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德國Comemso BMS測試系統(tǒng)解決方案
2020-05-08
一、背景
電池作為最常見的儲能設(shè)備，正在隨著能源問題的日趨緊迫而被越來越多地研究和重視。在電力領(lǐng)域，它是新能源能夠取代日益枯竭的化石能源并成功進行大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵支柱；在汽車領(lǐng)域，它是電動車輛能夠完美取代內(nèi)燃機車輛所需解決的核心技術(shù)；在船舶、航空、軍工其他領(lǐng)域等全電化發(fā)展的各個行業(yè)，電池技術(shù)已經(jīng)日益成為各領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵。
電池技術(shù)日新月異發(fā)展的同時，電池管理系統(tǒng)(Battery Management System，簡稱BMS)的技術(shù)也面臨著新的挑戰(zhàn)。單體電池的能量密度、使用壽命等都得到了飛躍式發(fā)展，也對電池管理系統(tǒng)提出了更高的要求，大量單體的監(jiān)控和管理、單體的均衡管理、電池組熱管理、性能控制、安全控制、與充電設(shè)備和耗電設(shè)備的匹配技術(shù)等，都在給電池管理系統(tǒng)的功能及性能帶來挑戰(zhàn)。
二、存在問題
電池管理系統(tǒng)作為電池系統(tǒng)安全控制和性能優(yōu)化的關(guān)鍵因素，其產(chǎn)品的研發(fā)和驗證過程都需要經(jīng)過系統(tǒng)的測試，以保證其功能完備、性能穩(wěn)定。電池管理系統(tǒng)的測試主要面臨以下幾個挑戰(zhàn)：
■ 要求實時模擬電池單體工作的真實變化狀態(tài)
■ 要求實時模擬電池不一致的情況以驗證均衡功能
■ 要求實時模擬電池快速充放電、過壓、欠壓等情況以驗證極限情況功能
■ 要求實時模擬電池各類故障（如短路、老化等）以驗證故障檢測和處理功能
■ 要求實時模擬電池組溫度變化以驗證熱管理功能
■ 要求實時模擬其他系統(tǒng)的工作情況并與BMS進行交互
■ 要求快速調(diào)整電池的SOC等狀態(tài)以進行多項試驗
■ 要求試驗設(shè)備能夠同步測量真實值以驗證BMS結(jié)果正確性
■ 要求便捷地實現(xiàn)重復(fù)性試驗以應(yīng)對多個BMS測量
■ 要求試驗設(shè)備靈活可配置以測試不同類型的BMS和電池
三、解決方案
為了系統(tǒng)化測試BMS的各項功能，采用真實電池組進行試驗的方法，不僅會造成電池大量浪費，其不便捷的試驗過程也造成人員和時間的大量浪費，而且，采用真實電池無法創(chuàng)造極端情況進行測試，也無法做到系統(tǒng)化測試和和批量測試，種種弊端說明采用真實電池組進行BMS系統(tǒng)化測試的方式不可取。
針對BMS測試的以上難題，采用電池模擬器代替真實電池的BMS硬件在環(huán)系統(tǒng)解決方案。該方案的核心思想在于，以高精度電池模擬器和實時電池模型相結(jié)合的方式，模擬電池的各類工況，并以仿真機和輔助設(shè)備模擬其他系統(tǒng)模塊，為BMS創(chuàng)造一個極為真實的試驗環(huán)境，從而實現(xiàn)完整有效的BMS系統(tǒng)級測試。
BMS硬件在環(huán)仿真測試系統(tǒng)主要為測試BMS的控制算法、功能驗證、故障診斷等提供良好的閉環(huán)測試環(huán)境。通過HIL仿真測試系統(tǒng)可以快速開發(fā)和驗證BMS的控制功能和診斷功能，盡早發(fā)現(xiàn)BMS 產(chǎn)品在設(shè)計和開發(fā)過程中存在的各種缺陷，不斷完善和提高BMS產(chǎn)品的功能和性能。
BMS－HIL測試方法的優(yōu)勢：
