新能源汽車技術(shù)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(fā)展，電機控制策略的復(fù)雜性和可靠性日益提升。整車廠以及供應(yīng)商對新能源控制器的開發(fā)環(huán)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(huán)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(shù)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(zhàn)。

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(zhàn)。MCU在研發(fā)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(yīng)原理，其各物理量(如磁通量、感應(yīng)電動勢、電磁力等)的交互變化速度遠大于機械系統(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要遠小于一般機械系統(tǒng)模型的仿真步長。

相應(yīng)的，區(qū)別于汽車上一般的電控系統(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(tǒng)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(zhàn)，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(tǒng)多采用分布式結(jié)構(gòu)，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(tǒng)分布式結(jié)構(gòu)圖

相應(yīng)的，電池管理系統(tǒng)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(tǒng)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(cè)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(tǒng)只需要通過CAN總線將BCU的相關(guān)報文發(fā)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(jié)省很大一部分的HIL系統(tǒng)硬件成本。BMU級測試多用于動力系統(tǒng)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(tǒng)中用到的電機一般為永磁同步電機，電機系統(tǒng)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(tǒng)的測試一般可分為信號級和功率級，其區(qū)別主要在于是否將真實逆變器接入測試系統(tǒng)。

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(shù)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(guān)的配置(除通用的HIL系統(tǒng)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(shù)字輸入通道，12個數(shù)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(fù)雜控制功能一般都是通過與BMS、MCU等相關(guān)控制器節(jié)點的協(xié)同工作來實現(xiàn)。

4. 總結(jié)

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(shù)的HIL測試具有如下明顯的優(yōu)點：

安全、節(jié)能：避免使用大功率充放電設(shè)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(xiàn)多種規(guī)格的電池組(單體數(shù)、電壓等級)仿真和電機仿真;