BMS HIL試驗(yàn)研究

范學(xué) 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(tǒng)功能需求和HIL硬件在環(huán)試驗(yàn)進(jìn)行分析，提出BMS HIL臺架的功能和指標(biāo)要求，介紹HIL測試中模型要求及模型參數(shù)獲取方法、測試用例設(shè)計(jì)。通過本次研究，實(shí)現(xiàn)BMS功能和故障注入等HIL測試，為BMS 功能開發(fā)提供快速、全面的測試驗(yàn)證手段。

【關(guān)鍵詞】動力電池及其管理系統(tǒng);HIL硬件在環(huán)測試;模型

中圖分類號：U463.633? ? 文獻(xiàn)標(biāo)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(xué)（1983—），男，工程師，研究方向?yàn)槠囋囼?yàn)技術(shù);鄒圣星（1985—），男，工程師，研究方向?yàn)槠囋囼?yàn)技術(shù);湯志鑫（1989—），男，工程師，研究方向?yàn)槠囅到y(tǒng)硬件在環(huán)試驗(yàn)技術(shù);李智君（1991—），男，工程師，研究方向?yàn)閯恿﹄姵毓芾硐到y(tǒng)開發(fā)策略;梁鵬（1979—），男，高級工程師，博士，研究方向?yàn)槠囋囼?yàn)技術(shù)。

動力電池系統(tǒng)是新能源車的能量源泉，而BMS是動力電池系統(tǒng)的大腦，決定了動力電池系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)、性能發(fā)揮、安全和壽命。如何能高效、全面地開展BMS測試，是項(xiàng)目開發(fā)保證的重點(diǎn)之一，而 BMS HIL試驗(yàn)可以較好實(shí)現(xiàn)高效、全面測試的目標(biāo)。本文將圍繞BMS HIL測試，進(jìn)行詳細(xì)需求分析、模型及參數(shù)獲得方法及試驗(yàn)案例設(shè)計(jì)方法介紹。

1? 動力電池及其管理系統(tǒng)需求分析

1.1? 動力電池及其管理系統(tǒng)組成

動力電池及其系統(tǒng)由若干單體串并聯(lián)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(qū)域。單體性能是動力電池系統(tǒng)的基礎(chǔ)，而BMS是動力電池系統(tǒng)完成系統(tǒng)功能，能夠發(fā)揮系統(tǒng)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(tǒng)的基本功能直接相關(guān)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(tǒng)的性能、安全、壽命相關(guān)的需求。例如：SOC估算;SOP估算;提高電池系統(tǒng)的有效容量的均衡功能;過壓、欠壓保護(hù);過流保護(hù);過溫保護(hù);漏電保護(hù);熱管理功能等。

2? HIL原理及BMS HIL重難點(diǎn)分析

2.1? HIL測試原理

HIL仿真測試與ECU實(shí)車運(yùn)行環(huán)境相比，HIL測試?yán)脤?shí)時(shí)運(yùn)行在仿真機(jī)中的模型，替代臺架或者實(shí)車作為受控對象，通過各種IO板卡及通信板卡模擬實(shí)車交互的硬線、通信環(huán)境與被測對象通信，實(shí)現(xiàn)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(diǎn)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(diǎn)。

1）BMS HIL臺架硬件功能及指標(biāo)需求，HIL機(jī)柜硬件需要模擬與BMS交互的實(shí)車環(huán)境的所有硬件，并且指標(biāo)需要高于被測BMS的輸入輸出規(guī)格。

2）BMS HIL機(jī)柜中運(yùn)行的模型，需要實(shí)時(shí)運(yùn)行和準(zhǔn)確模擬與BMS交互的輸入輸出信號。

3）HIL測試用例的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，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(jī)柜需要使用各種板卡模擬實(shí)車接口給BMS進(jìn)行狀態(tài)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(diǎn)。

