曾 骥，曹 铭,2，黄菊花,2，刘淑琴

(1.南昌大学，江西 南昌 330031；2.江西省汽车电子工程技术研究中心，江西 南昌 330031；3.江西师范大学，江西南昌 330022)

电池作为最常见的储能设备，正在随着能源问题的日趋紧迫而被越来越多地研究和重视。在电池技术发展的同时，对电池管理系统(BMS)的技术也提出新的挑战。随着BMS结构功能的日趋复杂，靠工程经验难以全面系统地完成整个管理系统的检验，设计一套具有开放性、灵活性、可扩展性优点的测试系统是完成系统测试的关键。近些年很多高校、科研院所以及新能源企业在BMS 测试系统开发方面取得了很多突破[1]。哈尔滨工业大学李晓宇[2]所搭建的BMS 测试平台硬件以PXI 系统为核心，基于LabView 设计测试平台软件系统；同济大学的廉静等[3]设计了基于xPC 的测试平台；上海科梁公司孙诚骁基于RT-LAB 设计实时仿真模型，为了实现BMS 的全面测试，又设计了电池模拟器、高压回路模拟器、故障注入箱等硬件仿真设备[4]。

本文介绍一种基于RT-LAB 平台的硬件在环(HIL)系统[5]对BMS 进行测试。该平台由加拿大Opal-RT 推出，具有较好的开放性和可扩展性，支持利用MATLAB/Simulink 建立的动态系统数学模型应用于实时仿真、控制、测试。BMS-HIL 系统由上位机、高精度实时仿真器和模拟串联电池状态的电池仿真器组成。本文针对BMS 测试系统构建对应的模型，并将模型进行资源分配，在多个核中分布式运行保证系统实时性的运行效果。整个系统的总体结构如图1 所示。

图1 BMS-HIL仿真系统总体结构

1 硬件在环仿真平台的硬件系统

本文设计的BMS-HIL 测试平台的硬件主要包括上位机、实时仿真机、电池模拟器、信号辅助设备、被测BMS。其中，上位机实现仿真和试验的开发和监控等功能，是模型开发软件、仿真控制软件以及监控软件的运行平台，实时仿真机实现电池模型及车辆模型的实时计算，并通过通信模块将相应的指令及输出期望值发送给电池模拟器，电池模拟器模拟出各单体的输出，并回馈模拟结果发送给仿真机，同时仿真机可通过信号调理箱模拟车辆其他模块并和BMS 进行数据交互。

1.1 实时仿真机

BMS-HIL 最重要的功能是实时运行高精度的电池仿真模型及电动汽车中与电池相关的其他模型的数据变化，建立电动汽车模型，模拟BMS 与整车接口的所有信号，根据工况变化改变电池状态数据并通过相应接口输出。

为了满足仿真的计算速度和实时性要求，本文采用科梁公司的实时仿真机，内置Intel i7 4 核处理器,主频3.4 GHz，内存8 GB RAM,以太网接口,11 路PCI 插槽,预装REDHAT LINUX 实时操作系统和I/O 卡驱动。实时仿真机与上位机通过LAN 口进行模型下载。针对被测BMS 的接口，使用计数/定时器板卡NI PCI 6602、模拟输出板卡NI PCI 6704、数字I/O 板卡NI PCI 6250、电阻模拟板卡各一块，且为提升设备可扩展性，所有板卡接口均有预留。

1.2 单体电池模拟器

由于单体仿真需要模拟单体电池随工况的电压、温度、荷电状态(SOC)变化，且需要模拟各种故障，因此本文采用独立单体电池模拟器完成单体电池模拟，实时仿真机运行高精度的电池仿真模型可仿真车上电池组在各类驾驶工况下的输出特性。通过CAN 总线将单体电池数据发送到电池模拟器，由电池模拟器反映电池组最细微的电压变化情况。

1.3 信号辅助设备

信号调理箱，可以将通用板卡的输入和输出的信号调整为目标设备所需的信号范围，很好的匹配上位机与目标设备。

高压模拟箱，用真实继电器(包括主正继电器、主负继电器、预充继电器等)、可调预充电阻、可调绝缘电阻、故障设置继电器及监测电路，可以完全模拟真实车辆上的高压箱的预充上电过程。

故障注入箱，对于被测控制器来说，在测试阶段需要将电气故障作为系统测试不可忽略的一部分，这就要求硬件在环测试系统能够提供模拟不同类型电气故障的设备。

信号转接箱，通过它将被测控制器接入到硬件在环测试环境中，将信号从前面板相应通道引出，方便观察、记录与测量，并且可以对信号进行通、断路测试，对地、对电源短路等测试。

