基于CANalyzer的BMS軟件設(shè)計(jì)虛擬平臺(tái)技術(shù)的研究*

姚 航，任曉明，那 偉，王 晴，曹 輝

(1.上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院，上海 200240； 2.上海航天電源技術(shù)有限責(zé)任公司，上海 201615)

基于CANalyzer的BMS軟件設(shè)計(jì)虛擬平臺(tái)技術(shù)的研究*

姚 航1，任曉明1，那 偉1，王 晴2，曹 輝2

(1.上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院，上海 200240； 2.上海航天電源技術(shù)有限責(zé)任公司，上海 201615)

電池管理系統(tǒng)(BMS)是電動(dòng)汽車上的核心部件之一，其安全性、穩(wěn)定性尤為重要。介紹了BMS的整體結(jié)構(gòu)和軟件流程圖，從軟件設(shè)計(jì)上介紹了V開發(fā)流程，并提出了一種基于CANalyzer的BMS軟件虛擬平臺(tái)技術(shù)；將采集到的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)入到虛擬平臺(tái)中，從而能夠模擬真實(shí)情況下的軟件運(yùn)行環(huán)境，能夠更可靠地對(duì)已編寫好的軟件代碼進(jìn)行測(cè)試和功能驗(yàn)證，縮短軟件開發(fā)周期。最后通過試驗(yàn)，驗(yàn)證了該技術(shù)的有效性。

BMS；V開發(fā)流程；軟件開發(fā)；虛擬平臺(tái)技術(shù)

0 引言

隨著“十三五”規(guī)劃的制定和發(fā)布，新能源汽車行業(yè)再度被提及，新能源汽車的發(fā)展將進(jìn)一步向前推進(jìn)。電動(dòng)汽車作為其中的主力軍，其技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新也是重中之重[1]。

電池管理系統(tǒng)(BMS)作為電動(dòng)汽車上的主要核心部分之一，管理著電動(dòng)汽車的動(dòng)力來(lái)源，其安全性、穩(wěn)定性、可靠性顯得尤為重要。近年來(lái)，隨著電動(dòng)汽車行業(yè)市場(chǎng)的崛起，BMS技術(shù)也得到了一定程度的發(fā)展和進(jìn)步，但是也存在一些不足。文獻(xiàn)[2]對(duì)新能源汽車技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)行了總結(jié)，并展望了未來(lái)5年新能源汽車科技研發(fā)的重點(diǎn)。文獻(xiàn)[3]從軟件的系統(tǒng)架構(gòu)、軟件設(shè)計(jì)和研發(fā)過程管理3個(gè)方面對(duì)BMS的軟件工程做了具體闡述。文獻(xiàn)[4]介紹了基于AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)的BMS軟件開發(fā)流程，采用dSPACE公司的SystemDesk和TargetLink軟件為工具完成軟件開發(fā)。

本文研究了BMS的結(jié)構(gòu)、功能，并介紹了軟件V開發(fā)流程和BMS軟件流程架構(gòu),設(shè)計(jì)了一種基于CANalyzer的軟件開發(fā)虛擬平臺(tái)技術(shù)。在BMS軟件開發(fā)以及后期功能升級(jí)維護(hù)的時(shí)候，使用該虛擬平臺(tái)技術(shù)，能夠結(jié)合實(shí)際工況采集的數(shù)據(jù)，模擬出BMS系統(tǒng)在真實(shí)環(huán)境中的運(yùn)行，從而檢測(cè)軟件程序的正確性和可靠性。

1 BMS介紹

本文介紹的BMS中電芯采用的是標(biāo)稱容量為60 Ah的磷酸鐵鋰電芯。磷酸鐵鋰電芯使用壽命長(zhǎng)，循環(huán)壽命達(dá)2 000次以上，能量密度比較高，可達(dá)122 Wh/kg，同時(shí)制造原材料來(lái)源廣泛，成本較低，使用安全性較高。該BMS采用分布式的結(jié)構(gòu)方式[5]，其整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。系統(tǒng)控制部分主要由一個(gè)電池管理系統(tǒng)主控模塊BMU和若干個(gè)電池模塊從控單元LECU所組成。

