本文作者：

中國汽車技術(shù)研究中心電子電控開發(fā)部工程師 丁健

中國汽車技術(shù)研究中心電子電控開發(fā)部工程師 尹可欣

傳統(tǒng)的信號級HIL測試在BMS功能策略驗證層面已經(jīng)非常成熟，但電池包性能驗證能力嚴重不足。道路測試可以提供最真實的電池包性能，但測試條件覆蓋范圍過窄，要求較高。為解決這個挑戰(zhàn)，廠商們開始采用電池在環(huán)(BIL)測試解決方案，該方案在很大程度上填補了HIL測試與道路測試之間的測試空缺。

電池測試在不斷發(fā)展的中國市場中的發(fā)展歷程

汽車產(chǎn)業(yè)作為中國重要的戰(zhàn)略方向，正處于商業(yè)化初期，技術(shù)發(fā)展迅速，產(chǎn)業(yè)布局加快，產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨機遇、風險和挑戰(zhàn)。在此背景下，純電動汽車在提高經(jīng)濟和產(chǎn)業(yè)競爭力、吸引主要可開發(fā)市場投資方面潛力巨大。為了避免汽車軟件的功能安全問題，汽車行業(yè)制定了汽車功能安全標準ISO 26262，這是目前汽車行業(yè)最重要的國際標準。該標準主要通過避免汽車電氣和電子(E/E)系統(tǒng)故障行為可能導致的危險來提高E/E系統(tǒng)的功能安全性。

EV設(shè)計和驗證中電池測試的復雜性

根據(jù)各國對電動汽車的研究，存在一個普遍現(xiàn)象：電池是整個電動汽車研究領(lǐng)域中問題最多的零部件。在設(shè)計過程中，為保證電池系統(tǒng)安全，除電芯特性、電池模組設(shè)計、電池包結(jié)構(gòu)和排氣設(shè)計外，電池管理系統(tǒng)(BMS)最為重要。許多新能源汽車企業(yè)都將電池管理系統(tǒng)作為企業(yè)核心技術(shù)。近年來，行業(yè)領(lǐng)先的OEM所申請的核心知識產(chǎn)權(quán)大多與電池相關(guān)，可見動力電池系統(tǒng)對電動汽車的重要性。

電動汽車控制器的開發(fā)和測試一般采用V周期開發(fā)流程（如圖1所示），可提高開發(fā)效率、降低開發(fā)風險并減少工作量。V周期開發(fā)過程可完成系統(tǒng)需求、功能需求、軟硬件設(shè)計、模型驗證(MIL/SIL)、 硬件在環(huán)測試(HIL)以及實車測試，其中控制器的HIL測試起著關(guān)鍵作用。硬件在環(huán)測試平臺可用于構(gòu)建虛擬控制器運行環(huán)境，通過給出一些輸入信號和檢測輸出信號來驗證控制器功能。

圖01 V周期開發(fā)流程

傳統(tǒng)的信號級HIL測試在BMS功能策略驗證層面已經(jīng)非常成熟，但電池包性能驗證能力嚴重不足。通過道路測試可獲得最真實的電池包性能。但其測試條件覆蓋范圍過窄，對測試條件要求很高。而且如果要在特定環(huán)境下進行實車測試，例如高溫或低溫極端條件，則對環(huán)境的要求更高。

中國汽車技術(shù)研究中心的電池在環(huán)實時仿真平臺

為提高用戶電池包性能測試的真實性和可靠性，中國汽車技術(shù)研究中心（天津）汽車工程研究院有限公司通過仿真和測試，提出了一套電池在環(huán)(BIL)測試解決方案。BIL測試很大程度上填補了HIL測試與道路測試之間的測試空缺。與道路測試相比，BIL測試可最大限度減少對現(xiàn)場、環(huán)境和車輛的需求，優(yōu)勢明顯。BIL和實車測試的優(yōu)缺點如表1所示。

表01 不同測試方法的比較

其系統(tǒng)框架包括負載仿真、環(huán)境仿真、DUT和車輛仿真4個主要部分，如圖2所示。在虛擬工作條件、虛擬道路和虛擬能源需求下，系統(tǒng)控制真實充放電系統(tǒng)。真實環(huán)境測試系統(tǒng)可輕松仿真各種真實路況并獲取實驗數(shù)據(jù)。