■ 可進行極限或危險條件下的 ECU 測試，而不會對人員或車輛造成危害，保證了測試的安全性；
■ 快速模擬/重現(xiàn)復(fù)雜的故障模式（包括電氣故障、信號不合理等），提高 ECU 的復(fù)雜診斷功能的測試覆蓋率；
■ 可模擬整車環(huán)境，實現(xiàn)多 ECU 的集成測試，同時驗證總線功能和整車系統(tǒng)行為，以降低測試工作的重復(fù)投入；
■ 通過測試案例設(shè)計，可實現(xiàn)自動化測試，提高測試工作效率；
■ 通過測試案例的持續(xù)積累和改進，形成 ECU 相關(guān)知識沉淀，便于更好地進行 ECU 設(shè)計和功能驗證。
電池管理硬件在環(huán)測試系統(tǒng)通過模擬整車電池單體輸出，從而測試電池管理系統(tǒng)底層控制單元功能，實現(xiàn)BCM的硬件在環(huán)測試。系統(tǒng)由上位機、仿真機、電池包模擬器及 CAN 通信模塊等部分組成。其中，上位機實現(xiàn)仿真和試驗的開發(fā)和監(jiān)控等功能，是模型開發(fā)軟件、仿真控制軟件以及監(jiān)控軟件的運行平臺，仿真機實現(xiàn)電池模型及車輛模型的實時計算，并通過通信模塊將相應(yīng)的指令及輸出期望值發(fā)送給電池包模擬器，電池包模擬器模擬出各單體的輸出，并回饋模擬結(jié)果發(fā)送給仿真機，同時仿真機可模擬車輛其他模塊并和BMS進行數(shù)據(jù)交互。
四、電池電芯模擬器
電池芯模擬器可精準模擬鋰離子電池芯，于可靠安全的環(huán)境下取代電池芯，測試電池管理單元(BMU) 或子系統(tǒng)的電池芯量測單元(CSC)，適合應(yīng)用于電動汽車及儲能電池相關(guān)的領(lǐng)域。德國科尼紹Comemso源起汽車工業(yè)的搖籃德國斯圖加特；ComemsoBCS電池電芯模擬器，允許您在電芯級別上測試電池管理系統(tǒng),具有高精度和高動態(tài)性。這種虛擬電池單元的電氣仿真使您能夠?qū)崿F(xiàn) BMS 的安全,可重復(fù)和全自動測試。電池模擬器是 BMS 測試系統(tǒng)的核心。
每個單元的集成故障模擬
五、BMS-HIL系統(tǒng)解決方案
BMS－HIL系統(tǒng)主要由三部分組成：硬件平臺、實驗管理軟件和實時軟件模型。
德國Comemso BMS測試系統(tǒng)硬件方案包括如下：
■ 仿真高精度的單體電池的電壓信號，可實現(xiàn)高壓電池組的電壓模擬
■ 內(nèi)置電子負載，并具備高精度電流采集功能，可實現(xiàn)BMS的主動及被動均衡測試
■ 提供電池包溫度傳感器信號的模擬
■ 提供高壓系統(tǒng)的絕緣電阻仿真
■ 可選電池單體故障注入功能，包括：輸出短路、輸出開路、串聯(lián)在一起的通道間開路、采樣線開路、對低壓線路短路等
該系統(tǒng)作為BMS的系統(tǒng)化測試平臺，適用于對BMS做以下功能驗證：
■ 電池充放電控制功能
■ 總電壓和電流監(jiān)測功能
■ 單體電壓監(jiān)測功能
■ 單體電池均衡功能
■ 電池SOC估計功能
■ 電池組溫度管理功能
■ 電池組安全控制功能
■ 故障診斷和處理功能
■ 系統(tǒng)間通信功能
故障模擬
絕緣模擬
六、應(yīng)用案例
德國Comemso與國際主流品牌Vector、EATS、NI、OPAL-RT等仿真系統(tǒng)完美融合，在國外獲得包括戴姆勒、寶馬、福特、保時捷、AVL等客戶；在國內(nèi)包括上汽集團、寧德時代、第一汽車、吉利汽車、蔚來汽車等客戶的信任。
1、VectorVector VT System＋vTESTstudio＋CANoe
客戶：戴姆勒、寶馬等
2、ETAS LABCAR
客戶：上汽集團、寧德時代、第一汽車、吉利汽車、蔚來汽車、豐田等
3、OPAL-RT+NI PXI
客戶：AVL、福特、TATA集團等
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