卡方分布。正態(tài)分布用于產(chǎn)生單體電池電容和給定SOC開(kāi)路電壓的函數(shù)?？紤]到電池特性的偏差，可以設(shè)置每個(gè)電池的電流，初始溫度，初始SOC和電池的容量的放大系數(shù)，這就使每一個(gè)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(shí)，為了驗(yàn)證在仿真時(shí)模型里設(shè)置的參數(shù)的準(zhǔn)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(shí)際電動(dòng)汽車(chē)的電池管理系統(tǒng)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(shí)出來(lái)的參數(shù)設(shè)置進(jìn)去，就可以進(jìn)行模型的仿真和驗(yàn)證。

圖4 電池模型

2.2.2 充電通訊模型

BMS 和充電機(jī)之間的通訊需要按照國(guó)標(biāo)GB/T 27930-2015 進(jìn)行，當(dāng)BMS 和充電機(jī)通過(guò)充電插頭完成物理連接并上電之后，BMS 和充電機(jī)之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)換是相互協(xié)調(diào)工作的互操作約定。兩者之間的CAN 通訊首先進(jìn)入充電握手階段完成相互辨識(shí)，辨識(shí)成功后雙方進(jìn)入充電參數(shù)配置階段進(jìn)行充電參數(shù)的交換并完成時(shí)間同步，然后進(jìn)入充電階段，雙方實(shí)時(shí)進(jìn)行充電狀態(tài)通訊并充電計(jì)時(shí)，當(dāng)充電狀態(tài)達(dá)到結(jié)束要求時(shí)，BMS 與充電機(jī)互相發(fā)送充電停止報(bào)文，進(jìn)入充電結(jié)束階段互相發(fā)送充電統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，完成之后BMS 產(chǎn)生充電CAN通訊流程結(jié)束的控制信號(hào)。拔掉充電插頭，整個(gè)充電通訊流程結(jié)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(fù)載模型

根據(jù)負(fù)載的變化，負(fù)載模型向電池模型實(shí)時(shí)發(fā)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(jù)試驗(yàn)過(guò)程中不同類(lèi)型的負(fù)載需求，設(shè)計(jì)了恒定負(fù)載、駕駛負(fù)載和外部工況負(fù)載三種負(fù)載模型，如圖6所示。

圖6 負(fù)載模型

恒定負(fù)載可以實(shí)現(xiàn)恒定電壓負(fù)載、恒定電流負(fù)載和恒定功率負(fù)載的模擬，通過(guò)輸入端口可以設(shè)定恒定負(fù)載的工作模式和恒定負(fù)載的大小，最終得到當(dāng)前負(fù)載的電流需求。

駕駛負(fù)載可以通過(guò)駕駛員實(shí)時(shí)的加速踏板信號(hào)、制動(dòng)踏板信號(hào)、擋位信號(hào)以及車(chē)速，計(jì)算出當(dāng)前負(fù)載下的電流需求。

外部工況負(fù)載，即根據(jù)電池所應(yīng)用到車(chē)輛的整車(chē)動(dòng)力性指標(biāo)，以及動(dòng)力電池、傳動(dòng)系、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等部件參數(shù)，在Advisor 中搭建整車(chē)仿真系統(tǒng)模型。在不同的仿真工況下，進(jìn)行整車(chē)力學(xué)仿真，在電池模型的輸入端可以得到不同工況下整車(chē)對(duì)電池功率的需求，進(jìn)而將所得功率需求導(dǎo)入所搭建的模型中，得到外部工況負(fù)載下的電流需求。

