系统解决方案 电池管理系统硬件在环测试平台的研究与设计 秦亚 ，姚航’，那伟 ，曹辉 （１．上海电机学院电气学院，上海２００２４０；２．上海航天电源技术有限责任公司，上海２０１６１５） 摘 要：结合工程实际情况，分析电池管理系统的测试需求，研究设计了一套ＢＭＳ硬件在环测试平台。以ＮＩ ＰＸＩ 实时仿真系统为核心，配合其他硬件模块完成硬件设计；软件以ＬａｂＶｌＥＷ为开发平台，开发了操作界面以及下位机控 制程序，利用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ搭建整车模型、电池模型，并嵌入到软件平台中。 关键词：电池管理系统；硬件在环；Ｓｉｍｕｌｉｎｋ建模；ＬａｂＶＩＥＷ； ０引言 硬件在环（ＨＩＬ）是Ｖ开发流程中重要的一环，已 经成为现代汽车电子开发中最重要的一种方法，并且 １ ＢＭＳ测试需求 根据ＢＭＳ功能来划分，电池管理系统通常具有 采样、故障诊断、控制策略算法、通信、开关量控制以 及均衡六部分功能ｌ７。。 得到了广泛的应用 。而ＢＭＳ作为电动汽车中的核心 部件之一，承担着整个系统的动力来源，其安全性、稳 定性以及可靠性对于整车而言是至关重要的。在ＢＭＳ 采样主要包括从控板对单体电池的电压、温度采 样．主控板对系统的总压、电流、绝缘等的采样。故障 诊断指动力电池组系统一旦发生故障，能够及时定位 和上报相应的故障，以便及时排故，确保系统的正常 运行。控制策略算法主要包括上下电策略，故障处理 开发设计的过程中引入Ｖ开发流程，加入硬件在环测 试技术，能够加速和简化开发流程，及早地发现设计 的不足。并提前加以改正 。 在电动汽车的动力系统中．动力电池系统是比 机制，ＳＯＣ、ＳＯＨ、ＳＯＰ等算法。通信功能主要包括ＢＭＳ 内部通信，以及与整车端、充电机端之间的通信。开父 量控制主要是通过制定的控制策略来实现高压继电 器、热管理、灭火器等的控制。均衡管理主要是在单体 一较容易 现问题的部件，主要有两方面的原因，其巾 一方面是动力蓄电池自身的原因，另一方面是电池 套ＨＩＬ测试平台，具有很重要的工程实际意义。文 管理系统（ＢＭＳ）技术的制约 ］。针对ＢＭＳ研究设计 一致性差异大的情况下．根据控制策略来实现单体之 间的均衡，缩小差异性。 献『４］中介绍了ＢＭＳ的功能和测试方案，并针对一些 常规的测试项目进行了测试平台的研制；文献［５］介 绍了新型硬件在环仿真平台，并针对燃料电池整车 控制器和柴油发动机控制器开发设计了硬件在环仿 真平台；文献『６］中采用基于ｘＰｃ Ｔａｒｇｅｔ方案的硬件 在环仿真技术，建立电池管理系统故障在线诊断测 试平台．利用ＬａｂＶＩＥＷ上位机界面发送并显示故障 信息。 本文研究设计了一套基于ＮＩ ＰＸＩ实时仿真系统 的ＢＭＳ硬件在环测试平台，在ＢＭＳ产品开发过程中， ２ ＨＩＬ测试原理 ＨＩＬ测试平台是将系统的一部分用数学模型进 行仿真模拟，另一部分用真实的控制器硬件来代替， 形成仿真闭环回路。其优点是使得系统在一个尽可能 逼真的模拟环境中进行运行和测试。ＨＩＩ 仿真基本原 理如图１所示，分为：上位机管理软件、目标机硬件平 台和待测ＥＣＵ。上位机搭建人机界面，系统Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 模型、测试管理软件等；实时硬件平台中可以运行数 学模型的代码，实时地进行数据的交互以及Ｉ／Ｏ信号 的输入输出等８。 