新能源汽车技术难点浅析及解决方案

新能源汽车技术难点浅析及解决方案
1. 概述 随着混合动力以及纯电动汽车的不断发展, 电机控制策略的复杂性和可靠性 日益提升。整车厂以及供应商对新能源控制器的开发环境的需求也在增长。 恒润科技提供了新能源汽车控制的整体解决方案, 可让工程师在实验室环境 下,完成对整车控制器(HCU) 、电池管理单元(BMS) 、电机控制器(MCU) 、 功能的验证。 可以模拟实车测试中遇到的所有工况范围,在实车试验之前即可对 ECU 功能进行全面测试。 本文将提供针对新能源车辆的 HCU、MCU 以及 BMS 三个控制器测试的解 决方案。 2. 技术难点 针对 BMS 的工作电压测试、 单体电池电压、 温度测试、 SOC 计算功能测试、 充放电控制测试、电池热平衡测试、高压安全功能测试、通讯测试、故障诊断测 试等等一系列测试,OEM 面临着诸多挑战。 采用真实的电池组测试 BMS 有着诸多的弊端: ? 极限工况模拟给测试人员带来安全隐患,例如过压、过流和过温,有可 能导致电池爆炸。 ? SOC 估计算法验证耗时长,真实的电池组充放电试验耗时一周甚至更长 的时间。 ? 模拟特定工况难度大,例如均衡功能测试时,制造电池单体间细微 SOC 差别,电池热平衡测试时,制造单体和电池包间细微的温度差别等。 ? 以及其他针对 BMS 功能测试,如电池组工作电压、单体电池电压、温 度、SOC 计算功能、充放电控制、电池热平衡、高压安全功能、均衡功 能、 通讯、 故障诊断、 传感器等一系列的测试, OEM 都面临着诸多挑战。 MCU 在研发过程中涉及被控对象的仿真。而电机本体的工作原理主要基于电 磁感应原理,其各物理量(如磁通量、感应电动势、电磁力等)的交互变化速度 远大于机械系统的力与速度的变化,为了保证较高的仿真精度,要求模型的仿真 步长要远小于一般机械系统模型的仿真步长。 相应的,区别于汽车上一般的电控系统,MCU 的特殊之处也是在于它具有 较高的控制频率和很高的输入信号频率。例如,MCU 对逆变器 IGBT 的 PWM 控制频率超过 10 kHz;电机反馈的电机位置旋变信号的频率可达 12 kHz 以上。

这就要求 HIL 实时仿真系统对 MCU 控制信号采集和电机传感器信号的仿真都要 达到很高的频率,一般要求采集频率达到信号频率的 1000 倍以上,信号仿真输 出频率达到信号频率的 100 倍以上。 面对上述挑战,恒润科技提供基于 TestBase 的新能源汽车测试的解决方案。 3. 解决方案 3.1. BMS 解决方案 电池管理系统多采用分布式结构,包括 1 个主控单元 BMU 和若干个单 体检测单元 BCU,如下图所示。

图 3-1 电池管理系统分布式结构图

相应的,电池管理系统的 HIL 测试也可以分为 BMS 级测试和 BMU 级 测试。 BMS 级测试中,BMU 和所有 BCU 都作为测试对象,HIL 系统需要为 BCU 提供每一个单体的输出电压信号以及若干个温度信号。由于 BMS 级别 测试更侧重 BMS 对电池包本身的管理功能, 例如单体电压采样、 温度采样、 SOC 估计、单体一致性检测等功能,因而主要用在部件级测试中。 在 BMU 级测试中,BCU 采用仿真的形式,HIL 系统只需要通过 CAN 总线将 BCU 的相关报文发送给 BMU 即可, 无需在硬件上模拟出单体电压和 温度信号这种方式可以节省很大一部分的 HIL 系统硬件成本。BMU 级测试 多用于动力系统级或整车级的测试中。 3.2. MCU 解决方案 新能源汽车动力系统中用到的电机一般为永磁同步电机, 电机系统通常由电 机本体、逆变器和电控单元 MCU 组成。

针对电机控制系统的测试一般可分为信号级和功率级, 其区别主要在于是否 将真实逆变器接入测试系统。

图 1-2 电机信号级测试原理
Power Level

Controller System under Test

Power Stage

Moter

Vehicle Mechanics

Simulated Test Environment

图 3-3 电机功率级测试原理

基于第二章所述的 MCU 测试的技术难点,恒润科技提供了基于高性能 FPGA 的电机实时仿真方案。NI 的高性能 FPGA 板卡 PXI 7966R 满足电机实时 仿真的所有特性需求,包括: 1) 40 MHz 的 PWM 采集通道,用于逆变器 IGBT 控制信号采集; 2) 2MHz 的高速 DA 输出通道,用于旋变信号和三相电流信号仿真;

3) 强大的计算能力,在进行高速 IO 信号处理的同时,满足电机模型的实 时仿真需求,仿真步长可低于 2us。

图 3-4 基于 FPGA 的电机仿真解决方案

本方案中 MCU HIL 测试相关的配置(除通用的 HIL 系统软硬件配置外)包 括:
型号 说明

PXI-7966R 硬件 HS9202

NI FlexRIO FPGA Module,用于电机的仿 真 电机仿真适配模块, 含 4 个高速 ADC 采集 通道( 10MSPS ), 8 个高速 DAC 通道 (10MSPS),8 个数字输入通道,12 个数 字输出通道。

在满足 MCU 基本测试需求的同时,MCU 测试解决方案还能够提供多种被 控对象故障的仿真功能,包括: ? 能模拟三相主动短路和主动开路工况下电机的稳态和瞬态电气特性 ? 能模拟转子永磁体退磁和失磁的特性。 ? 能模拟电机绕组同相匝间和相间短路及断路时的故障特性。 ? 能模拟电机散热不良对电机温升特性的影响。 ? 能模拟各个传感器的各类故障(短路、开路等失效模式) 3.3. HCU 解决方案 在 HCU 的测试解决方案中,模拟器需要模拟 HCU 需要的传感器比如:油 门踏板、制动踏板等,同时采集 HCU 的输出信号比如:冷却风扇、前置离合器

等。HCU 的复杂控制功能一般都是通过与 BMS、MCU 等相关控制器节点的协 同工作来实现。 4. 总结 对比采用真实电池的 BMS 和真实电机的 MCU 测试,采用电池、电机仿真 技术的 HIL 测试具有如下明显的优点: ? 安全、节能:避免使用大功率充放电设备,避免了测试给试验人员造成 的安全隐患; ? 方便制造各种 BMS、MCU 故障,从而全面的测试 BMS、MCU 诊断功 能; ? 通过软硬件配置实现多种规格的电池组(单体数、电压等级)仿真和电 机仿真; ? 可在线快速修改电池状态,如 SOC、温度等,提高测试效率; ? 通过修改模型参数即可实现电池老化、单体不一致等现象的模拟;
?

可模拟整车运行环境。


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