電動(dòng)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(shù)（上海）有限公司，上海200335）

1 概述

隨著全球能源危機(jī)的加劇和對(duì)環(huán)保的日益重視，國(guó)家從政策角度大力發(fā)展新能源電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)。目前制約電動(dòng)汽車快速發(fā)展的一個(gè)重要瓶頸是充電速度，電動(dòng)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(shuō)的快充和慢充。直流充電樁的最高電壓會(huì)超過(guò)1000V[1]，部分最大功率會(huì)超過(guò)350KW，這時(shí)充電時(shí)車輛與充電樁的交互過(guò)程及對(duì)應(yīng)的安全方面的問(wèn)題就顯得尤為突出，車輛控制單元在該部分功能設(shè)計(jì)研發(fā)階段需要做充分的測(cè)試，因此對(duì)測(cè)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(cè)試方式，可以在開(kāi)發(fā)階段的早期就對(duì)車輛的充電功能進(jìn)行測(cè)試，能滿足開(kāi)發(fā)的快速迭代和測(cè)試的功能安全需求[3]。

本文采用ETAS 公司的Labcar 硬件在環(huán)設(shè)備對(duì)直流充電功能進(jìn)行仿真測(cè)試，講述了BMS 控制器端的控制邏輯和對(duì)應(yīng)的HIL 測(cè)試方法，通過(guò)搭建硬件在環(huán)測(cè)試平臺(tái)，驗(yàn)證了某控制器在不同工況下的功能和安全保護(hù)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(biāo)準(zhǔn)[4]，充電樁和車輛之間在完成各種信息交互和檢測(cè)后再進(jìn)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(jìn)行，也有部分廠家會(huì)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(xí)慣用法，用VCU 來(lái)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(cè)矩形框表示的是充電樁部分，右側(cè)矩形框表示的是車輛部分。直流充電過(guò)程包括多個(gè)電壓信號(hào)校驗(yàn)和CAN 報(bào)文通訊（喚醒、電池參數(shù)、充電參數(shù)）等動(dòng)作，在握手通過(guò)后充電指示燈亮起后，才可以進(jìn)行充電。

直流充電時(shí)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(gè)過(guò)程中，開(kāi)關(guān)S 會(huì)經(jīng)歷“閉合- 打開(kāi)- 閉合”的一個(gè)動(dòng)作過(guò)程，充電槍和車輛插座的9 個(gè)引腳會(huì)完成彼此的連接。從原理圖上可以看出，CC1 與檢測(cè)點(diǎn)1 相連，充電樁的12V 經(jīng)過(guò)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(cè)點(diǎn)1 的電壓會(huì)有一個(gè)“6V-12V-6V-4V”的變化過(guò)程；CC2 與檢測(cè)點(diǎn)2 相連，車輛的12V 經(jīng)過(guò)R5 和R3 與車身地連接形成回路；檢測(cè)點(diǎn)2 的電壓隨著R3 接入電路中，電壓會(huì)有一個(gè)“12V-6V”的變化過(guò)程。非車載充電機(jī)控制器監(jiān)測(cè)到檢測(cè)點(diǎn)1 的電壓滿足協(xié)議值，會(huì)確認(rèn)充電線路完成連接；這時(shí)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(shí)開(kāi)始發(fā)送喚醒報(bào)文，與車輛的報(bào)文進(jìn)行交互。隨后充電樁閉合K1、K2 接觸器，根據(jù)交互報(bào)文和充電樁自身的電壓信息進(jìn)行絕緣檢測(cè)，絕緣檢測(cè)通過(guò)后會(huì)從高壓回路中移除IMD 模塊，通過(guò)泄放回路對(duì)充電電壓進(jìn)行泄放，然后斷開(kāi)K1、K2 接觸器，同時(shí)周期性發(fā)送握手報(bào)文。

圖1 直流充電原理圖

VCU 判斷檢測(cè)點(diǎn)2 的電壓和接收到的周期性握手報(bào)文達(dá)到協(xié)議值時(shí)，會(huì)閉合K5、K6 接觸器。非車載充電機(jī)控制器判斷檢測(cè)到的電壓值與從報(bào)文接收到的電壓值滿足協(xié)議時(shí)，再閉合K1、K2 接觸器，車輛開(kāi)始充電。充電電流由VCU 通過(guò)CAN 報(bào)文發(fā)送。

VCU 根據(jù)電池系統(tǒng)狀態(tài)和接收到的報(bào)文判斷是否滿足充電結(jié)束條件。非車載充電機(jī)控制器也可根據(jù)操作人員動(dòng)作和接收到的報(bào)文判斷是否滿足結(jié)束充電條件。兩個(gè)控制器只要有一個(gè)認(rèn)為需要結(jié)束充電時(shí)，都會(huì)發(fā)送相應(yīng)的報(bào)文到CAN 線上，當(dāng)充電電流小于5A 時(shí)斷開(kāi)自己控制的接觸器。車載充電機(jī)在斷開(kāi)K1、K2 后會(huì)再次投入泄放電路，最后再斷開(kāi)K3 和K4 繼電器。

