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中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心電子電控開(kāi)發(fā)部工程師 丁健

中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心電子電控開(kāi)發(fā)部工程師 尹可欣

傳統(tǒng)的信號(hào)級(jí)HIL測(cè)試在BMS功能策略驗(yàn)證層面已經(jīng)非常成熟，但電池包性能驗(yàn)證能力嚴(yán)重不足。道路測(cè)試可以提供最真實(shí)的電池包性能，但測(cè)試條件覆蓋范圍過(guò)窄，要求較高。為解決這個(gè)挑戰(zhàn)，廠商們開(kāi)始采用電池在環(huán)(BIL)測(cè)試解決方案，該方案在很大程度上填補(bǔ)了HIL測(cè)試與道路測(cè)試之間的測(cè)試空缺。

電池測(cè)試在不斷發(fā)展的中國(guó)市場(chǎng)中的發(fā)展歷程

汽車(chē)產(chǎn)業(yè)作為中國(guó)重要的戰(zhàn)略方向，正處于商業(yè)化初期，技術(shù)發(fā)展迅速，產(chǎn)業(yè)布局加快，產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨機(jī)遇、風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)。在此背景下，純電動(dòng)汽車(chē)在提高經(jīng)濟(jì)和產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力、吸引主要可開(kāi)發(fā)市場(chǎng)投資方面潛力巨大。為了避免汽車(chē)軟件的功能安全問(wèn)題，汽車(chē)行業(yè)制定了汽車(chē)功能安全標(biāo)準(zhǔn)ISO 26262，這是目前汽車(chē)行業(yè)最重要的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)主要通過(guò)避免汽車(chē)電氣和電子(E/E)系統(tǒng)故障行為可能導(dǎo)致的危險(xiǎn)來(lái)提高E/E系統(tǒng)的功能安全性。

EV設(shè)計(jì)和驗(yàn)證中電池測(cè)試的復(fù)雜性

根據(jù)各國(guó)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的研究，存在一個(gè)普遍現(xiàn)象：電池是整個(gè)電動(dòng)汽車(chē)研究領(lǐng)域中問(wèn)題最多的零部件。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，為保證電池系統(tǒng)安全，除電芯特性、電池模組設(shè)計(jì)、電池包結(jié)構(gòu)和排氣設(shè)計(jì)外，電池管理系統(tǒng)(BMS)最為重要。許多新能源汽車(chē)企業(yè)都將電池管理系統(tǒng)作為企業(yè)核心技術(shù)。近年來(lái)，行業(yè)領(lǐng)先的OEM所申請(qǐng)的核心知識(shí)產(chǎn)權(quán)大多與電池相關(guān)，可見(jiàn)動(dòng)力電池系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的重要性。

電動(dòng)汽車(chē)控制器的開(kāi)發(fā)和測(cè)試一般采用V周期開(kāi)發(fā)流程（如圖1所示），可提高開(kāi)發(fā)效率、降低開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)并減少工作量。V周期開(kāi)發(fā)過(guò)程可完成系統(tǒng)需求、功能需求、軟硬件設(shè)計(jì)、模型驗(yàn)證(MIL/SIL)、 硬件在環(huán)測(cè)試(HIL)以及實(shí)車(chē)測(cè)試，其中控制器的HIL測(cè)試起著關(guān)鍵作用。硬件在環(huán)測(cè)試平臺(tái)可用于構(gòu)建虛擬控制器運(yùn)行環(huán)境，通過(guò)給出一些輸入信號(hào)和檢測(cè)輸出信號(hào)來(lái)驗(yàn)證控制器功能。

圖01 V周期開(kāi)發(fā)流程

傳統(tǒng)的信號(hào)級(jí)HIL測(cè)試在BMS功能策略驗(yàn)證層面已經(jīng)非常成熟，但電池包性能驗(yàn)證能力嚴(yán)重不足。通過(guò)道路測(cè)試可獲得最真實(shí)的電池包性能。但其測(cè)試條件覆蓋范圍過(guò)窄，對(duì)測(cè)試條件要求很高。而且如果要在特定環(huán)境下進(jìn)行實(shí)車(chē)測(cè)試，例如高溫或低溫極端條件，則對(duì)環(huán)境的要求更高。

中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心的電池在環(huán)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)

為提高用戶電池包性能測(cè)試的真實(shí)性和可靠性，中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心（天津）汽車(chē)工程研究院有限公司通過(guò)仿真和測(cè)試，提出了一套電池在環(huán)(BIL)測(cè)試解決方案。BIL測(cè)試很大程度上填補(bǔ)了HIL測(cè)試與道路測(cè)試之間的測(cè)試空缺。與道路測(cè)試相比，BIL測(cè)試可最大限度減少對(duì)現(xiàn)場(chǎng)、環(huán)境和車(chē)輛的需求，優(yōu)勢(shì)明顯。BIL和實(shí)車(chē)測(cè)試的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

