如何讓電池更安全？解析動(dòng)力電池BMS控制策略的開發(fā)與測(cè)試
隨著電動(dòng)汽車的蓬勃發(fā)展，動(dòng)力電池市場(chǎng)高速擴(kuò)張，電池管理系統(tǒng)的需求也隨之迅速擴(kuò)大。
動(dòng)力電池管理系統(tǒng)(BMS)的設(shè)計(jì)應(yīng)用與整個(gè)動(dòng)力電池組是密不可分的，主要體現(xiàn)為兩個(gè)方面：第一，動(dòng)力電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依賴于動(dòng)力電池的特性，不同的電池類型、不同的電池特性對(duì)應(yīng)著不同的電池管理系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)；第二，電池管理系統(tǒng)要與動(dòng)力電池組結(jié)合起來進(jìn)行整體測(cè)試，既包含機(jī)械方面的內(nèi)容，例如防水、防塵、抗震、安定、散熱等方面的設(shè)計(jì)與測(cè)試，也包含整體性的測(cè)試。
第一部分 電池管理系統(tǒng)的開發(fā)需求
電池管理系統(tǒng)主要通過對(duì)電池電壓、溫度、電流等信息的采集，實(shí)現(xiàn)高壓安全管理、電池狀態(tài)分析、能量管理、故障診斷管理、電池信息管理等功能，并通過CAN總線將電源系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)與整車通訊聯(lián)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電池系統(tǒng)安全的有效管理，避免電池過充、過放，延長(zhǎng)電池壽命。
圖1 電池管理系統(tǒng)
電池管理系統(tǒng)里面一個(gè)很重要的核心是SOC算法，從不同的性質(zhì)維度、溫度維度、電池生命周期維度去給出符合需求的SOC值。
1. 儀表顯示值作為給車主參考的能量表征： 車主需要通過SOC對(duì)整車?yán)m(xù)航里程做出綜合判斷，對(duì)電池系統(tǒng)剩余的可用能量進(jìn)行評(píng)估(根據(jù)不同工況下的運(yùn)行距離結(jié)果，把SOC作為一個(gè)參考對(duì)比值)
圖2 SOC使用區(qū)間和里程估計(jì)
2.整車控制策略參考需求：整車控制策略需要參考SOC值，從而對(duì)行駛策略進(jìn)行管理。電動(dòng)汽車需要根據(jù)SOC值來實(shí)現(xiàn)電池保護(hù)和節(jié)能方面的平衡。當(dāng)SOC比較高的時(shí)候，能量回收的時(shí)候需要做一些限制)。通過SOC得出的功率特性，可以對(duì)電池壽命進(jìn)行較好的保護(hù)，防止由于功率限制沒做好引起的壽命衰減。
圖3 SOC與功率限值
除了SOC評(píng)估算法以外，動(dòng)力電池管理系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)實(shí)際上是由許多個(gè)功能模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)組合而成的。這些功能模塊包括：安全保護(hù)策略、(充放電)能量控制策略、電池均衡控制策略、健康狀態(tài)(SOH)、功能狀態(tài)(SOF)、能量狀態(tài)(SOE)、故障及安全狀態(tài)(SOS)等評(píng)估算法等；還要為通信及智能故障診斷機(jī)制留有足夠的資源，以保證足夠快的響應(yīng)時(shí)間。
電池各種狀態(tài)估計(jì)之間的關(guān)系如圖4所示。電池溫度估計(jì)是其他狀態(tài)估計(jì)的基礎(chǔ)。
圖4 電池的基本算法聯(lián)動(dòng)
第二部分 模型化的開發(fā)過程
1) 基于MBD的開發(fā)過程
工具和基于模型的設(shè)計(jì)方法首先對(duì)電池管理控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)、仿真和驗(yàn)證，然后為其生成了產(chǎn)品代碼。電池管理系統(tǒng)的算法和策略需要符合傳統(tǒng)ECU的模型化開發(fā)策略。以下為電池管理的V模式開發(fā)流程示意圖。
圖5 電池管理的V模式開發(fā)
在整個(gè)V型開發(fā)過程里面涉及以下的內(nèi)容：
控制需求分析 開發(fā)需求文檔
