如何搭建德系电池管理系统BMS的硬件在环仿真测试平台方案

作为新现代社会的发展的产物，解决人类所面临的能源匮乏与环境问题。电动代替汽油作为汽车动力，动力电池作用不可或缺，目前的问题是单体电池一致性较差、荷电状态估计精度较低等问题。未来的解决方案，就是加强BMS电池管理系统的研究。电池管理系统通常具有采样、故障诊断、控制策略、通信、开关控制以及均衡等功能。采样主要包括对单体电池和整个系统的电压、电流、温度等信息的采样；故障诊断指BMS能够及时定位并上报动力电池的故障以确保系统正常运行；控制策略的作用是处理故障，以及实现对、电池健康状态的估计；

除了BMS 内部的通信，通信功能也包含BMS与EV整车以及充电桩之间的通信；开关控制不仅控制各种继电器，也实现热管理等相关控制，以防止电池处于过压或过热的状态；均衡管理主要是为了解决单体电池的不一致性，缩小单体差异以实现电池组的均衡。

硬件在环(HIL)仿真技术是一种半实物仿真技术，应用与国内外大型的车企开发和研究生产阶段。半实物仿真就是系统中有硬件设备，也有模型模拟测试状态。这样的仿真比纯软件模型更加真实可信，又能比较全实物仿真更能避免一些损失和风险。将硬件在环仿真用于BMS开发领域，可以高效，全面，无风险的测试BMS的性能，同时，出于HIL仿真平台对实时性的高要求，组成该平台的硬件系统应该具有高速运算能力、广泛

适用的接口以及良好的可扩展性，其软件系统除了要兼具良好的人机交互与数据处理功能以外，在建立模型的过程上也要尽量简单。

BMS-HIL仿真平台的硬件系统结构。上位机的主要功能是实现对BMS-HIL 仿真平台的操作和使用，完成对BMS 的仿真测试以及对整个系统的闭环控制；实时仿真机内置了各种车辆部件的模型来模拟电动汽车的运行状态，为BMS 提供一个仿真的整车运行环境；电池模拟器可以接收实时仿真机的指令，据此模拟输出单体电池或电池组的电压和温度等数据供BMS 采集；BMS 作为待测ECU，在采集到电池的各类相关信息后作出反应，估测电池的

状态、诊断其中是否存在故障等，继而发出相应的动作指令或者报警信号；故障注入单元的作用是通过硬件或软件为BMS模拟生成一些典型的故障，如动力电池开路或短路、电池电压过高或过低、电池温度过高或过低等，以此检测BMS 能否对每个故障都作出正确的判断和响应。

简单来说我们可以认为MIL（Model-in-the-Loop）是基于虚拟ECU和虚拟被控对象的测试，HIL是基于真实ECU和虚拟对象的测试，而系统台架测试是基于真实ECU和真实被控对象的测试。所以搭建HIL平台的关键在于如何有效构建出虚拟的被控对象、以及与应用环境的交互关系。MIL采用的虚拟被控对象是利用数字信号与BMS进行交互，而HIL的虚拟对象需要通过真实的物理信号与BMS硬件连接，因此我们可以将虚拟被控对象大致分为三部分：逻辑控制和通信部分、系统高压部分、单体电池部分，同时这三部分分别与主控单元（BMU）、高压单元（HVU）、从控单元（LECU）的功能也有着较高程度的重合。所以即使是分阶段逐步搭建HIL也是可行的。

BMU的硬件在环平台搭建是最为重要的部分。主要可以分为：硬件环境接口、故障注入、被控对象模型、以及测试界面和测试管理软件四个部分。

硬件环境接口包括对Power supply、Relay Control、HVIL、Crash signal、CC、CP、CAN通信、温度采集等功能的模拟。通过可编程电源、模拟量板卡、数字量板卡、PWM板卡、CAN通信板卡等实现。

我们需要通过故障注入试验来验证BMU可以在系统出现异常，或传感器、执行器出现故障的情况下维护电池系统安全。其中有一部分故障可以通过设定模型参数实现，还有一部分需要通过故障注入模块实现。这些故障包括线路的对电源、对地短路，线束之间的短路等。故障的注入可以通过测试用例设计自动完成也可以通过手动故障注入面板BOB（Break Out Box）手动注入故障。

