【电动汽车资源网EV江湖 129Lab】HIL技术是减少BMS开发成本的一种方法,可以提供低成本和高重复性的模拟实验,基于RT-Lab的软件仿真平台具有开放性、灵活性、可扩展性,广泛应用于电力电子行业,在BMS测试中可以构建不同的测试环境,节省开发和验证的时间成本。典型的BMS控制任务一般可以分为:(1)cell模拟,例如cell的均衡控制;(2)电池组模块控制,与其他控制器通讯,将电池状态传递给其他控制器。电池的均衡可以规划为简单、独立、主动算法。
电池硬件在环示意图如下,为了提供真实的BMS测试环境,电池HIL模拟器可以分成电池模拟器和实时仿真机两部分。电池模拟器可以看作是一个均衡板,模拟cell运行情况,内置ARM芯片,具有数据处理功能和通讯接口,模拟输出cell的电压,用于均衡控制。仿真机实时运行的电池模拟将实时变化的电压传递给电池模拟器来生成实际电压,使电池模拟器的变化具有实时性。仿真器还可以内置整车、电机、发动机等模型,用于模拟车辆实时运行,模拟整车控制器、电机控制器通过CAN与BMS进行数据交换,模拟整车环境来提供给BMS。
仿真器需要电池模型来反应电池的工作过程中的状态,HIL的模型需要一定的限制和可接受精度来执行测试。简单的模型需要较少的模拟时间、开发时间和相关数据。模型主要包括电池等效电路、电池老化函数以及用于电池测试的整车函数。高精度的模型需要消耗较大的模拟时间,通常采用离线仿真。模型计算时间vs精度如下图所示。采取折中:电池模型需要模拟很多cell行为,但需要限制在有限的处理功率范围内。
电池模型直接影响车辆驾驶性,电池SOC(控制策略的回馈信号)和电池电压影响执行器的功率分配。为了预测这种效果,一般可以用如下二阶模型来模拟电池的电压和SOC,其电路包含两个RC回路,模拟电压瞬态过程,二阶模型兼顾了复杂性和精度,模拟时间较少,实时性较好,同时能满足工程精度要求,因此被用于很多电池的模拟仿真。电池的内阻和开路电压可以模拟微SOC的函数,这些函数可以根据电池电量的信号改变。但是,动态模拟并不包含电池熵模型,因此对温度的依赖性通常被忽略。
电池包可视作一个简单的电池:元件的串联和并联数量可视作端电压和容量的乘法因子。容量、自放电率、内阻、温度在电池工作时会产生差异,因此,HIL的电池模型必须具备模拟多个不同cell的能力,测试一般性的BMS,电池的数量必须可以灵活设置。电池模拟器能够模拟几十个或上百个cell。
电池老化分为日历老化和循环老化,日历老化可以看作存储过程中的损失,循环老化可以看作电池工作时的损失。实际模型中,由于电池老化过程是缓慢的,BMS测试可以只模拟电池寿命特定的阶段,将电池容量和电池内阻变化的过程反映出来。
HIL的设计使用如今已经成为商业软件/硬件。在HIL安装中,仿真器直接连接到实际的控制器。基于Simulink建立的软件模型使用RTW工具和RT-Lab生成实时代码。试试系统功能包括模型实时结算、电气接口输入输出控制、被测对象数据实时交换。在离线模拟中,一个模拟系统可以使用1min来模拟1h的运行。在实时模拟中,模拟时间必须与实际时间同步,每一个模拟时间步长的计算需要和真实时间间隔对应。实时系统的运行如下图所示,任务执行时间是实时代码在实时系统运行的瞬态。时间步长为tn和tn+1。在一个完整的实时模拟中,在tn开始,在tn+1结束。任务执行时间是模型计算时间,从simulink获得的实时代码运行的时间。通过系统求解方程得到下一步时间步长的系统状态。信号采样和输出时间是系统计算之间的瞬时,反映在实时节点或实时系统的IO接口,主要考虑AD和DA转换延时。间歇时间是到下一个时间步长的处理器的空闲时间。超限时进行的时间编码在实时系统里的执行时间内会超过所选择的实时仿真步长。超过容忍的限制,这种模拟就只能归类为软件实时仿真。这种超过范围的情况可以通过增加仿真步长消除,但是会影响精度,因此在精度和仿真机运行负荷之间要选取合适的折中。
电池模拟器模拟每个cell的电压和温度,每个控制板都有一个ARM芯片,对3路电压信号或12路温度信号进行控制(RT-Lab)。控制板和仿真机链接在同一个CAN上,仿真机相当于各路信号的总控制器,对每一路信号发输出指令发送到对应控制板。
电池HIL的具体形式很多,例如,下图是Argonne National Lab的电池HIL,是将实际的电池集成到虚拟整车中,使用的是dSpace的平台。
下图是GM的用于电池算法验证和开发的cell级别的HIL。
例如,下图是Bloomy的BMS HIL测试系统示意图。
参考资料
Development of battery hardware in loop simulator based on RT-Lab platform
（来源：电动汽车资源网EV江湖 作者：129Lab）
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