1、什么是BMS？

BMS（Battery?Management?System）全稱電池管理系統(tǒng)，是新能源汽車的核心系統(tǒng)之一。新能源汽車與傳統(tǒng)燃油車存在很大的不同，以純電動(dòng)汽車為例，它是以電池包為動(dòng)力來源的，那么電池包的狀態(tài)對(duì)純電動(dòng)汽車就尤為重要。而電池管理系統(tǒng)就是對(duì)電池組的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，精確預(yù)估電池剩余容量，對(duì)出現(xiàn)的故障及時(shí)報(bào)警，以便最大限度的延長電池的循環(huán)壽命，使電池工作在最佳狀態(tài)。BMS的主要功能如下圖所示：

?BMS主要功能圖

2、什么是HiL？

HiL（Hardware-in-the-Loop）硬件在環(huán)是計(jì)算機(jī)專業(yè)術(shù)語，也即是硬件在回路。通過使用“硬件在環(huán)”(HiL) ，可以顯著降低開發(fā)時(shí)間和成本。在過去，開發(fā)電氣機(jī)械元件或系統(tǒng)時(shí),使用計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)際的實(shí)驗(yàn)就已經(jīng)彼此獨(dú)立開來。然而通過使用硬件在環(huán)的方式，這兩個(gè)過程可以結(jié)合并展示出效率的極大提升。

硬件在環(huán)：即硬件在回路(HiL)，首先看一下下面三種情況的區(qū)別（如果將實(shí)際控制器的仿真稱為虛擬控制器，實(shí)際對(duì)象的仿真稱為虛擬對(duì)象，可得到控制系統(tǒng)仿真的3種形式：）

1）虛擬控制器+虛擬對(duì)象=動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)，是純粹的軟件系統(tǒng)仿真；

2）虛擬控制器+實(shí)際對(duì)象=快速控制原型(RCP)仿真系統(tǒng)，是系統(tǒng)的一種半實(shí)物仿真；

3）實(shí)際控制器+虛擬對(duì)象=硬件在回路(HiL)仿真系統(tǒng)，是系統(tǒng)的另一種半實(shí)物仿真 。

HiL目前主要有三大硬件平臺(tái)，包含NI平臺(tái)、Dspace平臺(tái)、ETAS平臺(tái)（已宣布退出HiL業(yè)務(wù)），下面方案主要以NI平臺(tái)進(jìn)行介紹。下面主要介紹BMS?HiL系統(tǒng)方案。

3、HiL系統(tǒng)方案架構(gòu)：

HiL測(cè)試系統(tǒng)整體架構(gòu)如下圖所示，主要包含三層內(nèi)容，第一層次為HiL測(cè)試系統(tǒng)軟硬件架構(gòu)，主要包括HiL測(cè)試系統(tǒng)的硬件設(shè)備、實(shí)驗(yàn)管理軟件、被測(cè)控制器等；第二層次為HiL測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)，在第一層次軟硬件架構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行被測(cè)對(duì)象仿真模型開發(fā)、實(shí)時(shí)I/O接口匹配、硬線信號(hào)匹配及實(shí)驗(yàn)定義等；第三層次為HiL測(cè)試，主要指在第一、二層次的基礎(chǔ)上進(jìn)行HiL測(cè)試，主要包括測(cè)試序列開發(fā)、激勵(lì)生成加載、模型參數(shù)調(diào)試、故障模擬實(shí)現(xiàn)及測(cè)試分析與評(píng)估等。

HiL測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

3.1、BMS HiL系統(tǒng)架構(gòu)：

BMS HiL測(cè)試系統(tǒng)主要包括：上位機(jī)（PC）、PXI機(jī)箱、處理器板卡、數(shù)據(jù)采集板卡、CAN卡、電池模擬器、高壓電源、低壓電源等，BMS HiL測(cè)試系統(tǒng)提供與BMS控制器硬件IO信號(hào)相對(duì)應(yīng)的資源及與BMS控制器控制策略相對(duì)應(yīng)的整車模型、電池模型。BMS系統(tǒng)一般包括主板、從板及高壓采集模塊，BMS HiL測(cè)試系統(tǒng)原理如下圖所示：

?BMS HiL測(cè)試系統(tǒng)原理示意圖

BMS HiL測(cè)試系統(tǒng)中上位機(jī)電腦安裝Veristand、Teststand軟件用于測(cè)試過程管理和測(cè)試序列編輯，通過以太網(wǎng)與PXI機(jī)箱中的實(shí)時(shí)處理器進(jìn)行連接，實(shí)時(shí)處理器中運(yùn)行實(shí)時(shí)系統(tǒng)（Real Time）并安裝Veristand終端引擎，通過與上位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸，將仿真模型部署到實(shí)時(shí)系統(tǒng)中并控制運(yùn)行狀態(tài)；PXI機(jī)箱中配置有多種類型的板卡，為系統(tǒng)提供不同類型的信號(hào)模擬和采集功能，通過PXI總線與實(shí)時(shí)處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

