新能源汽車(chē)技術(shù)難點(diǎn)淺析及解決方案

1. 概述

隨著混合動(dòng)力以及純電動(dòng)汽車(chē)的不斷發(fā)展，電機(jī)控制策略的復(fù)雜性和可靠性日益提升。整車(chē)廠(chǎng)以及供應(yīng)商對(duì)新能源控制器的開(kāi)發(fā)環(huán)境的需求也在增長(zhǎng)。

恒潤(rùn)科技提供了新能源汽車(chē)控制的整體解決方案，可讓工程師在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，完成對(duì)整車(chē)控制器(HCU)、電池管理單元(BMS)、電機(jī)控制器(MCU)、功能的驗(yàn)證。可以模擬實(shí)車(chē)測(cè)試中遇到的所有工況范圍，在實(shí)車(chē)試驗(yàn)之前即可對(duì)ECU功能進(jìn)行全面測(cè)試。

本文將提供針對(duì)新能源車(chē)輛的HCU、MCU以及BMS三個(gè)控制器測(cè)試的解決方案。

2. 技術(shù)難點(diǎn)

針對(duì)BMS的工作電壓測(cè)試、單體電池電壓、溫度測(cè)試、SOC計(jì)算功能測(cè)試、充放電控制測(cè)試、電池?zé)崞胶鉁y(cè)試、高壓安全功能測(cè)試、通訊測(cè)試、故障診斷測(cè)試等等一系列測(cè)試，OEM面臨著諸多挑戰(zhàn)。

采用真實(shí)的電池組測(cè)試BMS有著諸多的弊端：

極限工況模擬給測(cè)試人員帶來(lái)安全隱患，例如過(guò)壓、過(guò)流和過(guò)溫，有可能導(dǎo)致電池爆炸。

SOC估計(jì)算法驗(yàn)證耗時(shí)長(zhǎng)，真實(shí)的電池組充放電試驗(yàn)耗時(shí)一周甚至更長(zhǎng)的時(shí)間。

模擬特定工況難度大，例如均衡功能測(cè)試時(shí)，制造電池單體間細(xì)微SOC差別，電池?zé)崞胶鉁y(cè)試時(shí)，制造單體和電池包間細(xì)微的溫度差別等。

以及其他針對(duì)BMS功能測(cè)試，如電池組工作電壓、單體電池電壓、溫度、SOC計(jì)算功能、充放電控制、電池?zé)崞胶?、高壓安全功能、均衡功能、通訊、故障診斷、傳感器等一系列的測(cè)試，OEM都面臨著諸多挑戰(zhàn)。MCU在研發(fā)過(guò)程中涉及被控對(duì)象的仿真。而電機(jī)本體的工作原理主要基于電磁感應(yīng)原理，其各物理量(如磁通量、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、電磁力等)的交互變化速度遠(yuǎn)大于機(jī)械系統(tǒng)的力與速度的變化，為了保證較高的仿真精度，要求模型的仿真步長(zhǎng)要遠(yuǎn)小于一般機(jī)械系統(tǒng)模型的仿真步長(zhǎng)。

相應(yīng)的，區(qū)別于汽車(chē)上一般的電控系統(tǒng)，MCU的特殊之處也是在于它具有較高的控制頻率和很高的輸入信號(hào)頻率。例如，MCU對(duì)逆變器IGBT的PWM控制頻率超過(guò)10 kHz;電機(jī)反饋的電機(jī)位置旋變信號(hào)的頻率可達(dá)12 kHz以上。這就要求HIL實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)對(duì)MCU控制信號(hào)采集和電機(jī)傳感器信號(hào)的仿真都要達(dá)到很高的頻率，一般要求采集頻率達(dá)到信號(hào)頻率的1000倍以上，信號(hào)仿真輸出頻率達(dá)到信號(hào)頻率的100倍以上。

面對(duì)上述挑戰(zhàn)，恒潤(rùn)科技提供基于TestBase的新能源汽車(chē)測(cè)試的解決方案。

3. 解決方案

3.1. BMS解決方案

電池管理系統(tǒng)多采用分布式結(jié)構(gòu)，包括1個(gè)主控單元BMU和若干個(gè)單體檢測(cè)單元BCU，如下圖所示。

圖3-1 電池管理系統(tǒng)分布式結(jié)構(gòu)圖

相應(yīng)的，電池管理系統(tǒng)的HIL測(cè)試也可以分為BMS級(jí)測(cè)試和BMU級(jí)測(cè)試。

BMS級(jí)測(cè)試中，BMU和所有BCU都作為測(cè)試對(duì)象，HIL系統(tǒng)需要為BCU提供每一個(gè)單體的輸出電壓信號(hào)以及若干個(gè)溫度信號(hào)。由于BMS級(jí)別測(cè)試更側(cè)重 BMS對(duì)電池包本身的管理功能，例如單體電壓采樣、溫度采樣、SOC估計(jì)、單體一致性檢測(cè)等功能，因而主要用在部件級(jí)測(cè)試中。

