解析动力电池BMS控制策略的开发与测试

随着电动汽车的蓬勃发展，动力电池市场高速扩张，电池管理系统的需求也随之迅速扩大。

动力电池管理系统(BMS)的设计应用与整个动力电池组是密不可分的，主要体现为两个方面：第一，动力电池管理系统的设计依赖于动力电池的特性，不同的电池类型、不同的电池特性对应着不同的电池管理系统的软硬件设计；第二，电池管理系统要与动力电池组结合起来进行整体测试，既包含机械方面的内容，例如防水、防尘、抗震、安定、散热等方面的设计与测试，也包含整体性的测试。

第一部分 电池管理系统的开发需求

电池管理系统主要通过对电池电压、温度、电流等信息的采集，实现高压安全管理、电池状态分析、能量管理、故障诊断管理、电池信息管理等功能，并通过CAN总线将电源系统关键参数与整车通讯联系，从而实现对电池系统安全的有效管理，避免电池过充、过放，延长电池寿命。

图1电池管理系统

电池管理系统里面一个很重要的核心是SOC算法，从不同的性质维度、温度维度、电池生命周期维度去给出符合需求的SOC值。

1.仪表显示值作为给车主参考的能量表征：车主需要通过SOC对整车续航里程做出综合判断，对电池系统剩余的可用能量进行评估(根据不同工况下的运行距离结果，把SOC作为一个参考对比值)

图2 SOC使用区间和里程估计

2.整车控制策略参考需求：整车控制策略需要参考SOC值，从而对行驶策略进行管理。电动汽车需要根据SOC值来实现电池保护和节能方面的平衡。当SOC比较高的时候，能量回收的时候需要做一些限制)。通过SOC得出的功率特性，可以对电池寿命进行较好的保护，防止由于功率限制没做好引起的寿命衰减。

图3 SOC与功率限值

除了SOC评估算法以外，动力电池管理系统的软件设计实际上是由许多个功能模块的详细设计组合而成的。这些功能模块包括：安全保护策略、(充放电)能量控制策略、电池均衡控制策略、健康状态(SOH)、功能状态(SOF)、能量状态(SOE)、故障及安全状态(SOS)等评估算法等；还要为通信及智能故障诊断机制留有足够的资源，以保证足够快的响应时间。

电池各种状态估计之间的关系如图4所示。电池温度估计是其他状态估计的基础。

图4电池的基本算法联动

第二部分 模型化的开发过程

1)基于MBD的开发过程

工具和基于模型的设计方法首先对电池管理控制系统进行了设计、仿真和验证，然后为其生成了产品代码。电池管理系统的算法和策略需要符合传统ECU的模型化开发策略。以下为电池管理的V模式开发流程示意图。

图5电池管理的V模式开发

在整个V型开发过程里面涉及以下的内容：

控制需求分析 开发需求文档

控制系统定义与设计 系统定义与设计文档

策略模型开发 单元控制模型(Simulink Stateflow)

模型集成 控制策略模型(Simulink Stateflow)

单元测试 单元测试报告(Model Advisor&Design Verifier &Verification and Validation)

MIL测试 MIL测试报告(Simscape)

自动代码生成&SIL测试 控制策略代码(MATLAB Coder Embedded Coder) SIL测试报告

HIL测试 HIL测试报告(DSpace)

匹配标定 整车标定报告(CANape)

实车测试 实车测试报告(CANoe)

2)BMS的控制策略开发过程

在确定了项目需求之后，开发出基本的浮点控制器模型。使用测试数据开发出电池的Simulink模型。该模型可以在控制器模型验证时，提供电池动态信息，从而使测试结果更准确。

图6状态滞回的一阶RC模型

这一过程需要首先对控制子模块进行单元测试，然后将各子模块集成，再将完整的控制器模型和Simulink的电池模型链接在一起，运行仿真来验证控制逻辑的基本功能。为进一步优化控制器的算法，快速生成控制模型的代码，并下载到快速原型器来控制实际电池，以实现对算法的验证。

将浮点模型转换为定点模型，并再次运行仿真，以验证转换质量。工程师们采用MC/DC(修正条件/决策覆盖率)指标来评估测试的完整性。生成了模型的产品代码之后，他们用软件在回路测试的方法验证了生成的代码是否按照设计的方式运行，在该测试中用Simulink的电池模型与控制代码形成闭环进行测试。

3)BMS的控制策略测试

动力锂电池的可用电量可根据空闲状态下电池的开路电压(OCV)进行估算，一般地，为了安全监控，电池组中的每串电池电压都需要采集。不同的体系对精度的要求不一样，对于LMO/LTO电池，单体电压采集精度只需达到10mV。对于LiFePO4/C电池，单体电压采集精度需要达到1mV左右。但目前单体电池的电压采集精度多数只能达到5mV。

图7 LFP电池OCV曲线与采集电压的关系

BMS硬件在环仿真测试系统中主要为测试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。

图8 BMS的HIL系统

在最后的验证阶段，将代码下载到他们的基于微处理器的电池控制ECU中。利用被控对象生成的代码，他们对ECU进行硬件在环的仿真，以此验证控制软件和ECU硬件是否很好地集成在一起。将控制器安装到样车中进行可靠性和耐久性的路试，使用CANape对控制器进行标定，而标定工具用到的ASAP2标定文件是与产品代码一起自动生成的。（作者：朱玉龙）