Ｅｌ¨… ｍｕｓ ｎ’￣ｅｒ ｆａｃｅ 利用半实物仿真试验，能够尽早发现问题，解决问题， 加快和简化开发流程，提高产品的可靠性、稳定性和 安全性 基金项目：上海市闽行产学研合作项目（２０１６ＭＨ３２０）；上 Ｗ ｉｎ ｄｏＩ ａＩ）～ｌ。ＥＷ ｗｓ Ｐ 一 Ｒｅａｌ－ｑ＇ｉｍ ‘。１ Ｈａｒｄ．ａｒｅ Ｉ Ｓｏｆｔｗａｒｅ ’ｌｉ ｃ一 Ｅｌ ｅｅｔ ｒｎ一一ｒｌ１ｎ １Ｉ ｎ 海电机学院研究生科创（Ｂ１－０２２５—１６—００８－００９）． ．作者简介：秦亚（１９９１一），硕士研究生，研究方向为电力 电子与新能源技术． ．。Ｓｉｍｕｌｉｎｋ Ｍｏｄｅ】 卜位机管鼎 被件 收稿日期：２０１７－０２．１５ 图１ ＨＩＬ测试原理图 自动化应用 ２０１７ ６期 ７８ 系统解决方案 在ＢＭＳ开发过 巾，利川ＨＩＩ 平台中半实物仿 真或者模型来进行功能试验、算法试验以及安全性试 验，能够尽早发现开发设计过程巾的问题，并做好优 化处理 同时在硬件环测试平台中搭建电池模型，模 拟电池的允放电特性、老化特性等等，能够避免使Ｊ｝Ｊ 真实的电池绍所带术的高成本、高危险，提高试验的 ｉｌｌ＂控性 ３ ＨＩＬ测试平台的硬件设计 ＨＩ［ 测试平二、的 件设订‘主要分为Ｊ二位机及丁ｒ发 、卜俞、ＮＩ实时仿 平 、信号调理单元、故障注入单 兀、通讯以／６乏供ＩＵｔ ．几： 『Ｊ１『为了设备操作人员的人 身安全，加入ｒ系统安令性的设计，提高系统的安伞 ｒ１－ 硬件系统框 『皋１ ２所爪 图２硬件系统框图 上位机测试平 主要是基于ＬａｂＶＩＥＷ平台的组 态软件系统和基Ｊ：Ｓｉｍｕｌｉｎｋ所搭建的仿真模型．通过 没汁人机交互界 ，水实现刈ＨＩＩ 测试平台的操作干ｎ 使Ｈ｛，完成对ＢＭＳ的测试、 ＨＩＬ测试平行巾需 进行大量信号的输入币¨ 输ｆｆＩ， ｛ 对这些信 进行ｉＪＪｌｉＪ理，冉与上位机平台进行 交 ，［太Ｉ此，采川Ｊ ＮＩＰＸＩ实时仿真平俞 利川 ｂＶｌＥＷ开发Ｉ，ＸＩ系统的嵌入式控制器程序．求实现 多通道数字赶、模拟量的输入输 ，ＰＷＭ信号的输 …、输入，绝缘电阻模拟输｝｝Ｊ以及ＣＡＮ通信等功能、 信号渊理 亡作为ＰＸＩ系统和ＢＭＳ信号的桥 梁，能够实现不 价 ‘之问的转换，实现二者的信号 Ｊ、，Ｈ｛现板 被测管脚量程不 配的情 况，使川信号调理 元保 饭 的安全以及被测箭脚 ７９ ＷＷＷ．ａｕｔｏ—ａｐｐｌｙ．ｃｏｒｎ 自动化应用 能够得剑 配的信 故障注入单 主曼是在系统中注入一些常 、彳丁 代表性的故障，米测ＢＭＳ能 据此做…响心，分为 硬件故障注入和软件故障注入 类．．硬件故障沣人生 要是通过搭建碗件电路或荇采用々川的敝障注入板 ．如ＮＩ ＰＸＩ一２５ｌ０扳 等，来模拟ＢＭＳ巾的竹脚 开路、短路、电池断路干¨埘地短路等故障。软什＾殳障 人通过上位机来模拟，如通信丢失、总压过 、过低、 温度过高、过低、 体电』 过高、过低等故障 与传统车辆的ＨＩＩ 测试平台相比，ＢＭＳ的Ｈ 测 试平台最显著的Ｉｘｌ圳址其运行环境巾存在高』 此 需要加入高压安令没汁，确保操作人员的人口发全 测试平台的稳定运行 高压安全没汁主要为 部分： 高 电源安全监测， 池模拟器级联系统安令监测， 高压机柜开门、扪』ｆＩｆ＝安全监洲。上高 后，一１ Ｉ．愉测纠 高压电源，电池模拟器绝缘异常，Ｔ作状态异常． 高压机柜柜门，抽 打开，发ｆ“报警信号．切断Ｉ ＨＩＩ 测试平俞实物主嘤包括操作台、电池模拟 、 待测ＢＭＳ挂板平¨测试机 操作台通过人ｆＪＬ Ｉｆ『『术 操作ＨＩＩ 测试平 ：咆池模拟柜是川来安放ＩＵ池模拟 器的；测试机柜摆放１ 控机、ＰＸＩ实时仿真系统、岛』Ｉ 电源、信号调理单尢等等． ．