BMS HIL试验研究

范学 邹圣星 汤志鑫 李智君 梁鹏

【摘  要】本文围绕动力电池及其管理系统功能需求和HIL硬件在环试验进行分析，提出BMS HIL台架的功能和指标要求，介绍HIL测试中模型要求及模型参数获取方法、测试用例设计。通过本次研究，实现BMS功能和故障注入等HIL测试，为BMS 功能开发提供快速、全面的测试验证手段。

【关键词】动力电池及其管理系统;HIL硬件在环测试;模型

中图分类号：U463.633    文献标志码：A    文章编号：1003-8639（ 2023 ）05-0069-07

【Abstract】This paper analyzes the working requirement of power battery and its management system，and the working principle of HIL system，puts forward the proposed function and index of BMS HIL Bench，talks about model requirement，the method of achieving model parameter and how to get test cases. By this study，we realize the test case such as the function test and fault injection test of the BMS system，which provides a fast and comprehensive test and verification means for BMS function development.

【Key words】power battery system;hardware in loop test;simulation model

作者简介

范学（1983—），男，工程师，研究方向为汽车试验技术;邹圣星（1985—），男，工程師，研究方向为汽车试验技术;汤志鑫（1989—），男，工程师，研究方向为汽车系统硬件在环试验技术;李智君（1991—），男，工程师，研究方向为动力电池管理系统开发策略;梁鹏（1979—），男，高级工程师，博士，研究方向为汽车试验技术。

动力电池系统是新能源车的能量源泉，而BMS是动力电池系统的大脑，决定了动力电池系统功能实现、性能发挥、安全和寿命。如何能高效、全面地开展BMS测试，是项目开发保证的重点之一，而 BMS HIL试验可以较好实现高效、全面测试的目标。本文将围绕BMS HIL测试，进行详细需求分析、模型及参数获得方法及试验案例设计方法介绍。

1  动力电池及其管理系统需求分析

1.1  动力电池及其管理系统组成

动力电池及其系统由若干单体串并联和BMS及其他部件组成，如图1所示。

1.2  BMS需求分析

图2为某款单体电池的工作区域。单体性能是动力电池系统的基础，而BMS是动力电池系统完成系统功能，能够发挥系统性能和安全可靠工作的保障。

BMS主要功能需求如图3所示。

1）与动力电池系统的基本功能直接相关的需求。例如：单体电压、温度采集功能及精度要求;总电压、电流采集功能要求;绝缘电阻测量要求;上下电功能控制;直流、交流充电功能控制等。

2）与动力电池系统的性能、安全、寿命相关的需求。例如：SOC估算;SOP估算;提高电池系统的有效容量的均衡功能;过压、欠压保护;过流保护;过温保护;漏电保护;热管理功能等。

2  HIL原理及BMS HIL重难点分析

2.1  HIL测试原理

HIL仿真测试与ECU实车运行环境相比，HIL测试利用实时运行在仿真机中的模型，替代台架或者实车作为受控对象，通过各种IO板卡及通信板卡模拟实车交互的硬线、通信环境与被测对象通信，实现功能及性能测试，且可以方便利用故障注入模块等对被测对象施加故障注入，极大提升测试高效性、全面性和安全性。HIL测试原理示意图如图4所示。

2.2  BMS HIL重难点分析

由BMS功能需求及HIL测试原理，我们可以梳理出以下BMS HIL测试的重难点。

1）BMS HIL台架硬件功能及指标需求，HIL机柜硬件需要模拟与BMS交互的实车环境的所有硬件，并且指标需要高于被测BMS的输入输出规格。

2）BMS HIL机柜中运行的模型，需要实时运行和准确模拟与BMS交互的输入输出信号。

3）HIL测试用例的设计和实现，是HIL高效测试前提保证。

3  BMS HIL台架硬件需求分析

围绕BMS的功能需求，HIL机柜需要使用各种板卡模拟实车接口给BMS进行状态采集和交互。如何使用合理的硬件资源，满足各平台BMS HIL的测试需求，是台架需求分析的重点。

下面将以单体电池电压模拟功能硬件需求分析为例进行说明。

3.1  BMS HIL台架单体模拟板卡需求分析

电压是表征电池状况最重要的参数之一，原因之一为电池荷电状态SOC和单体电压紧密关联，另一原因是电池电压存在如图2的“临界区域”，越过临界区域时，电池危险性大增。综上，BMS必须监控测量单体电池电压。