下面將以單體電池電壓模擬功能硬件需求分析為例進(jìn)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(shù)之一，原因之一為電池荷電狀態(tài)SOC和單體電壓緊密關(guān)聯(lián)，另一原因是電池電壓存在如圖2的“臨界區(qū)域”，越過臨界區(qū)域時(shí)，電池危險(xiǎn)性大增。綜上，BMS必須監(jiān)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(shù)作用的角度分析。BMS測量單體電壓的作用，一是根據(jù)單體電壓估算SOC狀態(tài)，SOC=f（V，I，T）;二是在充放電初末期依據(jù)電壓提供安全保護(hù)。根據(jù)行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，0.02V可以大致分辨出電池的荷電狀態(tài)，0.05V荷電狀態(tài)差異明顯。

從提供安全保護(hù)角度，從圖2可以看出，“臨界區(qū)域”有一個(gè)挺大的范圍。實(shí)際應(yīng)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(shí)提早或者滯后0.1V對電池容量及保護(hù)都可以接受，所以從保護(hù)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(yīng)優(yōu)于0.02V。

另外，經(jīng)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(jīng)調(diào)研，目前好的BMS單體電壓采集模塊可以達(dá)到0.005V的精度要求，采集范圍為0～5V，同時(shí)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(jī)柜組成介紹

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

4? BMS HIL模型需求分析及實(shí)現(xiàn)

4.1? BMS HIL單體模型分析及參數(shù)獲取方法

4.1.1? 三階RC模型模型分析

BMS HIL根據(jù)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(shí)積分及開路電壓法建立電池系統(tǒng)動態(tài)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(shí)積分算法得出當(dāng)前SOC，并通過開路電壓法查表，并與三階RC網(wǎng)絡(luò)等效電路分壓進(jìn)行計(jì)算，從而獲取當(dāng)前單體端電壓，并獲取PACK電壓。

安時(shí)積分計(jì)算SOC過程見原理為：

SOC=（Iη）dt

其模型試驗(yàn)見圖7。

利用電池三階RC網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算電池端電壓的模型，見圖8。

4.1.2? 三階RC模型數(shù)學(xué)原理

磷酸鐵鋰電池等效電路模型的選擇應(yīng)綜合考慮以下幾個(gè)方面：能較好反映電池的動態(tài)特性，模型不能太復(fù)雜，模型階數(shù)不能太高，減少運(yùn)算，便于工程應(yīng)用。由于電池模型的準(zhǔn)確性隨模型階數(shù)的增加而提高，同時(shí)模型的復(fù)雜度也相應(yīng)增加，故在實(shí)際應(yīng)用中需在兩者之間權(quán)衡利弊。行業(yè)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(jìn)行模型參數(shù)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(wǎng)絡(luò)空間狀態(tài)方程：

4.1.3? RC參數(shù)公式推導(dǎo)及辨識

采用基于充放電物理特性的經(jīng)典離線辨識方法，來辨識所述三階RC模型的參數(shù)以及開路電壓關(guān)于剩余電量的非線性函數(shù)。為了辨識模型參數(shù)，進(jìn)行一個(gè)典型恒流放電的工況實(shí)驗(yàn)，放電端電壓曲線如圖10所示：電池在t≤ta這個(gè)時(shí)間段內(nèi)處于靜置狀態(tài)，在[ta，tc]時(shí)間內(nèi)以恒流放電，在t≥tc時(shí)間段內(nèi)處于松弛狀態(tài)。

在a-c段，模型中每個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)為零狀態(tài)響應(yīng)。此時(shí)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?yōu)?，電池的狀態(tài)發(fā)生改變，電池開路電壓突然升高，主要是電池內(nèi)部固定阻值的歐姆內(nèi)阻所致：

RΩ=|Uc-Ua| / I（4）

在d-e段，當(dāng)電池由d點(diǎn)進(jìn)入靜置階段時(shí)，電池內(nèi)部受到阻抗特性和容抗特性等極化特性的影響，電池內(nèi)部仍有化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行，直至達(dá)到最終的動態(tài)平衡，RC網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)于零輸入響應(yīng)

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(biāo)定試驗(yàn)及RC參數(shù)獲取

測試?yán)肁RBIN電池充放電測試系統(tǒng)和多功能環(huán)境倉并通過編輯工步，實(shí)現(xiàn)電池容量標(biāo)定試驗(yàn)、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(yàn)（HPPC試驗(yàn)），試驗(yàn)連接操作見圖11，測試圖片見圖12。

目前現(xiàn)有常溫狀態(tài)下有效采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖13所示。