４ ＨＩＬ测试平台的软件设计 软件设计分为两部分：侵型搭建．包括电功汽１ 的骼年模型、动力｝Ｕ池模 ；系统软件，基于 Ｉ 肝发平台的组态软件，包括人机界而付ｉ ＰＸ１ 制 序 、 ４．１仿真模型的６ＪＦ究 ４．１．１整车仿真模型 动力电池组系统作为动力能憾米源．源源／ｆ 断地 提供能量，驱动汽１ 行驶、、任研究整年模型时１ 嗄 考虑电池组系统 １ ｒ作过 的天系，即 虑电池 充放电电流与整１ｔ负载需求之间的关系一 Ｊ 这・ 点，可以大大简化搭建 模型的难度．从ｍ 提高 发设计的效率 ≮ 、 。 ｆ 一 。０ 。 ≥ 暂 －２％ 图３实际工况下的电流电压变化曲线图 系统解决方案 图３为实际行车过程中采集的电流电压变化曲 线图。驾驶员通过踩踏油门踏板来实现汽车的加速， 通过踩踏刹车踏板来实现减速。在进行加速时，电池 理，参数设置以及手动操作等功能。测试管理模块主 要实现管理测试记录报告、人员等实验周边功能。后 台数据处理模块功能是保存测试报告、测试数据等， ＿ 并进行实验数据的展示和分析。软件系统操作流程如 ２ ６● 组放电电流增大，电压会下降；在踩刹车减速时，通过 制动系统将刹车减速的能量通过能量回收的形式，将 这部分电流回馈给电池组．从而电池组的电压会略微 上升。 图５所示。 ｌ ｌｌ ≥ 利用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ搭建整车仿真模型。该模型包括电 机模型、变速箱模型、传动机构模型、整车动力学模型 和驾驶员模型。电机模型和变速箱模型主要是为了能 够根据输入的电流信号模拟 实际的行车速度状态； 传动机构模型和整车动力学模型是为了模拟整个系 统的能量收支分布情况，包括输入能量、损耗能量以 及输出能量等：驾驶员模型主要是模拟油门、刹车信 号，来控制电流信号的大小以及方向。通过导量 的实际行车工况数据，来对模型中的参数进行匹配。 ４．１．２动力电池仿真模型 国内外已经进行了大量对于动力电池模型的研 究和试验 主要分为两类：电化学模型、等效电路模 型。选取较为成熟通用的ＰＮＧＶ等效电路模型来搭建 图５软件流程 电池仿真模型，ＰＮＧＶ等效电路模型计算不复杂，精度 也很高，能够满足ＨＩＬ测试平台的设计需求 。动力电 池仿真模型如图４所示。 ５ ＨＩＬ平台试验及应用 ＢＭＳ测试内容主要分为四大部分：安全性测试、 通信测试、常规功能测试和系统工况测试。测试时应 遵循安全、全面、高效的原则，首先进行安全性测试， 再进行通信测试、常规性能测试，最后进行系统工况 测试。 在安全性测试方面。以绝缘试验为例，在电池组 系统的正极或者负极与地之间接人一个可变电阻箱 来模拟绝缘。通过调节不同阻值，来检测ＢＭＳ能否检 测出相应的绝缘值；同时一旦触发绝缘报警，能否进 入相应的故障处理机制。图６为绝缘试验波形图，可 以看出．调节不同的绝缘阻值，ＢＭＳ能够正确检测出 相应的绝缘值，且误差也能满足国标ＱＣ／Ｔ ８９７—２０１ｌ 图４动力电池仿真模型图 中规定的１０％以内。 通过对锂电池进行ＨＰＰＣ试验，来计算拟合出模 型中的ＲＣ参数，将算 的ＲＣ参数代入模型中进行 仿真验证，来完善模型参数。整车模型和电池模型搭 建完以后，加入ＳＩＴ模块，生成ｄｌ１文件，嵌入到ＰＸＩ 实时仿真平台中进行运行 。、。 ４．２系统软件设计 软件系统是基于ＬａｂＶＩＥＷ平台上开发设计的， 主要包括五部分内容：Ｖ—ＨＩＬ平台软件、试验管理模 块、测试管理模块、后台数据处理模块。Ｖ—ＨＩＬ平台模 块是各个软件模块的载体。