表01 不同測(cè)試方法的比較

其系統(tǒng)框架包括負(fù)載仿真、環(huán)境仿真、DUT和車(chē)輛仿真4個(gè)主要部分，如圖2所示。在虛擬工作條件、虛擬道路和虛擬能源需求下，系統(tǒng)控制真實(shí)充放電系統(tǒng)。真實(shí)環(huán)境測(cè)試系統(tǒng)可輕松仿真各種真實(shí)路況并獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖02 電池在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)框架

中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心專(zhuān)門(mén)實(shí)現(xiàn)了電池在環(huán)測(cè)試方案。如圖3所示，整個(gè)系統(tǒng)配備了環(huán)境室、水冷卻器、虛擬負(fù)載等設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)電池在特定工作條件下的真實(shí)狀態(tài)測(cè)試。其中，電池的虛擬負(fù)載既是充電樁，也是用于對(duì)電池包進(jìn)行充放電的負(fù)載。主控系統(tǒng)通過(guò)CAN協(xié)議與電池虛擬負(fù)載、電池包環(huán)境仿真系統(tǒng)和BMS通信；BMS通過(guò)CAN協(xié)議實(shí)現(xiàn)快速充電功能。電池包冷卻/加熱系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)電池的熱管理功能，并通過(guò)以太網(wǎng)與主控系統(tǒng)連接，主要由LabVIEW進(jìn)行控制。其中，車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型和道路模型由CarMaker構(gòu)建，其他策略算法模型使用MathWorks® MATLAB®軟件和Simulink®軟件構(gòu)建。

該系統(tǒng)具有以下3個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

01 可輕松仿真各種真實(shí)路況和極端工作條件，大大減少實(shí)車(chē)測(cè)試的需求和時(shí)間。

02 精準(zhǔn)回放實(shí)車(chē)數(shù)據(jù)，并有效地找到目標(biāo)性能提升解決方案。

03 接口開(kāi)放靈活，可適應(yīng)各種車(chē)型需求。

圖03 電池在環(huán)測(cè)試方案

在行業(yè)合作生態(tài)方面，中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心已為一家行業(yè)領(lǐng)先的車(chē)企提供了電池在環(huán)測(cè)試服務(wù)。中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心提供了大量的測(cè)試用例和豐富的駕駛場(chǎng)景庫(kù)，并搭建了完整的BIL仿真測(cè)試平臺(tái)。該測(cè)試平臺(tái)包括Vehicle Dynamics CarMaker等軟件、使用NI TestStand的自動(dòng)化測(cè)試，以及HIL機(jī)柜、電池包、充放電設(shè)備和水冷卻器等硬件。通過(guò)BIL測(cè)試系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)SOX、循環(huán)壽命、容量校準(zhǔn)、DCR、脈沖充放電特性、過(guò)充/過(guò)放率、熱管理等測(cè)試項(xiàng)目。BIL測(cè)試平臺(tái)可自定義測(cè)試場(chǎng)景、更好地再現(xiàn)實(shí)車(chē)及環(huán)境的真實(shí)狀態(tài)、仿真冬季/夏季標(biāo)準(zhǔn)工作條件，并完成實(shí)車(chē)電池包充放電性能測(cè)試需求。

以放電條件為例，BIL測(cè)試系統(tǒng)的主要測(cè)試步驟為：

·配置與實(shí)車(chē)一致的CarMaker動(dòng)力學(xué)參數(shù)、搭建虛擬道路，并設(shè)置目標(biāo)車(chē)輛速度曲線。

·控制充放電設(shè)備，將電池SOC調(diào)整到測(cè)試的初始值。

·設(shè)置環(huán)境室溫度，并將電芯溫度調(diào)整至測(cè)試初始值。

·設(shè)置水冷卻器的溫度和流量，并將電池水路循環(huán)調(diào)節(jié)至測(cè)試初始狀態(tài)。

·仿真實(shí)車(chē)交互以實(shí)現(xiàn)低壓/高壓上電。

·通過(guò)CarMaker仿真獲取放電能量需求。

·控制放電設(shè)備對(duì)電池充放電，直至測(cè)試條件結(jié)束。

此外，通過(guò)BIL測(cè)試系統(tǒng)，可在接近實(shí)車(chē)的環(huán)境中，精確控制過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流、過(guò)溫等極端工作條件。充分驗(yàn)證安全目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)GB/T 39086-2020電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統(tǒng)功能安全要求的驗(yàn)證要求。

未來(lái)，中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心將繼續(xù)：

·專(zhuān)注于汽車(chē)工程應(yīng)用技術(shù)的研發(fā)

·為汽車(chē)企業(yè)及相關(guān)政府部門(mén)提供汽車(chē)性能工程開(kāi)發(fā)、共性關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與驗(yàn)證測(cè)試以及相關(guān)政策和技術(shù)咨詢服務(wù)

·攜手NI，為智能汽車(chē)企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)

·提前布局，滿足高水平自動(dòng)駕駛功能的監(jiān)管要求和實(shí)驗(yàn)室能力建設(shè)，引領(lǐng)汽車(chē)行業(yè)關(guān)鍵和共性技術(shù)進(jìn)步