3.2、主要功能：

BMS?HiL測(cè)試系統(tǒng)主要功能包括：

• 提供電池單體電壓模擬；
• 提供電池單體溫度傳感器阻值信號(hào)模擬；
• 支持電池單體故障注入，包括單體電壓/溫度的采樣線斷路、采樣線短路、超閾值、單體極性反接等故障；
• 提供多通道高壓信號(hào)模擬；
• 提供絕緣電阻模擬；
• 提供電流傳感器信號(hào)模擬；
• 提供總線通訊信號(hào)模擬；
• 提供BMS系統(tǒng)其他輸入信號(hào)模擬；
• 提供BMS系統(tǒng)各種輸出信號(hào)采集；
• 支持低壓I/O信號(hào)故障注入；
• 集成動(dòng)態(tài)仿真模型，實(shí)現(xiàn)被測(cè)控制器的實(shí)時(shí)閉環(huán)測(cè)試；
• 支持模型變量在上位機(jī)界面實(shí)時(shí)修改，無需重新編譯模型；
• 支持上位機(jī)界面通道配置及參數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)被測(cè)控制器手動(dòng)測(cè)試；
• 支持測(cè)試用例編輯，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試，自動(dòng)生成測(cè)試報(bào)告；
• 支持NEDC等標(biāo)準(zhǔn)工況測(cè)試及自定義工況測(cè)試；
• 支持上位機(jī)界面實(shí)時(shí)查看所有通道數(shù)據(jù)，包括硬線、總線和模型數(shù)據(jù)；
• 支持BMS的功能測(cè)試，主要包括單體采集、高壓采集、電流采集、繼電器控制、單體均衡、SOC估算、熱管理及國標(biāo)交直流充電功能驗(yàn)證；

3.3、系統(tǒng)組成

BMS?HiL測(cè)試系統(tǒng)主要有硬件平臺(tái)、軟件平臺(tái)、控制模型三部分組成。

HiL系統(tǒng)組成圖

3.3.1硬件平臺(tái)：

BMS HiL測(cè)試系統(tǒng)采用分布式設(shè)計(jì)模式，上位機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，主要負(fù)責(zé)軟硬件配置和流程管理；下位機(jī)以PXI機(jī)箱、實(shí)時(shí)處理器及I/O板卡為核心，主要負(fù)責(zé)序列執(zhí)行與設(shè)備調(diào)用。系統(tǒng)硬件平臺(tái)由PXI機(jī)箱、實(shí)時(shí)處理器、I/O板卡、通訊板卡、電源管理模塊、故障注入板卡、高壓可編程電源、低壓可編程電源、電池模擬器、信號(hào)調(diào)理模塊、機(jī)柜及上位機(jī)電腦等組成。

?HiL 測(cè)試系統(tǒng)下位機(jī)實(shí)時(shí)系統(tǒng)參考圖

3.3.2軟件平臺(tái)

軟件平臺(tái)包括實(shí)驗(yàn)管理軟件和自動(dòng)化測(cè)試軟件，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)管理、故障注入、測(cè)試用例編輯及自動(dòng)化測(cè)試等功能。

?軟件平臺(tái)界面參考圖

本方案試驗(yàn)管理軟件基于NI VeriStand 軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)配置管理和測(cè)試管理。試驗(yàn)管理軟件是一款基于配置的專業(yè)實(shí)時(shí)測(cè)試與仿真軟件，無需編程即可創(chuàng)建測(cè)試應(yīng)用，快速將硬件I/O與多種環(huán)境下開發(fā)的仿真模型相集成，同時(shí)可以通過NI LabVIEW及其他軟件添加自定義與其他自動(dòng)化測(cè)試功能，在兼具靈活性與開放性的同時(shí)，降低系統(tǒng)開發(fā)難度，縮短開發(fā)時(shí)間。

本方案自動(dòng)化測(cè)試軟件基于NI TestStand軟件平臺(tái)，自動(dòng)化測(cè)試軟件是一款可立即執(zhí)行的測(cè)試管理軟件，它可以幫助用戶更快地開發(fā)自動(dòng)測(cè)試和驗(yàn)證系統(tǒng)。自動(dòng)化測(cè)試軟件主要功能包括：

? 可視化測(cè)試序列編輯環(huán)境

? 測(cè)試管理功能

? 測(cè)試執(zhí)行

? 多線程并行測(cè)試

? 用戶管理

? 測(cè)試報(bào)告管理

? 可自定義的操作員界面

? 源代碼控制整合

? 數(shù)據(jù)庫記錄

3.3.3仿真模型

仿真模型為HiL系統(tǒng)提供完整的虛擬環(huán)境，與被測(cè)ECU相應(yīng)的I/O信號(hào)和CAN信號(hào)通過硬件板卡進(jìn)行匹配，實(shí)現(xiàn)控制對(duì)象仿真模型與控制器輸入輸出信號(hào)之間的無縫連接，從而形成閉環(huán)測(cè)試環(huán)境。