通過(guò)負(fù)載模式選擇模塊，可以手動(dòng)選擇不同的負(fù)載模式，將該模式下的負(fù)載電流輸入到電池模型中。

2.3 LabView 監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

LabView 是仿真平臺(tái)交互界面常用的設(shè)計(jì)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(tǒng)測(cè)試過(guò)程中的變量輸入和模型狀態(tài)監(jiān)控。由于BMS 的模型相當(dāng)復(fù)雜，使用人員在RT-LAB 中在線(xiàn)調(diào)參和狀態(tài)監(jiān)控十分不便[9]。為了便于使用人員操作BMS-HIL 仿真平臺(tái)完成系統(tǒng)測(cè)試，本文基于LabView 設(shè)計(jì)了圖形化交互界面，包含電池模型輸出監(jiān)控模塊、負(fù)載模型選擇模塊、車(chē)輛狀態(tài)監(jiān)控模塊、駕駛信號(hào)輸入模塊和充電通訊狀態(tài)監(jiān)控模塊，如圖7 所示。該界面全面覆蓋了系統(tǒng)的測(cè)試范圍。

圖7 LabView 管理界面

3 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及測(cè)試結(jié)果

本文所設(shè)計(jì)的電池模型、負(fù)載模型、充電通訊模型可以通過(guò)充放電仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證其可行性，電池模型和負(fù)載模型可以通過(guò)放電仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試，充電通訊模型可以通過(guò)與被測(cè)BMS 的充電連接過(guò)程進(jìn)行測(cè)試。

3.1 電池和負(fù)載模型測(cè)試

實(shí)驗(yàn)通過(guò)外部工況負(fù)載模式，來(lái)測(cè)試所設(shè)計(jì)的電池模型和負(fù)載模型。測(cè)試中將NEDC 工況導(dǎo)入Advisor 整車(chē)仿真模型中，求得此工況下的功率需求導(dǎo)入負(fù)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(jié)果準(zhǔn)確的前提下盡量加快仿真速度，在生成電池的不均衡過(guò)程中將正態(tài)分布的標(biāo)準(zhǔn)差設(shè)置為0.002。在電池模型的輸出端，可以得到48 節(jié)單體電池電壓的變化情況，同時(shí)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(shí)驗(yàn)中記錄一節(jié)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(xiàn)與電池模擬器輸出電壓曲線(xiàn)的相關(guān)系數(shù)為0.998 9，能夠證明電池模擬器輸出電壓的準(zhǔn)確性以及本文所設(shè)計(jì)的電池模型和負(fù)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(cè)試

在BMS-HIL 中，仿真機(jī)與高壓模擬箱、程控電源、電池模擬器和被測(cè)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(shí)時(shí)仿真機(jī)通過(guò)調(diào)用CAN 卡與被測(cè)BMS之間進(jìn)行CAN 通訊。使用周立功CANalyst CAN 收發(fā)器實(shí)時(shí)監(jiān)控總線(xiàn)上的報(bào)文，通過(guò)CANtest 平臺(tái)可以實(shí)時(shí)查看充電通訊模塊與被測(cè)BMS 間的通訊流程，平臺(tái)監(jiān)測(cè)報(bào)文截取后如圖9 所示。

圖9 通訊過(guò)程報(bào)文收發(fā)狀態(tài)

其中，1 階段為充電握手階段；2 階段為充電參數(shù)配置階段；3 階段為充電階段；4 階段為充電結(jié)束階段。整個(gè)過(guò)程報(bào)文收發(fā)正確，未發(fā)生丟幀，實(shí)時(shí)仿真機(jī)充電通訊模塊與被測(cè)BMS 之間的通訊正常，能夠證明所設(shè)計(jì)的充電通訊模型的可靠性。

4 結(jié)語(yǔ)

HIL 測(cè)試技術(shù)可以快速高效地對(duì)BMS 進(jìn)行采集精度、均衡策略、CAN 通訊、故障診斷等功能進(jìn)行全覆蓋測(cè)試驗(yàn)證，減少后期實(shí)車(chē)路試次數(shù)，大大提高BMS 開(kāi)發(fā)測(cè)試效率[10]。本文基于RT-LAB 平臺(tái)搭建了電池管理系統(tǒng)硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了硬件在環(huán)仿真平臺(tái)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，仿真測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了該硬件在環(huán)測(cè)試平臺(tái)的有效性。