理论上讲，BMS采集单体电压的精度越高越好，但是精度越高，难度越大，成本越高，多大的精度是合适的呢？我们先站在参数作用的角度分析。BMS测量单体电压的作用，一是根据单体电压估算SOC状态，SOC=f（V，I，T）;二是在充放电初末期依据电压提供安全保护。根据行业经验，0.02V可以大致分辨出电池的荷电状态，0.05V荷电状态差异明显。

从提供安全保护角度，从图2可以看出，“临界区域”有一个挺大的范围。实际应用中，一般会定义上边界（铁锂电池通常为3.8V）和下边界（铁锂电池通常为2.2～2.5V）。通过图5可知，充电终端和放电末端，电池电压曲线急剧变化，此时提早或者滞后0.1V对电池容量及保护都可以接受，所以从保护角度来看，0.05V测量精度可以满足需求了。

综上理论，磷酸铁锂电池BMS单体电压采集精度应优于0.02V。

另外，经研究，三元锂电单体电压特性中，整体充放电曲线较铁锂电池斜率高些，充放电末端通常定义为4.2和2.8V。

经调研，目前好的BMS单体电压采集模块可以达到0.005V的精度要求，采集范围为0～5V，同时满足磷酸铁锂和三元锂的电池电压采集要求[1]。

综上分析，单元电池电压模拟板卡的输出控制精度不能低于0.005V，输出范围不能小于（0～5）V。

3.2  BMS HIL机柜组成介绍

围绕被测BMS系统的需求和各参数作用分析，我们可以制定出机柜需要的功能硬件种类及对应的性能要求，由于篇幅受限，我们不一一介绍。BMS HIL硬件系统组成和台架示意图见图6。

4  BMS HIL模型需求分析及实现

4.1  BMS HIL单体模型分析及参数获取方法

4.1.1  三阶RC模型模型分析

BMS HIL根据电池单体特性采用三阶RC模型建立等效电路电池模型，并通过安时积分及开路电压法建立电池系统动态SOC估算Simulink模型。该模型通过电池工作电流及电池温度输入，通过安时积分算法得出当前SOC，并通过开路电压法查表，并与三阶RC网络等效电路分压进行计算，从而获取当前单体端电压，并获取PACK电压。

安时积分计算SOC过程见原理为：

SOC=（Iη）dt

其模型试验见图7。

利用电池三阶RC网络模型计算电池端电压的模型，見图8。

4.1.2  三阶RC模型数学原理

磷酸铁锂电池等效电路模型的选择应综合考虑以下几个方面：能较好反映电池的动态特性，模型不能太复杂，模型阶数不能太高，减少运算，便于工程应用。由于电池模型的准确性随模型阶数的增加而提高，同时模型的复杂度也相应增加，故在实际应用中需在两者之间权衡利弊。行业中已证明三阶模型精度相对二阶模型精度提升更高。综合考虑选用三阶RC模型，作为本文磷酸铁锂电池的等效电路模型，并在这种模型下进行模型参数辨识及SOC估算。三阶RC等效电路模型如图9所示[2]。

因此有三阶RC网络空间状态方程：

4.1.3  RC参数公式推导及辨识

采用基于充放电物理特性的经典离线辨识方法，来辨识所述三阶RC模型的参数以及开路电压关于剩余电量的非线性函数。为了辨识模型参数，进行一个典型恒流放电的工况实验，放电端电压曲线如图10所示：电池在t≤ta这个时间段内处于静置状态，在[ta，tc]时间内以恒流放电，在t≥tc时间段内处于松弛状态。

在a-c段，模型中每个RC网络为零状态响应。此时电池的端电压为：

UL=UOC-IRp（1-e）-IRe（1-e）

-IRf（1-e）-IRΩ（3）

在c-d段，电池放电电路断开瞬间，流过电池外部的电流跳变为0，电池的状态发生改变，电池开路电压突然升高，主要是电池内部固定阻值的欧姆内阻所致：

RΩ=|Uc-Ua| / I（4）

在d-e段，当电池由d点进入静置阶段时，电池内部受到阻抗特性和容抗特性等极化特性的影响，电池内部仍有化学反应进行，直至达到最终的动态平衡，RC网络相当于零输入响应