高压程控电源，主要用于模拟电池组高压，给高压模拟箱提供高压模拟电源。由于电池管理系统采集电池组总电压、总电流是通过霍尔传感器采集，因此系统也可以直接模拟霍尔传感器输出端信号供BMS 直接采集。

低压程控电源，给BMS 提供电源，输出电压电流可调，可完成电源过压欠压试验，具备反向输出及可控掉地功能。为BMS 电源可靠性测试提供支持。

2 硬件在环仿真平台的软件系统

2.1 RT/LAB 实时仿真平台

本文采用RT-LAB 作为实时仿真平台，它支持将Simulink 搭建的数学模型下载到具有实时系统的下位机中，实时系统要求模型在每个真实时间步长中完成输入到输出的全过程。RT-LAB 通过其独有的分核计算技术，将Simulink 模型分配到不同的CPU 中，实现高速并行运算。通过OPAL-RT 公司提供的RT-LAB 实时化仿真软件以及搭载实时操作系统的仿真机，对电池的Simulink 模型进行实时化处理，使该模型能够实时模拟电池输出特性，满足硬件在环测试的实时性要求[5]。

2.2 模型设计

整个HIL 系统的模型要能完整地模拟BMS 与整车所有接口信号，其中从控制器主要采集单体电池的电压、温度信号，这些信号也是变化最频繁的信号，这些物理信号完全由电池模拟器模拟输出，电池模型则实时给其发送控制信号。主控模块则主要负责接收整车控制器通讯，接收控制信号，发送电池管理系统的指定数据，测量总电压、总电流、绝缘电阻，控制高压箱继电器通断，与充电机通讯。为了实现对BMS 的功能测试，本文将整个HIL 系统模型拆分到两个核中，使计算更加高效。其中一个核运算主级子系统，即数学仿真部分；另一个核运算次级子系统，即硬件驱动部分。整个HIL 系统的RT-LAB 模型如图2 所示。

图2 BMS-HIL系统RT-LAB模型

2.2.1 电池模型

锂离子电池具有复杂的迟滞特性和电压回弹特性[6]。为精确估计电池的状态，需要建立一个结构尽可能简单、参数辨识更容易的电池模型。等效电路模型对动力电池的各种工作状态有较好的适用性，而且容易推导出模型的状态方程，便于分析和应用，因而被广泛采用。因此，在满足估算精度的条件下，本文选用二阶R-C 等效电路模型，如图3 所示，极大地减少了模型仿真的计算量。

图3 二阶R-C 等效电路模型

根据基尔霍夫定律可得：

式中：U1表示极化电容C1的电压，U2表示极化电容C2的电压，UL表示电池端电压，所有参数均与SOC、T、I相关。UOC与SOC(方便表述下文均用z表示)相关，可近似表示为：

式中：K0、K1、K2、K3、K4为待拟合系数，与SOC、温度、电流相关。

在BMS 测试中电池单体并联的数量必须灵活，电池模型必须具有模拟多元电池能力。每个单体电池的状态初始值是不同的，需要提前设定，因此通常的做法是将电池的单体模型复制需要模拟单体电池的个数，但这样大大增加了整个模型的运行时间。为了简化模型的运行，使模型中输入的电流为一个矩阵，矩阵的数量为(I1，I2…In)，这样函数f(...)只需要运行一次：

本文使用概率密度来对电池的参数进行仿真，使用一个矩阵来生成电池的不均衡。采用两个普通的概率分布，分别为正态分布和卡方分布。正态分布用于产生单体电池电容和给定SOC开路电压的函数。考虑到电池特性的偏差，可以设置每个电池的电流，初始温度，初始SOC和电池的容量的放大系数，这就使每一个输入值都存在微小的差异[7]。

在确定电池模型的输入和输出时，为了验证在仿真时模型里设置的参数的准确性，以电流为输入，而把端电压作为输出。但值得注意的是，在实际电动汽车的电池管理系统里，电流和端电压都是作为输入量的。本文所搭建的的电池模型，如图4 所示，将辨识出来的参数设置进去，就可以进行模型的仿真和验证。

图4 电池模型

2.2.2 充电通讯模型

BMS 和充电机之间的通讯需要按照国标GB/T 27930-2015 进行，当BMS 和充电机通过充电插头完成物理连接并上电之后，BMS 和充电机之间的状态转换是相互协调工作的互操作约定。两者之间的CAN 通讯首先进入充电握手阶段完成相互辨识，辨识成功后双方进入充电参数配置阶段进行充电参数的交换并完成时间同步，然后进入充电阶段，双方实时进行充电状态通讯并充电计时，当充电状态达到结束要求时，BMS 与充电机互相发送充电停止报文，进入充电结束阶段互相发送充电统计数据，完成之后BMS 产生充电CAN通讯流程结束的控制信号。拔掉充电插头，整个充电通讯流程结束。本文所搭建的充电通讯模型[8]如图5 所示。

