德國Comemso BMS測試系統解決方案
2020-05-08
一、背景
電池作為最常見的儲能設備，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模應用的關鍵支柱；在汽車領域，它是電動車輛能夠完美取代內燃機車輛所需解決的核心技術；在船舶、航空、軍工其他領域等全電化發展的各個行業，電池技術已經日益成為各領域發展的關鍵。
電池技術日新月異發展的同時，電池管理系統(Battery Management System，簡稱BMS)的技術也面臨著新的挑戰。單體電池的能量密度、使用壽命等都得到了飛躍式發展，也對電池管理系統提出了更高的要求，大量單體的監控和管理、單體的均衡管理、電池組熱管理、性能控制、安全控制、與充電設備和耗電設備的匹配技術等，都在給電池管理系統的功能及性能帶來挑戰。
二、存在問題
電池管理系統作為電池系統安全控制和性能優化的關鍵因素，其產品的研發和驗證過程都需要經過系統的測試，以保證其功能完備、性能穩定。電池管理系統的測試主要面臨以下幾個挑戰：
■ 要求實時模擬電池單體工作的真實變化狀態
■ 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的工作情況并與BMS進行交互
■ 要求快速調整電池的SOC等狀態以進行多項試驗
■ 要求試驗設備能夠同步測量真實值以驗證BMS結果正確性
■ 要求便捷地實現重復性試驗以應對多個BMS測量
■ 要求試驗設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造極端情況進行測試，也無法做到系統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硬件在環系統解決方案。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合的方式，模擬電池的各類工況，并以仿真機和輔助設備模擬其他系統模塊，為BMS創造一個極為真實的試驗環境，從而實現完整有效的BMS系統級測試。
BMS硬件在環仿真測試系統主要為測試BMS的控制算法、功能驗證、故障診斷等提供良好的閉環測試環境。通過HIL仿真測試系統可以快速開發和驗證BMS的控制功能和診斷功能，盡早發現BMS 產品在設計和開發過程中存在的各種缺陷，不斷完善和提高BMS產品的功能和性能。
BMS－HIL測試方法的優勢：
■ 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/重現復雜的故障模式（包括電氣故障、信號不合理等），提高 ECU 的復雜診斷功能的測試覆蓋率；
■ 可模擬整車環境，實現多 ECU 的集成測試，同時驗證總線功能和整車系統行為，以降低測試工作的重復投入；
■ 通過測試案例設計，可實現自動化測試，提高測試工作效率；
■ 通過測試案例的持續積累和改進，形成 ECU 相關知識沉淀，便于更好地進行 ECU 設計和功能驗證。
電池管理硬件在環測試系統通過模擬整車電池單體輸出，從而測試電池管理系統底層控制單元功能，實現BCM的硬件在環測試。系統由上位機、仿真機、電池包模擬器及 CAN 通信模塊等部分組成。其中，上位機實現仿真和試驗的開發和監控等功能，是模型開發軟件、仿真控制軟件以及監控軟件的運行平臺，仿真機實現電池模型及車輛模型的實時計算，并通過通信模塊將相應的指令及輸出期望值發送給電池包模擬器，電池包模擬器模擬出各單體的輸出，并回饋模擬結果發送給仿真機，同時仿真機可模擬車輛其他模塊并和BMS進行數據交互。
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，于可靠安全的環境下取代電池芯，測試電池管理單元(BMU) 或子系統的電池芯量測單元(CSC)，適合應用于電動汽車及儲能電池相關的領域。德國科尼紹Comemso源起汽車工業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,具有高精度和高動態性。這種虛擬電池單元的電氣仿真使您能夠實現 BMS 的安全,可重復和全自動測試。電池模擬器是 BMS 測試系統的核心。
每個單元的集成故障模擬
五、BMS-HIL系統解決方案
BMS－HIL系統主要由三部分組成：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，可實現高壓電池組的電壓模擬
■ 內置電子負載，并具備高精度電流采集功能，可實現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
該系統作為BMS的系統化測試平臺，適用于對BMS做以下功能驗證：
■ 電池充放電控制功能
■ 總電壓和電流監測功能
■ 單體電壓監測功能
■ 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
■ 系統間通信功能
故障模擬
絕緣模擬
六、應用案例
德國Comemso與國際主流品牌Vector、EATS、NI、OPAL-RT等仿真系統完美融合，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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