在BMU級(jí)測(cè)試中，BCU采用仿真的形式，HIL系統(tǒng)只需要通過(guò)CAN總線(xiàn)將BCU的相關(guān)報(bào)文發(fā)送給BMU即可，無(wú)需在硬件上模擬出單體電壓和溫度信號(hào)這種方式可以節(jié)省很大一部分的HIL系統(tǒng)硬件成本。BMU級(jí)測(cè)試多用于動(dòng)力系統(tǒng)級(jí)或整車(chē)級(jí)的測(cè)試中。

3.2. MCU解決方案

新能源汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)中用到的電機(jī)一般為永磁同步電機(jī)，電機(jī)系統(tǒng)通常由電機(jī)本體、逆變器和電控單元MCU組成。

針對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)的測(cè)試一般可分為信號(hào)級(jí)和功率級(jí)，其區(qū)別主要在于是否將真實(shí)逆變器接入測(cè)試系統(tǒng)。

圖3-2 電機(jī)信號(hào)級(jí)測(cè)試原理

圖3-3 電機(jī)功率級(jí)測(cè)試原理

基于第二章所述的MCU測(cè)試的技術(shù)難點(diǎn)，恒潤(rùn)科技提供了基于高性能FPGA的電機(jī)實(shí)時(shí)仿真方案。NI 的高性能FPGA板卡PXI 7966R滿(mǎn)足電機(jī)實(shí)時(shí)仿真的所有特性需求，包括：

1) 40 MHz的PWM采集通道，用于逆變器IGBT控制信號(hào)采集;

2) 2MHz的高速DA輸出通道，用于旋變信號(hào)和三相電流信號(hào)仿真;

3) 強(qiáng)大的計(jì)算能力，在進(jìn)行高速I(mǎi)O信號(hào)處理的同時(shí)，滿(mǎn)足電機(jī)模型的實(shí)時(shí)仿真需求，仿真步長(zhǎng)可低于2us。

圖3-4 基于FPGA的電機(jī)仿真解決方案

本方案中MCU HIL測(cè)試相關(guān)的配置(除通用的HIL系統(tǒng)軟硬件配置外)包括：

型號(hào)說(shuō)明

硬件PXI-7966RNI FlexRIO FPGA Module，用于電機(jī)的仿真

HS9202電機(jī)仿真適配模塊，含4個(gè)高速ADC采集通道(10MSPS)，8個(gè)高速DAC通道(10MSPS)，8個(gè)數(shù)字輸入通道，12個(gè)數(shù)字輸出通道。

在滿(mǎn)足MCU基本測(cè)試需求的同時(shí)，MCU測(cè)試解決方案還能夠提供多種被控對(duì)象故障的仿真功能，包括：

3.3. HCU解決方案

在HCU的測(cè)試解決方案中，模擬器需要模擬HCU需要的傳感器比如：油門(mén)踏板、制動(dòng)踏板等，同時(shí)采集HCU的輸出信號(hào)比如：冷卻風(fēng)扇、前置離合器等。HCU的復(fù)雜控制功能一般都是通過(guò)與BMS、MCU等相關(guān)控制器節(jié)點(diǎn)的協(xié)同工作來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4. 總結(jié)

對(duì)比采用真實(shí)電池的BMS和真實(shí)電機(jī)的MCU測(cè)試，采用電池、電機(jī)仿真技術(shù)的HIL測(cè)試具有如下明顯的優(yōu)點(diǎn)：

安全、節(jié)能：避免使用大功率充放電設(shè)備，避免了測(cè)試給試驗(yàn)人員造成的安全隱患;

方便制造各種BMS、MCU故障，從而全面的測(cè)試BMS、MCU診斷功能;

通過(guò)軟硬件配置實(shí)現(xiàn)多種規(guī)格的電池組(單體數(shù)、電壓等級(jí))仿真和電機(jī)仿真;