電動汽車直流充電系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真研究

李清平 夏 雨

（易特馳汽車技術（上海）有限公司，上海200335）

1 概述

隨著全球能源危機的加劇和對環(huán)保的日益重視，國家從政策角度大力發(fā)展新能源電動汽車產(chǎn)業(yè)。目前制約電動汽車快速發(fā)展的一個重要瓶頸是充電速度，電動汽車目前主要有兩種充電方式：直流充電和交流充電，也是是常說的快充和慢充。直流充電樁的最高電壓會超過1000V[1]，部分最大功率會超過350KW，這時充電時車輛與充電樁的交互過程及對應的安全方面的問題就顯得尤為突出，車輛控制單元在該部分功能設計研發(fā)階段需要做充分的測試，因此對測試的快速性和安全性都提出了要求[2]。若能采用硬件在環(huán)（HIL，Hardware in the loop）的測試方式，可以在開發(fā)階段的早期就對車輛的充電功能進行測試，能滿足開發(fā)的快速迭代和測試的功能安全需求[3]。

本文采用ETAS 公司的Labcar 硬件在環(huán)設備對直流充電功能進行仿真測試，講述了BMS 控制器端的控制邏輯和對應的HIL 測試方法，通過搭建硬件在環(huán)測試平臺，驗證了某控制器在不同工況下的功能和安全保護策略。

2 直流充電系統(tǒng)工作原理

現(xiàn)在絕大多數(shù)廠家的直流充電功能都遵循GB/T 18487 標準[4]，充電樁和車輛之間在完成各種信息交互和檢測后再進行充電。車輛端的充電控制功能一般在VCU（vehicle control unit,整車控制器）中進行，也有部分廠家會把這部分功能集成在BMS（battery management system，電池管理系統(tǒng)）中。在本小節(jié)的系統(tǒng)工作原理中，為了符合習慣用法，用VCU 來代表包含直流充電功能的控制器。

直流充電的原理圖如圖1 所示。圖中虛線矩形框表示的是充電槍與車輛端充電接口，左側矩形框表示的是充電樁部分，右側矩形框表示的是車輛部分。直流充電過程包括多個電壓信號校驗和CAN 報文通訊（喚醒、電池參數(shù)、充電參數(shù)）等動作，在握手通過后充電指示燈亮起后，才可以進行充電。

直流充電時首先要將充電槍從直流充電樁上取下，然后與汽車的充電接口連接，在這個過程中，開關S 會經(jīng)歷“閉合- 打開- 閉合”的一個動作過程，充電槍和車輛插座的9 個引腳會完成彼此的連接。從原理圖上可以看出，CC1 與檢測點1 相連，充電樁的12V 經(jīng)過R1、R2 和R4 與車身地相連形成回路；隨著R4 和R2 先后接入電路中，檢測點1 的電壓會有一個“6V-12V-6V-4V”的變化過程；CC2 與檢測點2 相連，車輛的12V 經(jīng)過R5 和R3 與車身地連接形成回路；檢測點2 的電壓隨著R3 接入電路中，電壓會有一個“12V-6V”的變化過程。非車載充電機控制器監(jiān)測到檢測點1 的電壓滿足協(xié)議值，會確認充電線路完成連接；這時充電樁端閉合K3 和K4 繼電器，給車輛控制器提供12V 供電，同時開始發(fā)送喚醒報文，與車輛的報文進行交互。隨后充電樁閉合K1、K2 接觸器，根據(jù)交互報文和充電樁自身的電壓信息進行絕緣檢測，絕緣檢測通過后會從高壓回路中移除IMD 模塊，通過泄放回路對充電電壓進行泄放，然后斷開K1、K2 接觸器，同時周期性發(fā)送握手報文。

圖1 直流充電原理圖

VCU 判斷檢測點2 的電壓和接收到的周期性握手報文達到協(xié)議值時，會閉合K5、K6 接觸器。非車載充電機控制器判斷檢測到的電壓值與從報文接收到的電壓值滿足協(xié)議時，再閉合K1、K2 接觸器，車輛開始充電。充電電流由VCU 通過CAN 報文發(fā)送。

VCU 根據(jù)電池系統(tǒng)狀態(tài)和接收到的報文判斷是否滿足充電結束條件。非車載充電機控制器也可根據(jù)操作人員動作和接收到的報文判斷是否滿足結束充電條件。兩個控制器只要有一個認為需要結束充電時，都會發(fā)送相應的報文到CAN 線上，當充電電流小于5A 時斷開自己控制的接觸器。車載充電機在斷開K1、K2 后會再次投入泄放電路，最后再斷開K3 和K4 繼電器。