BMS HiL測(cè)試系統(tǒng)仿真模型主要包括電池模型、整車模型、國標(biāo)充電樁模型、I/O模型、UDS模型等。

1) 模型滿足電動(dòng)汽車BMS功能測(cè)試要求；

2) 基于MATLAB/Simulink開發(fā)，能實(shí)現(xiàn)模型模塊化、參數(shù)化設(shè)置，模型精度高；

3) 支持以圖形用戶界面輸入數(shù)據(jù)；

4) 模型中各模塊所用參數(shù)可以實(shí)時(shí)在線修改，不需重新編譯下載模型；

5) 支持在MATLAB下離線仿真和在線仿真；

6) 滿足新能源硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求，整個(gè)仿真模型運(yùn)行于實(shí)時(shí)系統(tǒng)，模型整體解算步長≤1ms；

7) 所有模型均開源、規(guī)范、易讀，可進(jìn)行模型的二次開發(fā)，每個(gè)模塊有詳細(xì)的模型說明，方便用戶修改模型參數(shù)。

BMS HiL測(cè)試系統(tǒng)仿真模型參考圖

對(duì)于BMS HiL測(cè)試，需要建立動(dòng)力電池仿真模型，目的是根據(jù)車輛動(dòng)力學(xué)模型得到的電池電流激勵(lì)來仿真電池電壓的響應(yīng)情況。電池模型充分考慮了電池動(dòng)態(tài)特性，同時(shí)考慮到實(shí)際應(yīng)用中的電池單體存在不一致性的情況。

電池仿真模型支持三元、磷酸鐵鋰等各種類型鋰電池，包括電池單體模型及串聯(lián)電池組模型。

整車模型主要用于提供BMS HiL測(cè)試所需的整車信號(hào)，包括駕駛員 、車輛動(dòng)力學(xué)模型、電機(jī)模型、主減速器模型、道路及環(huán)境模型及虛擬控制器模型，為BMS測(cè)試提供虛擬整車環(huán)境。

充電樁模型包括快充模型和慢充模型，充電模型主要是實(shí)現(xiàn)充電槍、充電參數(shù)控制邏輯及故障模式設(shè)置等，模擬正常及故障狀態(tài)下的預(yù)充功能。在充電模式下，根據(jù)插槍動(dòng)作識(shí)別快慢充模式，自動(dòng)發(fā)出握手參數(shù)，并輸出相應(yīng)充電電壓、電流等參數(shù)，根據(jù)國標(biāo)要求可以設(shè)置相應(yīng)的故障類型完成故障模擬測(cè)試。

UDS模型主要是按照UDS協(xié)議實(shí)現(xiàn)被測(cè)控制器的參數(shù)標(biāo)定。能夠依據(jù)甲方提供的DID標(biāo)定協(xié)議在自動(dòng)化測(cè)試工步中完成參數(shù)標(biāo)定（如SOC寫入到BMS，并讀取BMS的SOC）。

I/O模型實(shí)現(xiàn)車輛仿真模型與被測(cè)控制器的信號(hào)連接。I/O模型包括傳感器信號(hào)輸出接口、執(zhí)行器信號(hào)采集接口、通信接口等。

4、HiL測(cè)試流程

HiL測(cè)試流程包含測(cè)試準(zhǔn)備、測(cè)試用例開發(fā)、測(cè)試工程搭建、測(cè)試調(diào)試、測(cè)試總結(jié)。

HiL測(cè)試流程圖

4.1、測(cè)試準(zhǔn)備

測(cè)試準(zhǔn)備包含：被測(cè)控制器接口分析、HiL設(shè)備硬件資源分配、控制器線束設(shè)計(jì)、被測(cè)件功能分析、測(cè)試計(jì)劃安排；

4.2、測(cè)試用例開發(fā)

測(cè)試用例開發(fā)方法研究是測(cè)試的關(guān)鍵點(diǎn)之一。采用合理的測(cè)試方法開發(fā)出合理有效的測(cè)試用例，不僅可以增加測(cè)試的覆蓋度而減少冗余重復(fù)的測(cè)試，也可以大大減小測(cè)試的時(shí)間而提高測(cè)試的效率。

測(cè)試用例開發(fā)包含：測(cè)試用例定義、測(cè)試用例開發(fā)方法（黑盒測(cè)試、白盒測(cè)試、基于經(jīng)驗(yàn)測(cè)試）、自動(dòng)化測(cè)試用例開發(fā)；