根據(jù)圖14中數(shù)據(jù)利用MATLAB編寫程序進(jìn)行最小二乘法進(jìn)行曲線擬合[3]，并識別RC參數(shù)。三階RC擬合結(jié)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(yàn)證

根據(jù)電池三階RC模型建立等效電池模型，并通過安時(shí)積分及開路電壓法建立電池系統(tǒng)動態(tài)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(shí)積分算法得出當(dāng)前SOC，并通過開路電壓法查表，并與三階RC網(wǎng)絡(luò)等效電路分壓進(jìn)行計(jì)算，從而獲取當(dāng)前單體端電壓，并獲取PACK電壓[3]。

將混合脈沖功率特性試驗(yàn)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(yù)充電路模型

預(yù)充電路模型根據(jù)真實(shí)新能源汽車預(yù)充電電路結(jié)構(gòu)搭建，即標(biāo)準(zhǔn)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(hù)用電設(shè)備，都需要先吸合預(yù)充繼電器，通過一個(gè)RC電路逐漸提高母線電壓，回路模型接口見圖19。

當(dāng)HIL系統(tǒng)接收到BMS系統(tǒng)發(fā)送接收到主負(fù)繼電器系統(tǒng)及預(yù)充繼電器吸合報(bào)文命令時(shí)，按圖20邏輯執(zhí)行預(yù)充過程，當(dāng)預(yù)充電壓與母線電壓差值在設(shè)定閾值內(nèi)時(shí)，完成預(yù)充。

4.2.2? 非車載直流充電機(jī)模型

非車載直流充電機(jī)模型屬于標(biāo)準(zhǔn)模型，按照國標(biāo)要求執(zhí)行。該模型滿足車載電池管理系統(tǒng)關(guān)于直流充電流程的功能測試。下面對本模型結(jié)構(gòu)和輸入輸出接口做基本說明。充電機(jī)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(zhí)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(biāo)搭建充電過程的狀態(tài)機(jī)模型，實(shí)現(xiàn)與車載電池管理系統(tǒng)的直接邏輯以及時(shí)序控制，限于篇幅原因，這里不展開詳述。

5? BMS HIL測試用例設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

5.1? 測試用例設(shè)計(jì)分析

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

5.1.1? 等價(jià)類劃分法

等價(jià)類劃分法將不能窮舉的測試過程進(jìn)行合理分類，劃分成多個(gè)子集，然后從中子集內(nèi)數(shù)據(jù)中選取具有代表性數(shù)據(jù)，做成測試用例，在設(shè)計(jì)用例時(shí)要依據(jù)需求說明劃分等價(jià)類，列出等價(jià)表，從而保證設(shè)計(jì)出的測試用例的完整性和代表性。

示例：等價(jià)類-帶載情況下，設(shè)置BMS控制器功率，根據(jù)高壓上下電進(jìn)入條件，有效等價(jià)類為母線電流小于5A，無效等價(jià)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(dǎo)致上電失敗的情況：VCU發(fā)送禁止上電高壓指令、總壓過高、預(yù)充失敗。

以表1中案例進(jìn)行說明如何利用兩種方法來設(shè)計(jì)測試用例及評價(jià)。

5.1.3? 測試用例示例

邏輯測試用例（LTC）/具體執(zhí)行用例（CTC）的用例描述結(jié)構(gòu)可將測試用例的業(yè)務(wù)邏輯與測試數(shù)據(jù)相分離，可提高用例和腳本使用率，降低維護(hù)成本。

根據(jù)枚舉法BMS發(fā)送下電請求，可出現(xiàn)的響應(yīng)情況：滿足下電條件，VCU立即發(fā)送下電指令;VCU節(jié)點(diǎn)使能，但未發(fā)送高壓下電命令;VCU報(bào)文丟失共3種。

1）VCU立即發(fā)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(shè)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(jìn)行測試，即VCU立即發(fā)送下電指令情況測試CTC數(shù)目為2*3+1=7。

2）VCU節(jié)點(diǎn)使能，但未發(fā)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(shè)置母線電流大于5A和小于5A兩種情況，即該測試CTC數(shù)目為2*3=6。