试验管理模块是用来管理 系统硬件资源、模型执行、界面显示，实现试验项目管 在常规性能测试方面，以总压采样精度为例来进 图６绝缘试验波形图 行测试。国标ＱＣＦＦ ８９７—２０１ｌ明确规定了总电压值采 自动化应用２０１７ ６期８０ 系统解决方案 样误差≤±２％ＦＳ。在ＨＩＬ中导入实况数据中变化的电 ６结语 本文以电池管理系统为对象开发设计了一套硬 件在环测试平台，可以对ＢＭＳ产品进行全面、准确的 测试。在ＢＭＳ产品开发设计的过程中，利用ＨＩＬ平台 进行测试，能够及早发现缺陷并改进，能够确保ＢＭＳ 产品的安全性、稳定性以及可靠性。 参考文献 ［１］李建秋．利用Ｖ型开发模式研制燃料电池混合动力 压值．通过控制高压电源模拟输出给ＢＭＳ采集，来测 试ＢＭＳ对于高压的采集精度。总压采样精度测试波 形如图７所示，通过数据对比，发现两者之间误差很 小，误差范围在±５ Ｖ以内．达到国标的精度要求。 客车的整车控制器［Ｊ】＿机械工程学报，２００５，（１２）： ３４．４０． ¨ ” ” “ ”“” ¨‘ … ㈣ 蝴 “…“”“ ： ” “ ［２】孟学东．电池管理系统测试平台的研究［Ｄ］．北京：北京 交通大学，２０１３． ［３］欧阳明高．中国新能源汽车的研发及展望［Ｊ】．科技导 图７总压采样精度测试曲线图 在系统丁况试验中．将采集的实际Ｔ况数据导入 到ＨＩＬ平台中，来模拟出ＢＭＳ运行中所需要的环境， 报，２０１６，３６（６）：１ 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ｃｈａｒｇｅ（ｓｏｃ）ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｈｉｇｈ－ｐｏｗｅｒ Ｌｉ－ｉｏｎ 图８ ＳＯＣ算法测试曲线图 ｂａｔｔｅｒｉｅｓ［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｅｄ Ｅｎｅｒｇｙ，２０１３，ｌ０１：８０８－８１４． （上接第７３页） 术，２００５，４ｌ（３）：１７．２２． 的研究［Ｊ］．西安交通大学学报，２０１１，４５（１）：６９—７３． ［５］Ａｒｍｓｔｒｏｎｇ Ｂ．，Ｎｅｅｖｅｌ Ｄ．，Ｋｕｓｉｋ Ｔ．Ｎｅｗ Ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎ ＮＰＩＤ Ｃｏｎｔｒｏｌ：Ｔｒａｃｋｉｎｇ，Ｉｎｔｅｇｒａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ，Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｃｏｍｐｅｎｓａ— ［３】王发智，耿蕊．光电平台低速自适应摩擦补偿的研究 ［Ｊ］．计算机仿真，２０１ １，２８（７）：２０７—２ｌ１． ［４】陈光胜，梅雪松，陶涛．Ｘ．Ｙ工作台摩擦误差补偿方法 ８ １ ＷＷＷ．ａｕｔｏ—ａｐｐｌｙ．ｃｏｒｎ 自动化应用 ｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｒｅｓｕｌｔｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ ｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ ＳｙｓｔｅｍｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００１，９（２）：３９９—４０５．
