混动车电池管理系统硬件在环测试平台研究

孟月 李志扬 朱建新 陈雨飞 吕帅帅 倪红军

摘  要： 文中基于工程实际搭建混动车电池管理系统硬件在环测试平台，为电池管理系统（BMS）的开发和测试提供支持。该测试平台硬件包括上位机、实时仿真机、电池模拟器等，软件包括RT?LAB仿真平台、自动化测试软件TA，实时仿真模型包括电池模型、整车模型等。通过该硬件在环测试平台模拟BMS控制器的输入信号，采集BMS控制器的输出和必要的输入信号，进行BMS策略的验证测试。结果表明，该硬件在环测试平台可以准确全面地验证BMS策略的可靠性，缩短产品的开发周期，减少开发成本。

关键词： 硬件在环测试平台; 电池管理系统; 混动车; 信号采集; 仿真建模; 验证测试

中图分类号： TN86?34                               文献标识码： A                      文章编号： 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

電池管理系统（BMS）作为混动车的核心技术之一，直接影响到汽车的行驶里程、能耗、寿命等关键指标，具有极其重要的研究意义[1]。由于电池自身的特性，采用电池组验证电池管理系统有一定的试验条件限制。在测试电池处于极限工况下电池管理系统的控制功能时，容易出现安全问题[2?3]。采用硬件在环测试的方法对电池管理系统进行测试，能够避免这种问题，加速和简化开发流程，及早地发现设计的不足。

硬件在环（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[4?6]。一套完整的BMS硬件在环测试系统可以加快开发流程，提高产品的可靠性、稳定性和安全性[7?8]。

本文介绍了一种基于RT?LAB搭建的电池管理系统硬件在环测试平台，该平台具有高精密度、高实时性等优势[9?10]。采用硬件在环测试平台为BMS提供采集信号，响应BMS的输出控制信号，进行BMS功能测试，大幅度缩短产品开发时间，提高开发成本。

1  测试平台组成

1.1  硬件组成

1.1.1  上位机

硬件在环测试平台使用工作站作为上位机，安装有实时仿真试验管理软件（RT?LAB）和自动测试软件（TA）。上位机主要用来配置硬件设备，并监测运行状态;对仿真模型进行部署、编译、下载;控制仿真试验的运行和停止;对测试用例进行开发和管理，运行和结束测试任务。

1.1.2  实时仿真机

HIL测试平台使用集智达工控机，安装有REDHAT操作系统，插有各种NI板卡、电阻卡和CAN卡，满足BMS所需的各种信号通道和CAN总线接口。实时仿真机的主要功能是：运行仿真模型，并按照上位机发送的命令运行，发送数据信息;控制配套的其他硬件设备（如电池模拟器、高压模拟箱等）的运行;产生BMS所需的各种信号，如AO/I通道、DO/I通道、CAN总线接口等。

1.1.3  电池模拟器

本测试平台可以模拟24节单体和12路温度电阻通道。单通道电压范围为0.7～5 V，单通道输出电压绝对误差小于等于2 mV。电池模拟器支持故障仿真功能，支持的故障模式包括输出短路、输出开路、串联在一起的通道间开路、单体过充过放等故障模拟。

1.1.4  高压模拟箱

高压模拟箱在预充电中预充电阻程控可调，工作温度范围：-45～80 ℃，工作电压范围：DC 0～600 V，可以模拟负载短路、继电器粘连、预充电等故障，还可以模拟预充电阻烧坏故障，具有高温保护机制。

1.2  软件组成

1.2.1  试验管理软件

试验管理软件由RT?LAB调用Simulink模型实现，以完成试验模型的开发、仿真的实时运行控制等，如图1所示。试验管理软件能够快速准确地将Simulink模型导入工程文件，通过TCP/IP实现模型仿真的控制，包括模型编译、下载、节点分配等操作，可以实现仿真参数的在线调整。

1.2.2  自动化测试软件

自动测试软件选用TA，如图2所示，主要作用在于通过与试验管理软件的无缝链接，实现测试流程的自动运行和管理。采用图形化操作显示界面，所有控件可以在TA的控件库中选取。设计和管理测试监控界面，实现对所有输入输出通道进行操作，对所要求类型的信号进行仿真输出、实时记录、曲线显示。

2  实时仿真模型

2.1  电池模型

本文采用的电池模型如图3所示，包括二阶RC模型、开路电压模型、内阻模型等。整个BMS系统模型运行于实时系统，整体解算步长小于等于1 ms。二阶RC模型中的内阻R和电容C都是和SOC、温度T相关的参数，在模型运行过程中，R和C都是根据实际电池实验数据拟合的函数。

2.2  整车模型

整车模型中包含了电机模型、变速箱模型、传动机构模型、整车动力学模型等。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出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。通过导入大量的实际行车工况数据，来对模型中的参数进行匹配。

3  测试验证

利用某款BMS，本文搭建的硬件在环仿真测试平台如图4所示。

3.1  上下电策略测试

对BMS中的上下电策略进行试验验证，相关测试量为bus电压、总正继电器、预充继电器、总负继电器。通过Busmaster软件进行采集数据，利用Canoe软件进行数据分析，试验结果如图5所示。根据试验结果可以分析得到，收到上电指令后，预充继电器先闭合，然后总负继电器和总正继电器闭合，bus电压开始升高，当升高到一定数值时，预充继电器断开，bus电压继续升高，升高至稳定数值。当发出下电指令后，总正继电器和总负继电器相继断开，bus电压逐渐下降至0。此试验结果与继电器动作时序图一致，如图6所示。

3.2  SOC修正策略测试

静态修正在零电流下进行，在电流绝对值小于1 A持续一段时间后，对当前SOC值进行校对，当偏差达到一定程度时，开启修正机制，将内部计算SOC值直接修正到位，并实时给出修正标志位。对SOC修正策略进行验证，通过Busmaster软件进行采集数据，利用Canoe软件进行数据分析，如图7所示。其中SOC_CAN表示SOC的发送值，SOC_inside表示SOC的计算值，SOC_correct_flag表示SOC的修正标志，初始SOC设置为87%，电流設置小于1 A，根据BMS策略需求，保持无电流状态超过60 s，在所设定策略条件下，SOC修正标志位置达到90%。

试验结果表明，本文搭建的电池管理系统硬件在环测试平台满足BMS的测试需求，可以快速地验证BMS策略的可靠性。

4  结  论

本文搭建的电池管理系统硬件在环测试平台，具有模拟电池单体电压采样、总电压采样、单体均衡、SOC估算等测试功能。通过该平台还可以实现测试流程的设计、编写和管理，实现测试流程的自动运行和管理，更加高效快速地验证BMS策略的可靠性。试验结果表明，该平台能缩短开发周期，提高测试效率，减少测试成本。

注：本文通讯作者为倪红军。

参考文献

[1] 孙诚骁，吴帅军，霍艳红，等.基于RT?LAB的混动车BMS硬件在环测试系统[J].电源技术，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.