3）VCU報(bào)文丟失情況，與前一種類似，測試CTC數(shù)目為6。因此，異常導(dǎo)致高壓下電功能測試的CTC數(shù)目為7+6+6=19。

通過上述LTC簡要操作步驟、輸入輸出數(shù)據(jù)分析以及測試通用流程，設(shè)計(jì)LTC具體操作過程如圖21所示。

5.2? 測試用例分類

根據(jù)對功能需求分析的追蹤，結(jié)合上述測試用例設(shè)計(jì)方法，共得出有效測試用例225項(xiàng)，并且此類測試用例可通用，見表2。

5.3? 典型測試用例實(shí)現(xiàn)

利用SIMULINK搭建系統(tǒng)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(yàn)證

搭建鑰匙邏輯，IKEY值為1時(shí)，系統(tǒng)電源切換板卡為BMS供KL30常電，當(dāng)IKEY值大于閾值時(shí)，系統(tǒng)上KL15電，同步將使能給虛擬BCM發(fā)出喚醒及IG3電請求，同時(shí)發(fā)送啟動允許報(bào)文標(biāo)志位，見圖23。

此時(shí)系統(tǒng)通過數(shù)字量模擬板卡的DI/DO通道將互鎖及碰撞信號發(fā)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(jìn)行系統(tǒng)采樣完成BMS的自檢，通過自檢的BMC發(fā)送繼電器吸合請求，繼電器板卡動作完成預(yù)充，并上高壓電，動作見圖24。預(yù)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(yàn)證

系統(tǒng)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(jī)模型增加實(shí)車直流充電邏輯，通過仿真機(jī)完成與BMS之間通過直流充電子網(wǎng)實(shí)現(xiàn)升降調(diào)壓過程握手邏輯，見圖28，能夠握手成功，從而進(jìn)入直流充電流程，實(shí)現(xiàn)直流充電功能邏輯驗(yàn)證。

過程報(bào)文交互見圖29，調(diào)壓過程將車載充電機(jī)模型實(shí)時(shí)計(jì)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(fā)第一次降壓目標(biāo)值為360V指令，模型OFC在由參數(shù)配置階段進(jìn)入充電階段之前確認(rèn)電壓降到360V，BMS根據(jù)充電樁的輸出能力給OFC發(fā)第二次降壓目標(biāo)值指令，直到調(diào)壓至充電樁最大充電能力。

直流充電過程模型SOC與BMS計(jì)算SOC比對數(shù)據(jù)見圖30，由圖可知，模型仿真SOC和實(shí)際BMS SOC計(jì)算接近，是比較理想的結(jié)果。

6? 動力電池系統(tǒng)功率級HIL測試擴(kuò)展

我們擴(kuò)展搭建的動力電池功率級HIL除可實(shí)現(xiàn)表2中的測試用例信號級層面的驗(yàn)證外，亦可將其轉(zhuǎn)化成動力電池功率級HIL測試用例，在HIL模擬的整車環(huán)境下對真實(shí)動力電池系統(tǒng)進(jìn)行功率級HIL測試，能更為真實(shí)有效地反映系統(tǒng)在整車狀態(tài)下的功能表現(xiàn)，測試系統(tǒng)擴(kuò)展見圖31，目前已完成系統(tǒng)搭建。

此外還可以與本部其他高壓域系統(tǒng)功率級HIL進(jìn)行聯(lián)調(diào)測試，集成電池、電機(jī)、電控及充配電系統(tǒng)，能夠在高壓層級驗(yàn)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(lián)調(diào)測試后集成了電池、電機(jī)、電控及充配電系統(tǒng)，能夠在高壓層級驗(yàn)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(dǎo)圖見圖33。

7? 結(jié)束語

本文通過對動力電池及其管理系統(tǒng)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(gòu)建了符合要求的BMS HIL試驗(yàn)系統(tǒng)，研究了HIL測試中關(guān)鍵單體模型要求及模型參數(shù)獲取的試驗(yàn)方法，設(shè)計(jì)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(yàn)?zāi)芰?，為BMS及動力電池系統(tǒng)開發(fā)提供了高效、全面的驗(yàn)證手段，可為動力電池系統(tǒng)的性能、安全保駕護(hù)航。

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（編輯? 楊? 景）