图5 充电通讯模型

2.2.3 负载模型

根据负载的变化，负载模型向电池模型实时发出电流需求，从而控制电池模拟器模拟单体电池随工况的电压、温度、SOC变化。本文根据试验过程中不同类型的负载需求，设计了恒定负载、驾驶负载和外部工况负载三种负载模型，如图6所示。

图6 负载模型

恒定负载可以实现恒定电压负载、恒定电流负载和恒定功率负载的模拟，通过输入端口可以设定恒定负载的工作模式和恒定负载的大小，最终得到当前负载的电流需求。

驾驶负载可以通过驾驶员实时的加速踏板信号、制动踏板信号、挡位信号以及车速，计算出当前负载下的电流需求。

外部工况负载，即根据电池所应用到车辆的整车动力性指标，以及动力电池、传动系、驱动电机等部件参数，在Advisor 中搭建整车仿真系统模型。在不同的仿真工况下，进行整车力学仿真，在电池模型的输入端可以得到不同工况下整车对电池功率的需求，进而将所得功率需求导入所搭建的模型中，得到外部工况负载下的电流需求。

通过负载模式选择模块，可以手动选择不同的负载模式，将该模式下的负载电流输入到电池模型中。

2.3 LabView 监控软件设计

LabView 是仿真平台交互界面常用的设计软件，该软件提供了丰富的图形化输入与显示控件，有利于系统测试过程中的变量输入和模型状态监控。由于BMS 的模型相当复杂，使用人员在RT-LAB 中在线调参和状态监控十分不便[9]。为了便于使用人员操作BMS-HIL 仿真平台完成系统测试，本文基于LabView 设计了图形化交互界面，包含电池模型输出监控模块、负载模型选择模块、车辆状态监控模块、驾驶信号输入模块和充电通讯状态监控模块，如图7 所示。该界面全面覆盖了系统的测试范围。

图7 LabView 管理界面

3 仿真实验设计及测试结果

本文所设计的电池模型、负载模型、充电通讯模型可以通过充放电仿真实验来验证其可行性，电池模型和负载模型可以通过放电仿真实验进行测试，充电通讯模型可以通过与被测BMS 的充电连接过程进行测试。

3.1 电池和负载模型测试

实验通过外部工况负载模式，来测试所设计的电池模型和负载模型。测试中将NEDC 工况导入Advisor 整车仿真模型中，求得此工况下的功率需求导入负载模型中，得到此工况下的电流需求作为电池模型的输入。为了在保证仿真结果准确的前提下尽量加快仿真速度，在生成电池的不均衡过程中将正态分布的标准差设置为0.002。在电池模型的输出端，可以得到48 节单体电池电压的变化情况，同时使用NI 公司的6341 多功能采集卡采集电池模拟器的输出电压。实验中记录一节单体电池模型输出电压以及电池模拟器输出电压如图8 所示，电池模型输出电压曲线与电池模拟器输出电压曲线的相关系数为0.998 9，能够证明电池模拟器输出电压的准确性以及本文所设计的电池模型和负载模型的可行性。

图8 单体电池电压输出

3.2 充电通讯模型测试

在BMS-HIL 中，仿真机与高压模拟箱、程控电源、电池模拟器和被测BMS 之间的通信采用的是CAN 通信方式。以充电通讯模块为例，实时仿真机通过调用CAN 卡与被测BMS之间进行CAN 通讯。使用周立功CANalyst CAN 收发器实时监控总线上的报文，通过CANtest 平台可以实时查看充电通讯模块与被测BMS 间的通讯流程，平台监测报文截取后如图9 所示。

图9 通讯过程报文收发状态

其中，1 阶段为充电握手阶段；2 阶段为充电参数配置阶段；3 阶段为充电阶段；4 阶段为充电结束阶段。整个过程报文收发正确，未发生丢帧，实时仿真机充电通讯模块与被测BMS 之间的通讯正常，能够证明所设计的充电通讯模型的可靠性。

4 结语

HIL 测试技术可以快速高效地对BMS 进行采集精度、均衡策略、CAN 通讯、故障诊断等功能进行全覆盖测试验证，减少后期实车路试次数，大大提高BMS 开发测试效率[10]。本文基于RT-LAB 平台搭建了电池管理系统硬件在环测试系统，详细介绍了硬件在环仿真平台软件系统的设计，仿真测试结果验证了该硬件在环测试平台的有效性。