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

1.概述

隨著混合動力以及純電動汽車的不斷發(fā)展，電機(jī)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(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，完成對整車控制器(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)車測試中遇到的所有工況范圍，在實(shí)車試驗(yàn)之前即可對ECU功能進(jìn)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(gè)控制器測試的解決方案。

2.技術(shù)難點(diǎn)

針對BMS的工作電壓測試、單體電池電壓、溫度測試、SOC計(jì)算功能測試、充放電控制測試、電池?zé)崞胶鉁y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(shí)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(dǎo)致電池爆炸。

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

模擬特定工況難度大，例如均衡功能測試時(shí)，制造電池單體間細(xì)微SOC差別，電池?zé)崞胶鉁y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BMS功能測試，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)崞胶狻⒏邏喊踩δ堋⒕夤δ堋⑼ㄓ崱⒐收显\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(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)電動勢、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要遠(yuǎn)小于一般機(jī)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10kHz;電機(jī)反饋的電機(jī)位置旋變信號的頻率可達(dá)12kHz以上。這就要求HIL實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)對MCU控制信號采集和電機(jī)傳感器信號的仿真都要達(dá)到很高的頻率，一般要求采集頻率達(dá)到信號頻率的1000倍以上，信號仿真輸出頻率達(dá)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(gè)主控單元BMU和若干個(gè)單體檢測單元BCU，如下圖所示。

圖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(gè)單體的輸出電壓信號以及若干個(gè)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(jì)、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(bào)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(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。

針對電機(jī)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(shí)逆變器接入測試系統(tǒng)。

圖2電機(jī)信號級測試原理

圖3電機(jī)功率級測試原理

基于第二章所述的MCU測試的技術(shù)難點(diǎn)，恒潤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PXI7966R滿足電機(jī)實(shí)時(shí)仿真的所有特性需求，包括：

1)40MHz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(qiáng)大的計(jì)算能力，在進(jìn)行高速IO信號處理的同時(shí)，滿足電機(jī)模型的實(shí)時(shí)仿真需求，仿真步長可低于2us。

圖4基于FPGA的電機(jī)仿真解決方案

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

在滿足MCU基本測試需求的同時(shí)，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：

能模擬三相主動短路和主動開路工況下電機(jī)的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)電氣特性

能模擬轉(zhuǎn)子永磁體退磁和失磁的特性。

能模擬電機(jī)繞組同相匝間和相間短路及斷路時(shí)的故障特性。

能模擬電機(jī)散熱不良對電機(jī)溫升特性的影響。

能模擬各個(gè)傳感器的各類故障(短路、開路等失效模式)

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(shí)采集HCU的輸出信號比如：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與BMS、MCU等相關(guān)控制器節(jié)點(diǎn)的協(xié)同工作來實(shí)現(xiàn)。

4.總結(jié)

對比采用真實(shí)電池的BMS和真實(shí)電機(jī)的MCU測試，采用電池、電機(jī)仿真技術(shù)的HIL測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，從而全面的測試BMS、MCU診斷功能;

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

可在線快速修改電池狀態(tài)，如SOC、溫度等，提高測試效率;

通過修改模型參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)電池老化、單體不一致等現(xiàn)象的模擬;

可模擬整車運(yùn)行環(huán)境。