BMU作為主控單元，主要管理整個(gè)電池組系統(tǒng)，包括電池組總電壓、總電流的監(jiān)測(cè)、電池組的荷電狀態(tài)(SOC)計(jì)算、均衡策略的控制、絕緣檢測(cè)以及故障診斷等。從控單元LECU采集各個(gè)電池組模塊的信息，如單體電壓、溫度等；同時(shí)也通過接收BMU的指令，進(jìn)行熱管理處理、均衡控制，通過CAN總線與BMU之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互?；魻杺鞲衅髦饕怯脕?lái)監(jiān)測(cè)動(dòng)力電池組母線分別在充電、放電時(shí)候的電流；絕緣監(jiān)測(cè)儀主要監(jiān)測(cè)高壓母線的正極、負(fù)極對(duì)車身地之間的絕緣阻值，確保電池組系統(tǒng)的絕緣狀態(tài)良好，不至于對(duì)車輛、人員造成安全隱患。這種分布式的結(jié)構(gòu)方式使得動(dòng)力電池組管理系統(tǒng)適用于動(dòng)力電池組布局較為分散的系統(tǒng)中，并且可以通過增減電池組模塊的數(shù)量來(lái)改變整體布局，大大提高了系統(tǒng)的兼容性，從而使其適應(yīng)于不同車型的動(dòng)力電池組系統(tǒng)，實(shí)際操作靈活度非常高[6]。

圖1 BMS整體結(jié)構(gòu)示意圖

2 BMS的軟件開發(fā)設(shè)計(jì)

軟件算法是BMS的核心技術(shù)之一，因此開發(fā)設(shè)計(jì)一套具有極高安全性、穩(wěn)定性的軟件系統(tǒng)，能夠最大程度地滿足新能源行業(yè)發(fā)展對(duì)BMS系統(tǒng)的需求。隨著行業(yè)的發(fā)展，BMS軟件算法層面的研究將是未來(lái)BMS廠商爭(zhēng)相競(jìng)爭(zhēng)的核心領(lǐng)域。早期的BMS軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)采用面向過程的應(yīng)用執(zhí)行體系，導(dǎo)致代碼復(fù)用度低、函數(shù)相互間耦合度高、代碼移植性差等諸多問題，無(wú)法滿足功能需求不斷擴(kuò)展、算法更加復(fù)雜的BMS軟件設(shè)計(jì)需求[7]。

2.1 V型軟件開發(fā)模式

圖2 V型開發(fā)流程圖

隨著BMS系統(tǒng)的復(fù)雜性和功能性的不斷增加，為了確保產(chǎn)品的最終質(zhì)量，在軟件開發(fā)的過程中，需要通過一系列的自動(dòng)化測(cè)試手段來(lái)減少?gòu)亩x、分析、設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)不同產(chǎn)品開發(fā)周期的人為失誤。V型開發(fā)模式符合國(guó)際汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(ASAM/ASAP)，目前已在汽車電子開發(fā)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。V型開發(fā)模式強(qiáng)調(diào)在產(chǎn)品開發(fā)早期引入設(shè)計(jì)缺陷和錯(cuò)誤驗(yàn)證，降低了設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，避免了傳統(tǒng)開發(fā)流程中易存在的設(shè)計(jì)盲目性[8-9]。圖2為針對(duì)BMS而設(shè)計(jì)的V型開發(fā)流程圖。

