混動車電池管理系統硬件在環測試平臺研究

孟月 李志揚 朱建新 陳雨飛 呂帥帥 倪紅軍

摘? 要： 文中基于工程實際搭建混動車電池管理系統硬件在環測試平臺，為電池管理系統（BMS）的開發和測試提供支持。該測試平臺硬件包括上位機、實時仿真機、電池模擬器等，軟件包括RT?LAB仿真平臺、自動化測試軟件TA，實時仿真模型包括電池模型、整車模型等。通過該硬件在環測試平臺模擬BMS控制器的輸入信號，采集BMS控制器的輸出和必要的輸入信號，進行BMS策略的驗證測試。結果表明，該硬件在環測試平臺可以準確全面地驗證BMS策略的可靠性，縮短產品的開發周期，減少開發成本。

關鍵詞： 硬件在環測試平臺; 電池管理系統; 混動車; 信號采集; 仿真建模; 驗證測試

中圖分類號： TN86?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 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（BMS）作為混動車的核心技術之一，直接影響到汽車的行駛里程、能耗、壽命等關鍵指標，具有極其重要的研究意義[1]。由于電池自身的特性，采用電池組驗證電池管理系統有一定的試驗條件限制。在測試電池處于極限工況下電池管理系統的控制功能時，容易出現安全問題[2?3]。采用硬件在環測試的方法對電池管理系統進行測試，能夠避免這種問題，加速和簡化開發流程，及早地發現設計的不足。

硬件在環（HIL）測試平臺是將系統的一部分用數學模型進行仿真模擬，另一部分用真實的控制器硬件來代替，形成仿真閉環回路。其優點是使得系統在一個盡可能逼真的模擬環境中進行運行和測試[4?6]。一套完整的BMS硬件在環測試系統可以加快開發流程，提高產品的可靠性、穩定性和安全性[7?8]。

本文介紹了一種基于RT?LAB搭建的電池管理系統硬件在環測試平臺，該平臺具有高精密度、高實時性等優勢[9?10]。采用硬件在環測試平臺為BMS提供采集信號，響應BMS的輸出控制信號，進行BMS功能測試，大幅度縮短產品開發時間，提高開發成本。

1? 測試平臺組成

1.1? 硬件組成

1.1.1? 上位機

硬件在環測試平臺使用工作站作為上位機，安裝有實時仿真試驗管理軟件（RT?LAB）和自動測試軟件（TA）。上位機主要用來配置硬件設備，并監測運行狀態;對仿真模型進行部署、編譯、下載;控制仿真試驗的運行和停止;對測試用例進行開發和管理，運行和結束測試任務。

1.1.2? 實時仿真機

HIL測試平臺使用集智達工控機，安裝有REDHAT操作系統，插有各種NI板卡、電阻卡和CAN卡，滿足BMS所需的各種信號通道和CAN總線接口。實時仿真機的主要功能是：運行仿真模型，并按照上位機發送的命令運行，發送數據信息;控制配套的其他硬件設備（如電池模擬器、高壓模擬箱等）的運行;產生BMS所需的各種信號，如AO/I通道、DO/I通道、CAN總線接口等。

1.1.3? 電池模擬器

本測試平臺可以模擬24節單體和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

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

1.2? 軟件組成

1.2.1? 試驗管理軟件

試驗管理軟件由RT?LAB調用Simulink模型實現，以完成試驗模型的開發、仿真的實時運行控制等，如圖1所示。試驗管理軟件能夠快速準確地將Simulink模型導入工程文件，通過TCP/IP實現模型仿真的控制，包括模型編譯、下載、節點分配等操作，可以實現仿真參數的在線調整。

1.2.2? 自動化測試軟件

自動測試軟件選用TA，如圖2所示，主要作用在于通過與試驗管理軟件的無縫鏈接，實現測試流程的自動運行和管理。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。設計和管理測試監控界面，實現對所有輸入輸出通道進行操作，對所要求類型的信號進行仿真輸出、實時記錄、曲線顯示。

2? 實時仿真模型

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、內阻模型等。整個BMS系統模型運行于實時系統，整體解算步長小于等于1 ms。二階RC模型中的內阻R和電容C都是和SOC、溫度T相關的參數，在模型運行過程中，R和C都是根據實際電池實驗數據擬合的函數。

2.2? 整車模型

整車模型中包含了電機模型、變速箱模型、傳動機構模型、整車動力學模型等。電機模型和變速箱模型主要是為了能夠根據輸入的電流信號模擬出實際的行車速度狀態。傳動機構模型和整車動力學模型是為了模擬整個系統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。通過導入大量的實際行車工況數據，來對模型中的參數進行匹配。

3? 測試驗證

利用某款BMS，本文搭建的硬件在環仿真測試平臺如圖4所示。

3.1? 上下電策略測試

對BMS中的上下電策略進行試驗驗證，相關測試量為bus電壓、總正繼電器、預充繼電器、總負繼電器。通過Busmaster軟件進行采集數據，利用Canoe軟件進行數據分析，試驗結果如圖5所示。根據試驗結果可以分析得到，收到上電指令后，預充繼電器先閉合，然后總負繼電器和總正繼電器閉合，bus電壓開始升高，當升高到一定數值時，預充繼電器斷開，bus電壓繼續升高，升高至穩定數值。當發出下電指令后，總正繼電器和總負繼電器相繼斷開，bus電壓逐漸下降至0。此試驗結果與繼電器動作時序圖一致，如圖6所示。

3.2? SOC修正策略測試

靜態修正在零電流下進行，在電流絕對值小于1 A持續一段時間后，對當前SOC值進行校對，當偏差達到一定程度時，開啟修正機制，將內部計算SOC值直接修正到位，并實時給出修正標志位。對SOC修正策略進行驗證，通過Busmaster軟件進行采集數據，利用Canoe軟件進行數據分析，如圖7所示。其中SOC_CAN表示SOC的發送值，SOC_inside表示SOC的計算值，SOC_correct_flag表示SOC的修正標志，初始SOC設置為87%，電流設置小于1 A，根據BMS策略需求，保持無電流狀態超過60 s，在所設定策略條件下，SOC修正標志位置達到90%。

試驗結果表明，本文搭建的電池管理系統硬件在環測試平臺滿足BMS的測試需求，可以快速地驗證BMS策略的可靠性。

4? 結? 論

本文搭建的電池管理系統硬件在環測試平臺，具有模擬電池單體電壓采樣、總電壓采樣、單體均衡、SOC估算等測試功能。通過該平臺還可以實現測試流程的設計、編寫和管理，實現測試流程的自動運行和管理，更加高效快速地驗證BMS策略的可靠性。試驗結果表明，該平臺能縮短開發周期，提高測試效率，減少測試成本。

注：本文通訊作者為倪紅軍。

參考文獻

[1] 孫誠驍，吳帥軍，霍艷紅，等.基于RT?LAB的混動車BMS硬件在環測試系統[J].電源技術，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.