UL=UOC-IRp（1-e）-IRe（1-e）-IRf

（1-e）-IRΩ=k0-k1e-b1t-k2e-b2t-k3e-b3t（5）

Rp=，Re=，Rf=;

CP=，Ce=，Cf=（6）

4.1.4  动力电池标定试验及RC参数获取

测试利用ARBIN电池充放电测试系统和多功能环境仓并通过编辑工步，实现电池容量标定试验、在不同温度不同倍率下的SOC-OCV以及不同温度和倍率下大电流的混合脉冲功率特性试验（HPPC试验），试验连接操作见图11，测试图片见图12。

目前现有常温状态下有效采集试验数据如图13所示。

根据图14中数据利用MATLAB编写程序进行最小二乘法进行曲线拟合[3]，并识别RC参数。三阶RC拟合结果见图15。

因篇幅原因，代码在此不做展示。

4.1.5  动力电池组模型及验证

根据电池三阶RC模型建立等效电池模型，并通过安时积分及开路电压法建立电池系统动态SOC估算Simulink模型。该模型通过电池工作电流及电池温度输入，通过安时积分算法得出当前SOC，并通过开路电压法查表，并与三阶RC网络等效电路分压进行计算，从而获取当前单体端电压，并获取PACK电压[3]。

将混合脉冲功率特性试验电流曲线以lookup Table的形式赋值给电池模型（图16），观察SOC变化曲线（图17）及端电压变化曲线（图18）。

4.2  BMS HIL测试其他主要模型及作用

4.2.1  预充电路模型

预充电路模型根据真实新能源汽车预充电电路结构搭建，即标准的RC电路。主正继电器吸合之前，为了防止高压继电器拉弧，并保护用电设备，都需要先吸合预充继电器，通过一个RC电路逐渐提高母线电压，回路模型接口见图19。

当HIL系统接收到BMS系统发送接收到主负继电器系统及预充继电器吸合报文命令时，按图20逻辑执行预充过程，当预充电压与母线电压差值在设定阈值内时，完成预充。

4.2.2  非车载直流充电机模型

非车载直流充电机模型属于标准模型，按照国标要求执行。该模型满足车载电池管理系统关于直流充电流程的功能测试。下面对本模型结构和输入输出接口做基本说明。充电机模型主要分为3部分，包括充电过程的逻辑控制单元、充电过程的执行控制单元以及信号路由单元。

充电逻辑基于Simulink/Stateflow，按照最新国标搭建充电过程的状态机模型，实现与车载电池管理系统的直接逻辑以及时序控制，限于篇幅原因，这里不展开详述。

5  BMS HIL测试用例设计及实现

5.1  测试用例设计分析

HIL测试中获取测试用例的常见方法有5大类：等价类划分法、枚举法、边界值分析法、错误推测法、因果图功能图分析方法。

5.1.1  等价类划分法

等价类划分法将不能穷举的测试过程进行合理分类，划分成多个子集，然后从中子集内数据中选取具有代表性数据，做成测试用例，在设计用例时要依据需求说明划分等价类，列出等价表，从而保证设计出的测试用例的完整性和代表性。

示例：等价类-带载情况下，设置BMS控制器功率，根据高压上下电进入条件，有效等价类为母线电流小于5A，无效等价类为母线电流大于5A。

5.1.2  枚举法

1）VCU模式控制类型：放电模式、AC充电模式、DC充电模式。

2）导致上电失败的情况：VCU发送禁止上电高压指令、总压过高、预充失败。

以表1中案例进行说明如何利用两种方法来设计测试用例及评价。

5.1.3  测试用例示例

逻辑测试用例（LTC）/具体执行用例（CTC）的用例描述结构可将测试用例的业务逻辑与测试数据相分离，可提高用例和脚本使用率，降低维护成本。

根据枚举法BMS发送下电请求，可出现的响应情况：满足下电条件，VCU立即发送下电指令;VCU节点使能，但未发送高压下电命令;VCU报文丢失共3种。

1）VCU立即发送下电指令情况，VCU模式控制类型：放电模式、AC充电模式、DC充电模式，每种分别设置母线电流大于10A和小于10A两种情况，放电模式需对母线电流为0A进行测试，即VCU立即发送下电指令情况测试CTC数目为2*3+1=7。

