新能源汽車技術難點淺析及解決方案

1. 概述

隨著混合動力以及純電動汽車的不斷發展，電機控制策略的復雜性和可靠性日益提升。整車廠以及供應商對新能源控制器的開發環境的需求也在增長。

恒潤科技提供了新能源汽車控制的整體解決方案，可讓工程師在實驗室環境下，完成對整車控制器(HCU)、電池管理單元(BMS)、電機控制器(MCU)、功能的驗證。可以模擬實車測試中遇到的所有工況范圍，在實車試驗之前即可對ECU功能進行全面測試。

本文將提供針對新能源車輛的HCU、MCU以及BMS三個控制器測試的解決方案。

2. 技術難點

針對BMS的工作電壓測試、單體電池電壓、溫度測試、SOC計算功能測試、充放電控制測試、電池熱平衡測試、高壓安全功能測試、通訊測試、故障診斷測試等等一系列測試，OEM面臨著諸多挑戰。

采用真實的電池組測試BMS有著諸多的弊端：

極限工況模擬給測試人員帶來安全隱患，例如過壓、過流和過溫，有可能導致電池爆炸。

SOC估計算法驗證耗時長，真實的電池組充放電試驗耗時一周甚至更長的時間。

模擬特定工況難度大，例如均衡功能測試時，制造電池單體間細微SOC差別，電池熱平衡測試時，制造單體和電池包間細微的溫度差別等。

以及其他針對BMS功能測試，如電池組工作電壓、單體電池電壓、溫度、SOC計算功能、充放電控制、電池熱平衡、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試，OEM都面臨著諸多挑戰。MCU在研發過程中涉及被控對象的仿真。而電機本體的工作原理主要基于電磁感應原理，其各物理量(如磁通量、感應電動勢、電磁力等)的交互變化速度遠大于機械系統的力與速度的變化，為了保證較高的仿真精度，要求模型的仿真步長要遠小于一般機械系統模型的仿真步長。

相應的，區別于汽車上一般的電控系統，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頻率。例如，MCU對逆變器IGBT的PWM控制頻率超過10 kHz;電機反饋的電機位置旋變信號的頻率可達12 kHz以上。這就要求HIL實時仿真系統對MCU控制信號采集和電機傳感器信號的仿真都要達到很高的頻率，一般要求采集頻率達到信號頻率的1000倍以上，信號仿真輸出頻率達到信號頻率的100倍以上。

面對上述挑戰，恒潤科技提供基于TestBase的新能源汽車測試的解決方案。

3. 解決方案

3.1. BMS解決方案

電池管理系統多采用分布式結構，包括1個主控單元BMU和若干個單體檢測單元BCU，如下圖所示。

圖3-1 電池管理系統分布式結構圖

相應的，電池管理系統的HIL測試也可以分為BMS級測試和BMU級測試。

BMS級測試中，BMU和所有BCU都作為測試對象，HIL系統需要為BCU提供每一個單體的輸出電壓信號以及若干個溫度信號。由于BMS級別測試更側重 BMS對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、單體一致性檢測等功能，因而主要用在部件級測試中。

在BMU級測試中，BCU采用仿真的形式，HIL系統只需要通過CAN總線將BCU的相關報文發送給BMU即可，無需在硬件上模擬出單體電壓和溫度信號這種方式可以節省很大一部分的HIL系統硬件成本。BMU級測試多用于動力系統級或整車級的測試中。

3.2. MCU解決方案

新能源汽車動力系統中用到的電機一般為永磁同步電機，電機系統通常由電機本體、逆變器和電控單元MCU組成。

針對電機控制系統的測試一般可分為信號級和功率級，其區別主要在于是否將真實逆變器接入測試系統。

圖3-2 電機信號級測試原理

圖3-3 電機功率級測試原理

基于第二章所述的MCU測試的技術難點，恒潤科技提供了基于高性能FPGA的電機實時仿真方案。NI 的高性能FPGA板卡PXI 7966R滿足電機實時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控制信號采集;

2) 2MHz的高速DA輸出通道，用于旋變信號和三相電流信號仿真;

3) 強大的計算能力，在進行高速IO信號處理的同時，滿足電機模型的實時仿真需求，仿真步長可低于2us。

圖3-4 基于FPGA的電機仿真解決方案

本方案中MCU HIL測試相關的配置(除通用的HIL系統軟硬件配置外)包括：

型號說明

硬件PXI-7966RNI FlexRIO FPGA Module，用于電機的仿真

HS9202電機仿真適配模塊，含4個高速ADC采集通道(10MSPS)，8個高速DAC通道(10MSPS)，8個數字輸入通道，12個數字輸出通道。

在滿足MCU基本測試需求的同時，MCU測試解決方案還能夠提供多種被控對象故障的仿真功能，包括：

3.3. HCU解決方案

在HCU的測試解決方案中，模擬器需要模擬HCU需要的傳感器比如：油門踏板、制動踏板等，同時采集HCU的輸出信號比如：冷卻風扇、前置離合器等。HCU的復雜控制功能一般都是通過與BMS、MCU等相關控制器節點的協同工作來實現。

4. 總結

對比采用真實電池的BMS和真實電機的MCU測試，采用電池、電機仿真技術的HIL測試具有如下明顯的優點：

安全、節能：避免使用大功率充放電設備，避免了測試給試驗人員造成的安全隱患;

方便制造各種BMS、MCU故障，從而全面的測試BMS、MCU診斷功能;

通過軟硬件配置實現多種規格的電池組(單體數、電壓等級)仿真和電機仿真;