3 硬件在環(huán)仿真

從上述的充電過程來看，中間涉及到的部分包括絕緣檢測、高電壓和大電流的閉環(huán)監(jiān)控、接觸器和繼電器的控制、電壓信號識別與檢測、CAN 通訊等多個領域[5]。在VCU 或BMS 的直流充電功能開發(fā)階段，通過硬件在環(huán)平臺仿真充電環(huán)境，可在保證安全的條件下快速對VCU 的直流充電功能進行驗證。

針對車輛控制器直流充電的硬件在環(huán)系統(tǒng)原理如圖2 所示，左邊為硬件在環(huán)測試平臺的配置，右邊是VCU 和BMS；本文使用的BMS 控制器集成了VCU 的功能，因此本節(jié)在原理圖和測試平臺描述時使用BMS 表示車輛端的控制器。如果BMS 和VCU 是分離的，兩個控制器之間的信息交互一般采用CAN 通訊，那么在原理圖會有部分細微差別。

圖2 直流充電功能HIL 仿真原理

圖3 BMS 端直流充電過程

圖4 單體電壓超限終止充電

左側的HIL 部分，采用的HIL 為ETAS 公司的Labcar。硬件在環(huán)系統(tǒng)的計算核心是實時仿真機（RTPC），物理模型在RTPC中運行。HIL 通過RTPC 來控制相應的各種設備和析卡。高電壓部分由高壓程控電源進行仿真，經(jīng)過由RTPC 控制的接觸器輸出給BMS。HIL 設備自帶的絕緣檢測功能用來保證整個測試環(huán)境的安全。BMS 端的高壓一直由HIL 提供，因此可以省去K1 和K2，使用原有的接觸器即可。對HIL 來講，PE 指的供電電源中的PE，絕緣檢測指的時各處高壓與PE 之間的電阻值；對BMS來講，PE 指的是車身地，即蓄電池的負極，在HIL 測試環(huán)境中，也就是低壓程控電源的負極。實車充電過程中的取充電槍，插入車輛充電插座中，松手閉鎖等動作，可以通過上位機軟件進行操作，通過物理模型計算得到仿真邏輯和結果，由CAN 報文告知BMS。BMS 采用電流傳感器來采集母線電流，HIL 通過仿真Shunt 傳感器的信號給BMS，BMS 可根據(jù)這個電流計算得到SOC 值。BMS 用來驅動K5、K6 接觸器的控制信號可直接由HIL的數(shù)字量析卡采集，然后由物理模型計算得出接觸器的狀態(tài)。CC1 原來的用途是充電樁的電壓檢測，只與車輛的充電插座有關，與BMS 無直接關系，在HIL 仿真中此處的線束可以省去，充電樁端的動作過程由物理模型進行仿真即可。CC2 是BMS 端的電壓檢測，HIL 環(huán)境中用電阻析卡來仿真充電槍中的電阻，通過改變電阻值來模擬充電器插拔時的電壓變化。S+和S- 為CAN通訊針腳，HIL 中采用CAN 析卡來仿真充電樁的CAN 報文，物理模型需要的報文和計算后輸出的報文都可以通過CAN 析卡仿真收發(fā)。A+、A- 原來為充電樁輸出的12V 供電，HIL 平臺通過程控電源進行仿真。

4 直流充電功能硬件在環(huán)測試

本文對BMS 的直流充電過程進行HIL 仿真測試，通過HIL來仿真充電樁中跟BMS 密切相關的各種功能，分析被測對象BMS 的軟硬件控制邏輯和功能是否滿足需求。

直流充電過程仿真:

圖3 顯示了在HIL 測試環(huán)境下BMS 端的一個完整的直流充電過程，從檢測到連接成功，到握手通訊，接觸器閉合指令，電壓，電流和SOC 的變化都與預期一致。HIL 測試還可以方便地對直流充電中各種故障模式進行仿真測試，包括電壓過高，單體電壓超限，電流過大，單體溫度過高，通訊丟失等各種故障。圖4 顯示的是充電過程中兩個單體電壓差值超過500mV 時，BMS 判斷認為出現(xiàn)故障，發(fā)出停止充電的過程。

5 結論

本文詳細論述了直流充電的原理和基于Labcar 設備進行該功能測試仿真的過程，從理論上闡述了HIL 測試系統(tǒng)和測試方案的必要性和可行性。通過搭建測試平臺，制定了具體的測試流程并依據(jù)測試結果對直流充電中的各種故障進行了測試。利用Labcar HIL 測試平臺對控制器進行驗證可以縮短ECU 研發(fā)周期滿足快速迭代需求，通過靈活地配置模型和系統(tǒng)參數(shù)，對各種工況進行快速模擬仿真，包括實車測試中不易出現(xiàn)的工況。HIL 測試還具備安全的優(yōu)勢，尤其適合BMS 這種存在高壓的控制器。