首先根據(jù)整車對(duì)電池組系統(tǒng)以及BMS系統(tǒng)的技術(shù)要求完成算法設(shè)計(jì)、功能分析；然后在MATLAB/Simulink中搭建功能模型，并進(jìn)行仿真分析；再進(jìn)行軟件在環(huán)測(cè)試，對(duì)相關(guān)功能、算法的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行測(cè)試，之后便通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成C代碼，將生成的代碼下載至相應(yīng)的硬件系統(tǒng)中進(jìn)行硬件在環(huán)仿真測(cè)試；隨后將BMS軟件程序加載到真實(shí)的電池組系統(tǒng)中，進(jìn)行系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的標(biāo)定與測(cè)試；最后和需求進(jìn)行對(duì)比測(cè)試驗(yàn)證，直到滿足最初的設(shè)計(jì)需求為止。

2.2 軟件控制流程設(shè)計(jì)

圖3 BMU軟件流程圖

圖4 LECU軟件流程圖

電池組系統(tǒng)中BMS軟件流程圖如圖3、圖4所示。其中圖3為主控部分BMU的流程圖，首先進(jìn)行初始化，初始化系統(tǒng)包括系統(tǒng)自檢，自檢通過以后再執(zhí)行下一步；之后是系統(tǒng)參數(shù)檢測(cè)，包括總壓、電流、絕緣值的檢測(cè)以及SOC計(jì)量；電池組系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)檢測(cè)完成以后，便進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和故障判斷，有故障就進(jìn)入故障處理機(jī)制，沒有故障就進(jìn)入下一步，把相關(guān)參數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)，如SOC、單體最大、最小電壓，最大、最小溫度等參數(shù)。數(shù)據(jù)處理完成以后，便通過三路CAN總線進(jìn)行報(bào)文數(shù)據(jù)通信。CAN0主要擔(dān)當(dāng)電池組系統(tǒng)內(nèi)部通信，包括與從控單元LECU、分流器、絕緣儀之間的通信；CAN1主要是和整車控制器進(jìn)行通信；CAN2是和充電機(jī)以及外置監(jiān)控終端進(jìn)行通信。

圖4為從控部分LECU的軟件流程圖。類似于BMU的流程，首先進(jìn)行初始化，也包括系統(tǒng)自檢；之后是單體電壓檢測(cè)、溫度檢測(cè)；將檢測(cè)的數(shù)據(jù)通過CAN總線上報(bào)給BMU，BMU通過數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷是否進(jìn)行均衡控制和熱管理，再下發(fā)指令至LECU進(jìn)行執(zhí)行。同時(shí)，LECU也通過采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算處理和故障判斷，一旦觸發(fā)故障便進(jìn)入故障處理機(jī)制。最后是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和CAN通信，LECU是通過CAN總線與BMU進(jìn)行通信的。

3 BMS的軟件開發(fā)設(shè)計(jì)

在BMS軟件設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，需要不斷地進(jìn)行測(cè)試以及功能驗(yàn)證，很多時(shí)候都僅僅依賴于所搭建的仿真模型或者硬件平臺(tái)來(lái)進(jìn)行的，與軟件在真實(shí)環(huán)境中的運(yùn)行的實(shí)際情況有很大的區(qū)別。CANalyzer是由德國(guó)Vector公司生產(chǎn)的一種網(wǎng)絡(luò)和分布式系統(tǒng)的通用分析工具，不僅能方便地觀察、分析和支持?jǐn)U展多路CAN通道的數(shù)據(jù)傳輸，還能用于LIN、MOST、FlexRay總線通道。CANalyzer具有極其強(qiáng)大的圖形可視化功能，能夠通過圖形化界面來(lái)搭建控制流程圖，能夠自適應(yīng)繪制統(tǒng)計(jì)圖表等；同時(shí)還能存儲(chǔ)和回放記錄的總線數(shù)據(jù)傳輸情況。CANalyzer能夠覆蓋所有的總線應(yīng)用，從簡(jiǎn)單的演示培訓(xùn)到復(fù)雜系統(tǒng)的分析和仿真模擬。