BMS作为管理动力电池的核心部件，其稳定性与可靠性事关重大。引入HIL仿真平台对其进行仿真测试，能够及时纠正产品的设计缺陷，提高BMS 产品的安全性，改进BMS产品的性能。BMS-HIL仿真平台是一个复杂的实时仿真系统，涉及到许多硬件和软件的设计与实现。对这样一个重要又复杂的系统，在如今的人工智能时代，如何将机器学习、大数据等先进技术运用于仿真平台的搭建过程，是一个值得思考的问题。

德国COMEMSO电池电芯模拟器

电池芯模拟器可精准模拟锂离子电池芯，于可靠安全的环境下取代电池芯，测试电池管理单元(BMU) 或子系统的电池芯量测单元(CSC)，适合应用于电动汽车及储能电池相关的领域。德国科尼绍Comemso源起汽车工业的摇篮德国斯图加特；ComemsoBCS电池电芯模拟器，允许您在电芯级别上测试电池管理系统,具有高精度和高动态性。这种虚拟电池单元的电气仿真使您能够实现 BMS 的安全,可重复和全自动测试。电池模拟器是 BMS 测试系统的核心。

HIL 仿真测试为电子控制单元（ECU）的控制算法及功能开发提供了良好的闭环测试环境，为产品全方位验证提供有效支持。通过 HIL 仿真测试系统可以快速验证ECU控制功能，提早排除可能存在的故障，完善所设计开发的系统产品。汽车制造商应对增长的 ECU测试需求的唯一途径是高效地创建测试和自动化执行测试。HIL仿真测试作为一种可行的测试手段，可以在“虚拟车辆”中对控制器进行大量测试，而无需真实的车辆。hil测试系统可模拟驾驶员、车辆及其工作环境，因而是自动测试 ECU 的一种理想实验室工具。

二、BMS系统测试

电池管理系统(BMS)的功能应当包括电池基本保护功能、电池均衡功能、电池储备能量测算功能、电池自检和故障诊断、网络通信功能。

基本保护功能

- 电池管理系统BMS 的基本保护功能主要包含了以下6大部分功能：过压保护功能（OV）；低压保护功能（UV）；高温保护功能（OT）；低温保护功能（UT）；过流保护功能（OC）；短路保护功能（SC）。

均衡功能

- 单体电池参数的不一致会对电池组的使用产生严重影响，尤其是串联电池组，串联电池组可用容量仅由电池组中最小容量电池的容量决定。因此，为了克服单体电池的不一致性对电池组造成的严重影响，在电池实际的充放电过程中，需要采用一定的均衡控制算法和策略使得每一个单体电池的容量和对外特性保持一致，提高电池组的性能和使用寿命。

SOC 测算功能

- 作为电池管理系统的功能，电池能量储备的测算功能是必不可少的。电池可以看作一个复杂的非线性系统。影响电池容量有内部及外部诸多因素，包括电池温度、电池寿命、电池内阻和放电率等。因此，对SOC的估算难度可想而知，而如何验证SOC测量的算法准确性是BMS HIL系统的一大测试重点和难点。

故障诊断和报警功能

- 电池管理系统BMS必须具备完整的系统自检、故障存储和显示功能功能。无论电池处在充电、放电时，还是停车休眠时，任一电池的电压、电流和温度超过设定的限值，电池管理系统(BMS)都应能发出声、光警报，并输出报警信息，自动控制调节充、放电或切断电路。

网络通信功能

- 作为纯电力或者混合动力汽车核心控制器之一的BMS系统，需要和整车其它控制器进行实时和大量的数据交互，因此，CAN网络通信功能是其必须具备的主要功能之一。

三、德国Comemso BMS测试系统硬件平台

BMS－HIL系统主要由三部分组成：硬件平台、实验管理软件和实时软件模型。

德国Comemso BMS测试系统硬件方案包括如下：

- 仿真高精度的单体电池的电压信号，可实现高压电池组的电压模拟

- 内置电子负载，并具备高精度电流采集功能，可实现BMS的主动及被动均衡测试

- 提供电池包温度传感器信号的模拟

- 提供高压系统的绝缘电阻仿真

- 可选电池单体故障注入功能，包括：输出短路、输出开路、串联在一起的通道间开路、采样线开路、对低压线路短路等

每个单元的集成故障模拟