基于Veristand的電動客車BMS硬件在環(huán)測試平臺設(shè)計(jì)

邵玉龍， 游祥龍， 李 龍， 高萬兵， 趙宇斌， 鄭俊江

(鄭州宇通客車股份有限公司， 鄭州 450016)

電池管理系統(tǒng)(BMS)作為電動客車電池系統(tǒng)的重要組成部分，對電池的安全使用和壽命延長具有重要作用[1]。BMS功能復(fù)雜，怎樣進(jìn)行全面快速地檢測是一個(gè)問題，現(xiàn)有的BMS測試系統(tǒng)通常是為某一款BMS設(shè)計(jì)的，通用的BMS檢測系統(tǒng)不多[2-3]。本文基于Veristand設(shè)計(jì)了一個(gè)通用性強(qiáng)的電動客車BMS的硬件在環(huán)測試系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)既可以手動控制，也可以自動運(yùn)行；可以模擬放電工況，也可以模擬充電等工況；能快速驗(yàn)證BMS的功能并發(fā)現(xiàn)故障，縮短開發(fā)周期。

1 BMS硬件在環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

BMS的開發(fā)和測試可采用虛實(shí)結(jié)合的V形開發(fā)流程，其中硬件在環(huán)(HiL)測試技術(shù)對BMS的設(shè)計(jì)和開發(fā)有重要意義[4]。采用HiL測試可以加快產(chǎn)品的開發(fā)速度。在HiL測試系統(tǒng)中，只有待測BMS是物理實(shí)物，駕駛員、電池組、傳動系統(tǒng)等都是仿真模型，仿真模型在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中運(yùn)行，通過不同的工況來模擬實(shí)車環(huán)境，實(shí)現(xiàn)測試環(huán)境由軟件控制，避免實(shí)際測試環(huán)境中的危險(xiǎn)工況(比如過壓、過流)，實(shí)現(xiàn)對BMS多角度全方位的測試[5-8]。

現(xiàn)有的HiL設(shè)備通常以單項(xiàng)測試或?qū)Ｓ脺y試為主。車型較多，且電池箱布置各異，造成了實(shí)際的BMS種類繁多。因此，設(shè)計(jì)一種可以滿足多種BMS測試需求的HiL臺架具有重要意義。由于待測BMS的從控制器是采用集成芯片(LTC6811)，其采樣代碼是經(jīng)過芯片廠家測試的，并已經(jīng)固化在芯片中。因此，BMS設(shè)計(jì)者開發(fā)的程序主要集中在BMS主控制器上。為了降低成本，并提高測試系統(tǒng)的通用性，本文將從控制器的功能也通過軟件來仿真，測試系統(tǒng)僅對BMS主控制器進(jìn)行測試。設(shè)計(jì)思路如下：

首先建立Simulink電池模型、主動均衡模型、動力系統(tǒng)模型，配置輸入輸出接口；其次利用Matlab自動代碼生成工具，將仿真模型轉(zhuǎn)換成C語言，再通過NIVeriStand.tlc編譯器編譯成.dll文件；然后將.dll文件導(dǎo)入到Veristand仿真環(huán)境中；最后利用操作界面實(shí)時(shí)在線監(jiān)控運(yùn)行任務(wù)并與之交互，對 BMS 產(chǎn)品進(jìn)行全面、準(zhǔn)確的測試，及早發(fā)現(xiàn)缺陷并改進(jìn)，確保BMS產(chǎn)品的安全、穩(wěn)定、可靠。

1.2 實(shí)時(shí)仿真平臺硬件設(shè)計(jì)

應(yīng)用NI PXIe硬件在環(huán)測試平臺搭建BMS的HiL系統(tǒng)。硬件在環(huán)測試平臺的實(shí)驗(yàn)設(shè)備有：PXIe-8135、Think Pad T430、CAN板卡、數(shù)字量I/O板卡、模擬量I/O板卡等。

圖1是本文所設(shè)計(jì)的BMS主控硬件在環(huán)測試架構(gòu)。Veristand軟件運(yùn)行在上位機(jī)中，設(shè)計(jì)相應(yīng)的監(jiān)控界面；在仿真配置階段，通過Veristand中System Explorer工具添加Simulink電池組模型以及均衡模型，加載CAN通訊所用DBC文件，此外還需要使用mapping工具配置CAN通道和IO通道。仿真階段，NI實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)一方面實(shí)時(shí)計(jì)算電池的工作狀態(tài)，并輸出相應(yīng)的電壓、電流供BMS采集，另一方面與上位機(jī)的Veristand監(jiān)控平臺交換信息；NI實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)接收BMS主控制器發(fā)送的均衡指令后，命令主動均衡模塊進(jìn)行單體的能量均衡工作；工控機(jī)通過CAN板卡將單體的狀態(tài)信息發(fā)送給BMS主控制器，供BMS采集。此外，通過監(jiān)控界面更改模型參數(shù)可以模擬BMS在實(shí)車上的多種工況，比如電池過壓、過溫等，然后對比BMS估算的電池狀態(tài)信息與期望值的差異，從而對BMS進(jìn)行評價(jià)。

圖1 BMS主控硬件在環(huán)系統(tǒng)架構(gòu)