軟件虛擬平臺(tái)技術(shù)是通過CANalyzer軟件導(dǎo)入實(shí)際行車過程中所采集的數(shù)據(jù)，通過回放采集的數(shù)據(jù)來(lái)建立一個(gè)真實(shí)的運(yùn)行環(huán)境，再配合主控BMU控制板來(lái)運(yùn)行軟件程序；通過CANalyzer軟件可以讀出CAN總線中上傳的報(bào)文，配合數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行報(bào)文解析得到相關(guān)參數(shù)，從而便可以進(jìn)行BMS軟件開發(fā)的測(cè)試和功能驗(yàn)證。圖5為軟件虛擬平臺(tái)技術(shù)示意圖。

圖5 虛擬平臺(tái)技術(shù)示意圖

軟件設(shè)計(jì)虛擬平臺(tái)技術(shù)是利用真實(shí)行車過程中采集的實(shí)況數(shù)據(jù)來(lái)搭建一個(gè)真實(shí)的軟件運(yùn)行環(huán)境。實(shí)況數(shù)據(jù)利用CANalyzer軟件將數(shù)據(jù)經(jīng)過CAN總線上報(bào)給BMU，BMU接收到的數(shù)據(jù)是完全真實(shí)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，從而能夠模擬出真實(shí)的運(yùn)行環(huán)境。在進(jìn)行軟件測(cè)試驗(yàn)證之前，需要將CAN總線上的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行修改和調(diào)整。例如需要驗(yàn)證SOC算法，需要將CAN總線中的SOC發(fā)送節(jié)點(diǎn)去掉，同時(shí)將計(jì)算SOC所需要的參數(shù)從發(fā)送節(jié)點(diǎn)修改為接收節(jié)點(diǎn)，并送到BMU主控板節(jié)點(diǎn)中?；诖耍谒⒌哪Ｐ彤?dāng)中也需要進(jìn)行相應(yīng)的修改，修改完成以后，通過代碼自動(dòng)生成軟件生成軟件代碼。

在進(jìn)行軟件程序的測(cè)試過程中，首先將需要進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證的軟件代碼通過燒錄器寫入BMU控制板中，再通過CAN總線分析儀連接BMU控制板搭建一個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)，利用CAN總線分析儀的USB接口接入計(jì)算機(jī)中；CANalyzer軟件需要加載相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，用于解析報(bào)文中的信息。再導(dǎo)入實(shí)況數(shù)據(jù)，運(yùn)行CANalyzer軟件，通過軟件本身強(qiáng)大的可視化界面來(lái)對(duì)軟件運(yùn)行過程進(jìn)行檢測(cè)和分析。

4 BMS軟件虛擬平臺(tái)的應(yīng)用

在BMS中，SOC的精度對(duì)于電動(dòng)汽車的安全性和經(jīng)濟(jì)性具有非常重要的意義，各大高校、科研院所以及BMS廠家也在探尋不同的方法來(lái)估算SOC值，使之更加接近真實(shí)值。本文中介紹的BMS系統(tǒng)中SOC的算法是結(jié)合安時(shí)積分法和開路電壓法來(lái)估算的，同時(shí)配合一些邊界修正條件來(lái)對(duì)SOC進(jìn)行校正。

通過長(zhǎng)時(shí)間對(duì)電動(dòng)汽車的行車數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析可知，一般情況下，由于電池單體的制造工藝的差異，導(dǎo)致在放電末期會(huì)出現(xiàn)某一顆或者某幾顆單體電壓偏低，從而使得SOC被拉低，即SOC大幅度跳變的情況。然后通過下電靜置電池組處理以后，再重新上電，單體電壓又恢復(fù)正常，從而出現(xiàn)SOC上電反彈的情況，使得SOC估算精度大大減小。因此本文針對(duì)BMS軟件虛擬平臺(tái)技術(shù)的應(yīng)用，來(lái)測(cè)試驗(yàn)證SOC估算軟件代碼。

通過對(duì)原來(lái)SOC算法進(jìn)行修改，對(duì)邊界校正的控制策略進(jìn)行完善以后，生成軟件代碼。利用軟件虛擬平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，直到達(dá)到軟件開發(fā)的要求。再將改進(jìn)后的SOC軟件代碼放在整車運(yùn)行中進(jìn)行試驗(yàn)分析。

