德国Comemso BMS测试系统解决方案
2020-05-08
一、背景
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。在电力领域，它是新能源能够取代日益枯竭的化石能源并成功进行大规模应用的关键支柱；在汽车领域，它是电动车辆能够完美取代内燃机车辆所需解决的核心技术；在船舶、航空、军工其他领域等全电化发展的各个行业，电池技术已经日益成为各领域发展的关键。
电池技术日新月异发展的同时，电池管理系统(Battery Management System，简称BMS)的技术也面临着新的挑战。单体电池的能量密度、使用寿命等都得到了飞跃式发展，也对电池管理系统提出了更高的要求，大量单体的监控和管理、单体的均衡管理、电池组热管理、性能控制、安全控制、与充电设备和耗电设备的匹配技术等，都在给电池管理系统的功能及性能带来挑战。
二、存在问题
电池管理系统作为电池系统安全控制和性能优化的关键因素，其产品的研发和验证过程都需要经过系统的测试，以保证其功能完备、性能稳定。电池管理系统的测试主要面临以下几个挑战：
■ 要求实时模拟电池单体工作的真实变化状态
■ 要求实时模拟电池不一致的情况以验证均衡功能
■ 要求实时模拟电池快速充放电、过压、欠压等情况以验证极限情况功能
■ 要求实时模拟电池各类故障（如短路、老化等）以验证故障检测和处理功能
■ 要求实时模拟电池组温度变化以验证热管理功能
■ 要求实时模拟其他系统的工作情况并与BMS进行交互
■ 要求快速调整电池的SOC等状态以进行多项试验
■ 要求试验设备能够同步测量真实值以验证BMS结果正确性
■ 要求便捷地实现重复性试验以应对多个BMS测量
■ 要求试验设备灵活可配置以测试不同类型的BMS和电池
三、解决方案
为了系统化测试BMS的各项功能，采用真实电池组进行试验的方法，不仅会造成电池大量浪费，其不便捷的试验过程也造成人员和时间的大量浪费，而且，采用真实电池无法创造极端情况进行测试，也无法做到系统化测试和和批量测试，种种弊端说明采用真实电池组进行BMS系统化测试的方式不可取。
针对BMS测试的以上难题，采用电池模拟器代替真实电池的BMS硬件在环系统解决方案。该方案的核心思想在于，以高精度电池模拟器和实时电池模型相结合的方式，模拟电池的各类工况，并以仿真机和辅助设备模拟其他系统模块，为BMS创造一个极为真实的试验环境，从而实现完整有效的BMS系统级测试。
BMS硬件在环仿真测试系统主要为测试BMS的控制算法、功能验证、故障诊断等提供良好的闭环测试环境。通过HIL仿真测试系统可以快速开发和验证BMS的控制功能和诊断功能，尽早发现BMS 产品在设计和开发过程中存在的各种缺陷，不断完善和提高BMS产品的功能和性能。
BMS－HIL测试方法的优势：
■ 可进行极限或危险条件下的 ECU 测试，而不会对人员或车辆造成危害，保证了测试的安全性；
■ 快速模拟/重现复杂的故障模式（包括电气故障、信号不合理等），提高 ECU 的复杂诊断功能的测试覆盖率；
■ 可模拟整车环境，实现多 ECU 的集成测试，同时验证总线功能和整车系统行为，以降低测试工作的重复投入；
■ 通过测试案例设计，可实现自动化测试，提高测试工作效率；
■ 通过测试案例的持续积累和改进，形成 ECU 相关知识沉淀，便于更好地进行 ECU 设计和功能验证。
电池管理硬件在环测试系统通过模拟整车电池单体输出，从而测试电池管理系统底层控制单元功能，实现BCM的硬件在环测试。系统由上位机、仿真机、电池包模拟器及 CAN 通信模块等部分组成。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，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包模拟器，电池包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，同时仿真机可模拟车辆其他模块并和BMS进行数据交互。
四、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。
每个单元的集成故障模拟
五、BMS-HIL系统解决方案
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
该系统作为BMS的系统化测试平台，适用于对BMS做以下功能验证：
■ 电池充放电控制功能
■ 总电压和电流监测功能
■ 单体电压监测功能
■ 单体电池均衡功能
■ 电池SOC估计功能
■ 电池组温度管理功能
■ 电池组安全控制功能
■ 故障诊断和处理功能
■ 系统间通信功能
故障模拟
绝缘模拟
六、应用案例
德国Comemso与国际主流品牌Vector、EATS、NI、OPAL-RT等仿真系统完美融合，在国外获得包括戴姆勒、宝马、福特、保时捷、AVL等客户；在国内包括上汽集团、宁德时代、第一汽车、吉利汽车、蔚来汽车等客户的信任。
1、VectorVector VT System＋vTESTstudio＋CANoe
客户：戴姆勒、宝马等
2、ETAS LABCAR
客户：上汽集团、宁德时代、第一汽车、吉利汽车、蔚来汽车、丰田等
3、OPAL-RT+NI PXI
客户：AVL、福特、TATA集团等
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