圖02 電池在環(huán)測試系統(tǒng)框架

中國汽車技術(shù)研究中心專門實現(xiàn)了電池在環(huán)測試方案。如圖3所示，整個系統(tǒng)配備了環(huán)境室、水冷卻器、虛擬負載等設(shè)備，以實現(xiàn)電池在特定工作條件下的真實狀態(tài)測試。其中，電池的虛擬負載既是充電樁，也是用于對電池包進行充放電的負載。主控系統(tǒng)通過CAN協(xié)議與電池虛擬負載、電池包環(huán)境仿真系統(tǒng)和BMS通信；BMS通過CAN協(xié)議實現(xiàn)快速充電功能。電池包冷卻/加熱系統(tǒng)主要實現(xiàn)電池的熱管理功能，并通過以太網(wǎng)與主控系統(tǒng)連接，主要由LabVIEW進行控制。其中，車輛動力學模型和道路模型由CarMaker構(gòu)建，其他策略算法模型使用MathWorks® MATLAB®軟件和Simulink®軟件構(gòu)建。

該系統(tǒng)具有以下3個優(yōu)點：

01 可輕松仿真各種真實路況和極端工作條件，大大減少實車測試的需求和時間。

02 精準回放實車數(shù)據(jù)，并有效地找到目標性能提升解決方案。

03 接口開放靈活，可適應(yīng)各種車型需求。

圖03 電池在環(huán)測試方案

在行業(yè)合作生態(tài)方面，中國汽車技術(shù)研究中心已為一家行業(yè)領(lǐng)先的車企提供了電池在環(huán)測試服務(wù)。中國汽車技術(shù)研究中心提供了大量的測試用例和豐富的駕駛場景庫，并搭建了完整的BIL仿真測試平臺。該測試平臺包括Vehicle Dynamics CarMaker等軟件、使用NI TestStand的自動化測試，以及HIL機柜、電池包、充放電設(shè)備和水冷卻器等硬件。通過BIL測試系統(tǒng)，可實現(xiàn)SOX、循環(huán)壽命、容量校準、DCR、脈沖充放電特性、過充/過放率、熱管理等測試項目。BIL測試平臺可自定義測試場景、更好地再現(xiàn)實車及環(huán)境的真實狀態(tài)、仿真冬季/夏季標準工作條件，并完成實車電池包充放電性能測試需求。

以放電條件為例，BIL測試系統(tǒng)的主要測試步驟為：

·配置與實車一致的CarMaker動力學參數(shù)、搭建虛擬道路，并設(shè)置目標車輛速度曲線。

·控制充放電設(shè)備，將電池SOC調(diào)整到測試的初始值。

·設(shè)置環(huán)境室溫度，并將電芯溫度調(diào)整至測試初始值。

·設(shè)置水冷卻器的溫度和流量，并將電池水路循環(huán)調(diào)節(jié)至測試初始狀態(tài)。

·仿真實車交互以實現(xiàn)低壓/高壓上電。

·通過CarMaker仿真獲取放電能量需求。

·控制放電設(shè)備對電池充放電，直至測試條件結(jié)束。

此外，通過BIL測試系統(tǒng)，可在接近實車的環(huán)境中，精確控制過充、過放、過流、過溫等極端工作條件。充分驗證安全目標，實現(xiàn)GB/T 39086-2020電動汽車電池管理系統(tǒng)功能安全要求的驗證要求。

未來，中國汽車技術(shù)研究中心將繼續(xù)：

·專注于汽車工程應(yīng)用技術(shù)的研發(fā)

·為汽車企業(yè)及相關(guān)政府部門提供汽車性能工程開發(fā)、共性關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與驗證測試以及相關(guān)政策和技術(shù)咨詢服務(wù)

·攜手NI，為智能汽車企業(yè)和科研機構(gòu)提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)

·提前布局，滿足高水平自動駕駛功能的監(jiān)管要求和實驗室能力建設(shè)，引領(lǐng)汽車行業(yè)關(guān)鍵和共性技術(shù)進步