本次試驗(yàn)采用的是同一輛營(yíng)運(yùn)的純電動(dòng)公交車，在電池組系統(tǒng)裝車之前，將系統(tǒng)內(nèi)每顆電池單體進(jìn)行電壓、容量調(diào)平處理，確保電池單體的一致性處于最佳狀態(tài)。圖6為運(yùn)行開始時(shí)，SOC估算安時(shí)積分法和通過校正以后上報(bào)CAN總線的情況，可以看出，起始時(shí)兩種估算值保持高度一致，偏差也很小。連續(xù)進(jìn)行每天接近8小時(shí)、近40天的營(yíng)運(yùn)試驗(yàn)，圖7為試驗(yàn)后期采集的一段時(shí)間的SOC值變化情況，經(jīng)過300多小時(shí)的運(yùn)行試驗(yàn)以后，安時(shí)積分法和校正以后的SOC值出現(xiàn)了一些偏差，兩者間的偏差大約在5%上下波動(dòng)。根據(jù)SOC安時(shí)積分值和校正上報(bào)CAN總線的值可以初步估計(jì)經(jīng)過300多小時(shí)的運(yùn)行以后，SOC估算偏差能有效地控制在5%以內(nèi)了，符合國(guó)標(biāo)QC/T 897-2011中對(duì)SOC值精度的要求[10-11]。通過BMS軟件虛擬平臺(tái)技術(shù)對(duì)編寫的軟件程序進(jìn)行測(cè)試和功能驗(yàn)證，能夠大大縮減軟件代碼開發(fā)周期，提高軟件代碼的穩(wěn)定性和可靠性。

圖6 SOC試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析圖

圖7 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析圖

5 結(jié)論

本文簡(jiǎn)單介紹了電池組系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)、BMS軟件開發(fā)流程和軟件運(yùn)行流程。介紹了一種基于CANalyzer的軟件虛擬平臺(tái)技術(shù)，利用該技術(shù)能夠模擬出軟件程序運(yùn)行的真實(shí)環(huán)境，從而使軟件的測(cè)試和功能驗(yàn)證更加可靠、可信，更加接近真實(shí)工況。同時(shí)，也極大地加快了軟件開發(fā)設(shè)計(jì)的進(jìn)程，縮短了開發(fā)周期，簡(jiǎn)化了軟件測(cè)試方案和流程。以修改SOC算法為例，通過實(shí)際試驗(yàn)表明，BMS軟件開發(fā)虛擬平臺(tái)技術(shù)對(duì)于實(shí)際工程有重大意義。

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Research on virtual platform technology for BMS software design based on CANalyzer

Yao Hang1，Ren Xiaoming1，Na Wei1，Wang Qing2，Cao Hui2

(1. Electric College, Shanghai Dianji University, Shanghai 200240, China;2. Shanghai Aerospace Power Technology Co., Ltd., Shanghai 201615, China)

Battery management system (BMS) is one of the core components of the electric vehicle, and the safety and stability are very important. This paper introduced the BMS overall structure and flow chart of software, introduced the V development process for software design, and proposed a virtual platform technology for BMS software design based on CANalyzer. To input the actual operation data into the virtual platform, it can simulate the real situation of the software operating environment, so the finished software code can be tested, which can shorten the time of software development. Through the experiment, the validity of this technology can be proved finally.

BMS; V development process; software development; virtual platform technology

TP311

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.06.024

姚航，任曉明，那偉，等. 基于CANalyzer的BMS軟件設(shè)計(jì)虛擬平臺(tái)技術(shù)的研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(6)：80-83.

2016-08-30)

姚航(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向：電力電子與新能源技術(shù)。

任曉明(1977-)，男，博士研究生，副教授，主要研究方向：防雷技術(shù)與新能源技術(shù)。

那偉(1982-)，男，碩士研究生，工程師，主要研究方向：電池組管理系統(tǒng)。