4.3、測(cè)試工程搭建

測(cè)試工程搭建主要是測(cè)試工程師是基于實(shí)驗(yàn)管理軟件和自動(dòng)化測(cè)試軟件進(jìn)行測(cè)試工程的搭建，包含：軟硬件工程配置、測(cè)試界面搭建、模型配置、通訊配置等等；

4.4、測(cè)試調(diào)試

1）冒煙測(cè)試：測(cè)試工程搭建完成后，連接被測(cè)控制器，需要對(duì)被測(cè)控制器和HiL測(cè)試設(shè)備做冒煙測(cè)試，驗(yàn)證設(shè)備連接與原件是否有基本的問題。冒煙測(cè)試有測(cè)試人員和開發(fā)人員共同完成，在測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)問題，測(cè)試人員找到了一個(gè)Bug，然后開發(fā)人員會(huì)來修復(fù)這個(gè)Bug，冒煙測(cè)試是否通過決定了下一輪系統(tǒng)測(cè)試是否可以執(zhí)行。

2）接口測(cè)試：接口測(cè)試是只有被測(cè)控制器，沒有和整車仿真模型形成閉環(huán)的測(cè)試，屬于開環(huán)測(cè)試。接口測(cè)試通過人為賦值模擬VCU、MCU等外部控制器與被測(cè)控制器之間的數(shù)據(jù)交互，驗(yàn)證被測(cè)控制器數(shù)據(jù)交互是否正常，側(cè)重信號(hào)交互驗(yàn)證。一般接口測(cè)試如果有測(cè)試程序，可以自動(dòng)測(cè)試，如果沒有測(cè)試程序，可手動(dòng)測(cè)試。

3）自動(dòng)化測(cè)試：被測(cè)控制器和整車仿真模型形成閉環(huán)的測(cè)試，屬于閉環(huán)測(cè)試。閉環(huán)測(cè)試通過模擬操作駕駛室變量，使整車模型與被測(cè)控制器自動(dòng)數(shù)據(jù)交互，驗(yàn)證被測(cè)控制器軟件策略，側(cè)重功能和性能驗(yàn)證。

4）測(cè)試報(bào)告：通過HiL測(cè)試管理軟件加載測(cè)試序列，執(zhí)行測(cè)試，輸出測(cè)試報(bào)告。

4.5、測(cè)試總結(jié)

測(cè)試完成，在被測(cè)功能達(dá)到測(cè)試通過標(biāo)準(zhǔn)后，需要對(duì)HiL測(cè)試工作進(jìn)行總結(jié)和整理，并生成及編制HiL測(cè)試總結(jié)。HiL測(cè)試總結(jié)主要包括以下內(nèi)容：HiL測(cè)試環(huán)境、測(cè)試周期、測(cè)試人員及測(cè)試內(nèi)容等、測(cè)試過程中的問題統(tǒng)計(jì)與分析，并對(duì)測(cè)試遺留問題進(jìn)行記錄、測(cè)試結(jié)束后檢查所做的測(cè)試工作及完成情況，提交工作成果，包括：測(cè)試用例說明文檔，測(cè)試矩陣文檔，可執(zhí)行文件及生成的測(cè)試報(bào)告等。

5、總結(jié)：

硬件在環(huán)仿真測(cè)試系統(tǒng)是以實(shí)時(shí)處理器運(yùn)行仿真模型來模擬受控對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)，通過I/O接口與被測(cè)的ECU連接，對(duì)被測(cè)ECU進(jìn)行全方面的、系統(tǒng)的測(cè)試。從安全性、可行性和合理的成本上考慮，HiL硬件在環(huán)仿真測(cè)試已經(jīng)成為ECU開發(fā)流程中非常重要的一環(huán)，減少了實(shí)車路試的次數(shù)，縮短開發(fā)時(shí)間和降低成本的同時(shí)提高ECU的軟件質(zhì)量，降低汽車廠的風(fēng)險(xiǎn)。在新能源汽車領(lǐng)域中，HiL硬件在環(huán)仿真測(cè)試對(duì)于核心電控系統(tǒng)：整車控制系統(tǒng)、BMS電池管理系統(tǒng)、MCU電機(jī)控制器、車身系統(tǒng)、底盤懸架、ADAS輔助駕駛等都極為重要。

近年來隨著資本對(duì)汽車行業(yè)的密集投入，新能源汽車HiL測(cè)試工程師崗位需求量大，薪資也在不斷增加，目前工程師薪資已到達(dá)20K-50K，從長遠(yuǎn)的職業(yè)規(guī)劃角度來考慮HiL測(cè)試工程師是一個(gè)可持續(xù)發(fā)展的崗位。大家可以一起交流學(xué)習(xí)新能源汽車相關(guān)知識(shí)。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的一篇文章带你了解新能源汽车电池管理系统BMS 硬件在环（HiL）仿真测试的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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