控制系統(tǒng)定義與設(shè)計(jì) 系統(tǒng)定義與設(shè)計(jì)文檔
策略模型開發(fā) 單元控制模型(Simulink Stateflow)
模型集成 控制策略模型(Simulink Stateflow)
單元測(cè)試 單元測(cè)試報(bào)告(Model Advisor&Design Verifier &Verification and Validation)
MIL測(cè)試 MIL測(cè)試報(bào)告(Simscape)
自動(dòng)代碼生成&SIL測(cè)試 控制策略代碼(MATLAB Coder Embedded Coder) SIL測(cè)試報(bào)告
HIL測(cè)試 HIL測(cè)試報(bào)告(DSpace)
匹配標(biāo)定 整車標(biāo)定報(bào)告(CANape)
實(shí)車測(cè)試 實(shí)車測(cè)試報(bào)告(CANoe)
2) BMS的控制策略開發(fā)過程
在確定了項(xiàng)目需求之后，開發(fā)出基本的浮點(diǎn)控制器模型。使用測(cè)試數(shù)據(jù)開發(fā)出電池的 Simulink 模型。該模型可以在控制器模型驗(yàn)證時(shí)，提供電池動(dòng)態(tài)信息，從而使測(cè)試結(jié)果更準(zhǔn)確。
圖6 狀態(tài)滯回的一階RC 模型
這一過程需要首先對(duì)控制子模塊進(jìn)行單元測(cè)試，然后將各子模塊集成，再將完整的控制器模型和 Simulink 的電池模型鏈接在一起，運(yùn)行仿真來驗(yàn)證控制邏輯的基本功能。為進(jìn)一步優(yōu)化控制器的算法，快速生成控制模型的代碼，并下載到快速原型器來控制實(shí)際電池，以實(shí)現(xiàn)對(duì)算法的驗(yàn)證。
將浮點(diǎn)模型轉(zhuǎn)換為定點(diǎn)模型，并再次運(yùn)行仿真，以驗(yàn)證轉(zhuǎn)換質(zhì)量。工程師們采用MC/DC (修正條件/決策覆蓋率) 指標(biāo)來評(píng)估測(cè)試的完整性。生成了模型的產(chǎn)品代碼之后，他們用軟件在回路測(cè)試的方法驗(yàn)證了生成的代碼是否按照設(shè)計(jì)的方式運(yùn)行，在該測(cè)試中用 Simulink 的電池模型與控制代碼形成閉環(huán)進(jìn)行測(cè)試。
3) BMS的控制策略測(cè)試
動(dòng)力鋰電池的可用電量可根據(jù)空閑狀態(tài)下電池的開路電壓(OCV)進(jìn)行估算，一般地，為了安全監(jiān)控，電池組中的每串電池電壓都需要采集。不同的體系對(duì)精度的要求不一樣，對(duì)于LMO/LTO電池，單體電壓采集精度只需達(dá)到10 mV。對(duì)于LiFePO4/C電池，單體電壓采集精度需要達(dá)到1mV左右。但目前單體電池的電壓采集精度多數(shù)只能達(dá)到5 mV。
圖7 LFP電池OCV曲線與采集電壓的關(guān)系
BMS 硬件在環(huán)仿真測(cè)試系統(tǒng)中主要為測(cè)試 BMS 的控制算法、功能驗(yàn)證、故障診斷等提供良好的閉環(huán)測(cè)試環(huán)境。通過 HIL 仿真測(cè)試系統(tǒng)可以快速開發(fā)和驗(yàn)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(jì)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。
圖8 BMS 的HIL系統(tǒng)
在最后的驗(yàn)證階段，將代碼下載到他們的基于微處理器的電池控制ECU中。利用被控對(duì)象生成的代碼，他們對(duì)ECU進(jìn)行硬件在環(huán)的仿真，以此驗(yàn)證控制軟件和 ECU 硬件是否很好地集成在一起。將控制器安裝到樣車中進(jìn)行可靠性和耐久性的路試，使用 CANape 對(duì)控制器進(jìn)行標(biāo)定，而標(biāo)定工具用到的ASAP2 標(biāo)定文件是與產(chǎn)品代碼一起自動(dòng)生成的。
參考文獻(xiàn)：
1) 電動(dòng)汽車鋰離子電池管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù) 盧蘭光，李建秋,華劍鋒，歐陽明高
2) BMS HIL 仿真測(cè)試系統(tǒng)方案
3) BMS算法中定義SOC需考慮哪些因素
相關(guān)閱讀：
驗(yàn)證碼：