1.3 HiL軟件模型設(shè)計(jì)

HiL仿真測試臺架的電池模型使用Matlab/Simulink 2015a編寫，模型轉(zhuǎn)換代碼的工具采用Visual Studio 2010，模型運(yùn)行和控制程序使用NI Veristand 2017。所創(chuàng)建的電池組模型如圖2所示，圖中的輸入輸出端口是NI Veristand專用接口，用于同監(jiān)控平臺硬件板卡通訊，其中輸入端口1是負(fù)載需求電流，輸出端口1是電池組電壓，輸出端口2是測量到的電池組電流；圖中電池仿真Pack模塊的模型輸入量包括環(huán)境溫度和回路電流，通過NI Veristand in端口來傳入數(shù)據(jù)；模型的輸出量是電池，通過NI Veristand out端口輸出到模擬板卡進(jìn)行仿真。

圖2 Simulink電池組模型

模擬的電池Pack采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)，共串聯(lián)有24個(gè)電池模組，單個(gè)模組又由12個(gè)單體電池串聯(lián)而成。因此，該電池Pack可以模擬288串單體電池組成的電池包。Pack內(nèi)部采用可以配置的均衡模型：如果BMS采用主動均衡，就按照能量轉(zhuǎn)移的原理進(jìn)行配置；如果BMS采用被動均衡，就僅對電壓高的單體放電，放出的電能用分流電阻消耗掉。這樣就實(shí)現(xiàn)了主動和被動的轉(zhuǎn)化。

單體電池的電壓、溫度信息都通過NI Veristand out端口輸出，單體仿真采用一階RC模型，如圖3所示。圖2和圖3中都包含了多個(gè)Constant模塊，添加這些模塊的目的是為了在線調(diào)整模型，比如將某個(gè)單體電池的電壓調(diào)高，以測試BMS的過壓保護(hù)功能。除此之外，Veristand還提供了Stimulus Profile Editor工具，利用此工具，可以編寫工況，輸入信號序列，在模型運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)調(diào)用。

圖3 HiL系統(tǒng)中Simulink電池單體模型

1.4 HiL監(jiān)控測試軟件設(shè)計(jì)

利用Veristand連接模型和板卡，并加載.dll文件，配置模型端口和板卡的端口；向工控機(jī)部署模型文件，待自動跳出監(jiān)控界面后，利用編輯模式，設(shè)計(jì)監(jiān)控界面，如圖4所示。監(jiān)控界面的左側(cè)控件關(guān)聯(lián)到模型的輸入輸出數(shù)據(jù)，比如，輸出電壓的信號可以通過更改Constant的值，在模型的輸出電壓基礎(chǔ)上偏移一個(gè)值來進(jìn)行更改。圖中是對前12個(gè)單體電池的電壓增加了偏移，即模擬了電壓跳躍。監(jiān)控界面的右側(cè)是圖表控件，該控件可以通過圖形的方式展示信號的變化情況。通過手動或者自動地更改模型的配置情況，能夠讓模型模擬電池的工作狀態(tài)，供BMS采集和管理。電池模型的狀態(tài)和BMS估計(jì)的狀態(tài)都可以通過圖形控件形象地展示，這使BMS測試工作變得很直觀。

圖4 Veristand監(jiān)控界面

2 HiL實(shí)驗(yàn)臺功能驗(yàn)證

利用上述實(shí)驗(yàn)設(shè)備，按照圖1所示的系統(tǒng)架構(gòu)，搭建BMS硬件在環(huán)測試平臺。在NI PXI仿真工控機(jī)中，部署整車動力模型和電池模型，并通過以太網(wǎng)口與上位機(jī)監(jiān)控軟件通訊，上報(bào)實(shí)時(shí)模型的運(yùn)行狀態(tài)，并接受監(jiān)控界面WorkSpace發(fā)出的控制命令，實(shí)時(shí)改變整車動力模型運(yùn)行工況和電池模型的狀態(tài)情況。利用該實(shí)驗(yàn)臺，按照供貨技術(shù)條件對CATL 6.0_BMU_B3型號的BMS主控功能進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如下：

1) 采集電壓、電流和溫度的功能驗(yàn)證。將該BMS接入到HiL測試平臺中，開始測試后，該BMS能及時(shí)準(zhǔn)確采集電壓、電流和溫度，并按協(xié)議的要求準(zhǔn)時(shí)發(fā)送出電池的狀態(tài)信息。

2) 電池SOC估算精度驗(yàn)證。通過仿真某商用車高速行駛C-WTVC工況進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明該BMS仿真計(jì)算出的SOC和模型本身SOC的誤差小于5%，滿足供貨技術(shù)條件的要求。

3) 電池SOH估算功能驗(yàn)證。通過更改電池組的容量等參數(shù)來模擬電池容量衰減，然后再進(jìn)行多次C-WTVC循環(huán)仿真測試。在經(jīng)過多次充放電循環(huán)仿真測試并滿足電壓穩(wěn)定條件后，觀察到BMS估算的電池容量進(jìn)行了自動更新，趨近于模型中設(shè)定的電池容量，SOH估算功能滿足要求。

4) 電池保護(hù)功能驗(yàn)證。對單體的保護(hù)功能通過在線更改模型的輸出信號，該BMS檢測到了電壓過低或過高、電流過大、溫度過高等狀態(tài)，并發(fā)出了相應(yīng)等級的故障報(bào)警，證明該BMS保護(hù)功能滿足設(shè)計(jì)要求。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該仿真測試平臺能夠快速對BMS功能進(jìn)行檢測。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)并搭建了一套通用性較強(qiáng)BMS的硬件在環(huán)仿真測試系統(tǒng)，對待測的BMS進(jìn)行了功能性驗(yàn)證。硬件在環(huán)測試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能，證明了本論文所設(shè)計(jì)的HiL測試系統(tǒng)是合理的。