3 硬件在環(huán)仿真

從上述的充電過(guò)程來(lái)看，中間涉及到的部分包括絕緣檢測(cè)、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(hào)識(shí)別與檢測(cè)、CAN 通訊等多個(gè)領(lǐng)域[5]。在VCU 或BMS 的直流充電功能開(kāi)發(fā)階段，通過(guò)硬件在環(huán)平臺(tái)仿真充電環(huán)境，可在保證安全的條件下快速對(duì)VCU 的直流充電功能進(jìn)行驗(yàn)證。

針對(duì)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(cè)試平臺(tái)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(cè)試平臺(tái)描述時(shí)使用BMS 表示車輛端的控制器。如果BMS 和VCU 是分離的，兩個(gè)控制器之間的信息交互一般采用CAN 通訊，那么在原理圖會(huì)有部分細(xì)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(guò)程

圖4 單體電壓超限終止充電

左側(cè)的HIL 部分，采用的HIL 為ETAS 公司的Labcar。硬件在環(huán)系統(tǒng)的計(jì)算核心是實(shí)時(shí)仿真機(jī)（RTPC），物理模型在RTPC中運(yùn)行。HIL 通過(guò)RTPC 來(lái)控制相應(yīng)的各種設(shè)備和析卡。高電壓部分由高壓程控電源進(jìn)行仿真，經(jīng)過(guò)由RTPC 控制的接觸器輸出給BMS。HIL 設(shè)備自帶的絕緣檢測(cè)功能用來(lái)保證整個(gè)測(cè)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(duì)HIL 來(lái)講，PE 指的供電電源中的PE，絕緣檢測(cè)指的時(shí)各處高壓與PE 之間的電阻值；對(duì)BMS來(lái)講，PE 指的是車身地，即蓄電池的負(fù)極，在HIL 測(cè)試環(huán)境中，也就是低壓程控電源的負(fù)極。實(shí)車充電過(guò)程中的取充電槍，插入車輛充電插座中，松手閉鎖等動(dòng)作，可以通過(guò)上位機(jī)軟件進(jìn)行操作，通過(guò)物理模型計(jì)算得到仿真邏輯和結(jié)果，由CAN 報(bào)文告知BMS。BMS 采用電流傳感器來(lái)采集母線電流，HIL 通過(guò)仿真Shunt 傳感器的信號(hào)給BMS，BMS 可根據(jù)這個(gè)電流計(jì)算得到SOC 值。BMS 用來(lái)驅(qū)動(dòng)K5、K6 接觸器的控制信號(hào)可直接由HIL的數(shù)字量析卡采集，然后由物理模型計(jì)算得出接觸器的狀態(tài)。CC1 原來(lái)的用途是充電樁的電壓檢測(cè)，只與車輛的充電插座有關(guān)，與BMS 無(wú)直接關(guān)系，在HIL 仿真中此處的線束可以省去，充電樁端的動(dòng)作過(guò)程由物理模型進(jìn)行仿真即可。CC2 是BMS 端的電壓檢測(cè)，HIL 環(huán)境中用電阻析卡來(lái)仿真充電槍中的電阻，通過(guò)改變電阻值來(lái)模擬充電器插拔時(shí)的電壓變化。S+和S- 為CAN通訊針腳，HIL 中采用CAN 析卡來(lái)仿真充電樁的CAN 報(bào)文，物理模型需要的報(bào)文和計(jì)算后輸出的報(bào)文都可以通過(guò)CAN 析卡仿真收發(fā)。A+、A- 原來(lái)為充電樁輸出的12V 供電，HIL 平臺(tái)通過(guò)程控電源進(jìn)行仿真。

4 直流充電功能硬件在環(huán)測(cè)試

本文對(duì)BMS 的直流充電過(guò)程進(jìn)行HIL 仿真測(cè)試，通過(guò)HIL來(lái)仿真充電樁中跟BMS 密切相關(guān)的各種功能，分析被測(cè)對(duì)象BMS 的軟硬件控制邏輯和功能是否滿足需求。

直流充電過(guò)程仿真:

圖3 顯示了在HIL 測(cè)試環(huán)境下BMS 端的一個(gè)完整的直流充電過(guò)程，從檢測(cè)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(yù)期一致。HIL 測(cè)試還可以方便地對(duì)直流充電中各種故障模式進(jìn)行仿真測(cè)試，包括電壓過(guò)高，單體電壓超限，電流過(guò)大，單體溫度過(guò)高，通訊丟失等各種故障。圖4 顯示的是充電過(guò)程中兩個(gè)單體電壓差值超過(guò)500mV 時(shí)，BMS 判斷認(rèn)為出現(xiàn)故障，發(fā)出停止充電的過(guò)程。

5 結(jié)論

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