2）VCU节点使能，但未发送高压下电命令情况，VCU模式控制类型分为放电、AC充电模式、DC充电模式，每种分别设置母线电流大于5A和小于5A两种情况，即该测试CTC数目为2*3=6。

3）VCU报文丢失情况，与前一种类似，测试CTC数目为6。因此，异常导致高压下电功能测试的CTC数目为7+6+6=19。

通过上述LTC简要操作步骤、输入输出数据分析以及测试通用流程，设计LTC具体操作过程如图21所示。

5.2  测试用例分类

根据对功能需求分析的追踪，结合上述测试用例设计方法，共得出有效测试用例225项，并且此类测试用例可通用，见表2。

5.3  典型测试用例实现

利用SIMULINK搭建系统底层模型，加载至VERISTAND工程中，搭建工程测试界面如图22所示。

5.3.1  辅助上退电逻辑验证

搭建钥匙逻辑，IKEY值为1时，系统电源切换板卡为BMS供KL30常电，当IKEY值大于阈值时，系统上KL15电，同步将使能给虚拟BCM发出唤醒及IG3电请求，同时发送启动允许报文标志位，见图23。

此时系统通过数字量模拟板卡的DI/DO通道将互锁及碰撞信号发给BMC，然后电池、电阻模拟板卡，电流板卡、高压板卡、继电器仿真板卡将信号给各BIC和HVSU进行系统采样完成BMS的自检，通过自检的BMC发送继电器吸合请求，继电器板卡动作完成预充，并上高压电，动作见图24。预充过程信号级电压动作见图25，上电动作流程见图26。

5.3.2  直流充电升降压逻辑验证

系统通过电阻板卡及DO板卡模拟给BMS控制器CC2信号，见图27。

将4.2.2中介绍的非车载直流充电机模型增加实车直流充电逻辑，通过仿真机完成与BMS之间通过直流充电子网实现升降调压过程握手逻辑，见图28，能够握手成功，从而进入直流充电流程，实现直流充电功能逻辑验证。

过程报文交互见图29，调压过程将车载充电机模型实时计算的电流值给到电池，对于升降压充电过程，利用BMS给DC/DC发第一次降压目标值为360V指令，模型OFC在由参数配置阶段进入充电阶段之前确认电压降到360V，BMS根据充电桩的输出能力给OFC发第二次降压目标值指令，直到调压至充电桩最大充电能力。

直流充电过程模型SOC与BMS计算SOC比对数据见图30，由图可知，模型仿真SOC和实际BMS SOC计算接近，是比较理想的结果。

6  动力电池系统功率级HIL测试扩展

我们扩展搭建的动力电池功率级HIL除可实现表2中的测试用例信号级层面的验证外，亦可将其转化成动力电池功率级HIL测试用例，在HIL模拟的整车环境下对真实动力电池系统进行功率级HIL测试，能更为真实有效地反映系统在整车状态下的功能表现，测试系统扩展见图31，目前已完成系统搭建。

此外还可以与本部其他高压域系统功率级HIL进行联调测试，集成电池、电机、电控及充配电系统，能够在高压层级验证整车逻辑功能、充电性能、热管理、行驶性能及功能安全等，见图32。

高压域三电功率级HIL联调测试后集成了电池、电机、电控及充配电系统，能够在高压层级验证整车逻辑功能、充电性能、热管理、行驶性能及功能安全等，测试用例思维导图见图33。

7  结束语

本文通过对动力电池及其管理系统功能需求分析和研究，提出了BMS HIL测试硬件需求，并通过有效手段构建了符合要求的BMS HIL试验系统，研究了HIL测试中关键单体模型要求及模型参数获取的试验方法，设计并制定了测试用例，并且可以为信号级功率级共用。BMS HIL试验能力建立，为BMS及动力电池系统开发提供了高效、全面的验证手段，可为动力电池系统的性能、安全保驾护航。

参考文献：

[1] 熊杰. BMS硬件在环系统开发[D]. 北京：清华大学，2018.

[2] 李慧慧. 基于分数阶模型的锂离子电池SOC估计[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2018.

[3] 张禹轩. 电动汽车电池模型参数在线辨识及SOC估计[D]. 长春：吉林大学，2014.

（编辑  楊  景）