新能源汽車發展道路技術難點淺析及解決方案

1.概述

隨著混合動力和純電動汽車的不斷發展，電機控制策略的復雜性和可靠性都在增加。汽車制造商和供應商對新能源控制器開發環境的需求也在增加。

目前，一種新的新能源汽車整體解決方案已經推出，允許工程師在實驗室環境中完成車輛控制器（HCU）、電池管理單元（BMS）、電機控制器（MCU）和功能的驗證。它可以模擬實車測試中遇到的所有工況，在實車測試之前可以對ECU功能進行全面測試。

本文將為新能源汽車的HCU、MCU和BMS控制器的測試提供一個解決方案。

2.技術難點

OEM面臨著BMS工作電壓測試、電池電壓測試、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、通信測試、故障診斷測試等一系列測試的諸多挑戰。

使用實際電池組測試BMS有許多缺點：

A.模擬極端工作條件給測試人員帶來了潛在的安全隱患，如過電壓、過電流和過熱，可能導致電池爆炸。

B.SOC估計算法的驗證需要很長時間，真正的電池充放電測試需要一周甚至更長時間。

C.很難模擬特定的工作條件，例如在平衡功能測試期間制造電池之間的細微SOC差異，以及在電池熱平衡測試期間制造細胞與電池艙之間的細微溫差。

D.以及其他BMS功能測試，如電池工作電壓、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、通信、故障診斷、傳感器等一系列測試，OEM面臨著許多挑戰。

MCU在研發過程中涉及到對被控對象的仿真。電機本體的工作原理主要基于電磁感應原理，其物理量（如磁通量、感應電動勢、電磁力等）的交互變化速度遠快于機械系統的力和速度的變化。為了保證高仿真精度，要求模型的仿真步長比一般機械系統模型的仿真步驟小得多。

相應地，與汽車中的通用電氣控制系統不同，MCU的特殊之處在于它具有高控制頻率和高輸入信號頻率。例如，逆變器IGBT的MCU的PWM控制頻率超過10kHz

; 電機反饋的電機位置分解器信號的頻率可以達到12 kHz以上。這需要HIL實時仿真系統以非常高的頻率獲取MCU控制信號并模擬電機傳感器信號。一般情況下，采集頻率要求為信號頻率的1000倍以上，信號模擬輸出頻率為信號頻率100倍以上。

步驟3：解決方案

3.1.BMS解決方案

電池管理系統大多采用分布式結構，包括一個主控制單元BMU和幾個單體檢測單元BCU，如下圖所示。

電池管理系統分布式結構圖

因此，電池管理系統的HIL測試也可以分為BMS測試和BMU測試。

在BMS水平測試中，BMU和所有BCU是測試對象，HIL系統需要向BCU提供每個單體的輸出電壓信號和幾個溫度信號。BMS級測試主要用于組件級測試，因為它更關注BMS對電池組本身的管理功能，如電池電壓采樣、溫度采樣、SOC估計、電池一致性檢測等。

在BMU級測試中，對BCU進行了模擬，HIL系統只需要通過CAN總線將BCU的相關信息發送到BMU，而無需在硬件上模擬單個電壓和溫度信號，這可以節省HIL系統的大部分硬件成本。BMU級測試主要用于電力系統級或車輛級測試。

3.2.MCU解決方案

新能源汽車動力系統中使用的電機一般為永磁同步電機，電機系統通常由電機本體、逆變器和電子控制單元MCU組成。

電機控制系統的測試通常可以分為信號電平和功率電平，區別主要在于實際的逆變器是否連接到測試系統。

電機信號電平測試原理

電機功率電平測試原理

基于MCU測試的技術難點，恒潤科技提供了一種基于高性能FPGA的電機實時仿真方案。NI的高性能FPGA板PXI 7966R滿足實時電機仿真的所有特性，包括：

1） 40MHz PWM采集通道，用于逆變器IGBT控制信號采集；

2） 用于分解器信號和三相電流信號模擬的2MHz高速DA輸出通道；

3） 強大的計算能力，在處理高速IO信號的同時，可以滿足電機模型的實時仿真要求，仿真步驟可以小于2us。

基于FPGA的電機仿真解決方案

本方案中與MCU HIL測試相關的配置（除了一般的HIL系統硬件和軟件配置外）包括：

模型

解釋

硬件

PXI-7966R型

用于電機模擬的NI FlexRIO FPGA模塊。

HS9202型

電機模擬適配模塊，包括4個高速ADC采集通道（10MSPS）、8個高速DAC通道（10MSP）、8條數字輸入通道和12條數字輸出通道。

MCU測試解決方案在滿足MCU基本測試要求的同時，還可以為被控對象的故障提供多種模擬功能，包括：

A.可以模擬電動機在三相有源短路和有源開路條件下的穩態和瞬態電氣特性。

B它可以模擬轉子永磁體的去磁和去磁特性。

C、可以模擬電機繞組同相匝間、相間短路和開路的故障特性。

D、可以模擬電機散熱不良對電機溫升特性的影響。

E、可以模擬每個傳感器的各種故障（短路、斷路等故障模式）。

3.3.HCU溶液

在HCU的測試解決方案中，模擬器需要模擬HCU所需的傳感器，如加速踏板和制動踏板，并收集HCU的輸出信號，如冷卻風扇和前離合器。HCU的復雜控制功能通常是通過與BMS、MCU等相關控制器節點協作來實現的。

步驟4總結

與BMS與實際電池和MCU與實際電機的測試相比，采用電池和電機仿真技術的HIL測試具有以下明顯優勢：

1.安全節能：避免使用大功率充放電設備，避免測試對測試人員造成安全隱患；

2.方便制作各種BMS和MCU故障，從而全面測試BMS和MCU的診斷功能；

3.通過軟硬件配置實現各種規格的電池組（電池數量、電壓電平）仿真和電機仿真；

4.電池狀態，如SOC和溫度，可以在線快速修改，以提高測試效率；

5.通過修改模型參數，可以模擬電池老化和單體不一致性；

6.可以模擬整車的運行環境。1.概述

隨著混合動力和純電動汽車的不斷發展，電機控制策略的復雜性和可靠性都在增加。汽車制造商和供應商對新能源控制器開發環境的需求也在增加。

目前，一種新的新能源汽車整體解決方案已經推出，允許工程師在實驗室環境中完成車輛控制器（HCU）、電池管理單元（BMS）、電機控制器（MCU）和功能的驗證。它可以模擬實車測試中遇到的所有工況，在實車測試之前可以對ECU功能進行全面測試。

本文將為新能源汽車的HCU、MCU和BMS控制器的測試提供一個解決方案。

2.技術難點

OEM面臨著BMS工作電壓測試、電池電壓測試、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、通信測試、故障診斷測試等一系列測試的諸多挑戰。

使用實際電池組測試BMS有許多缺點：

A.模擬極端工作條件給測試人員帶來了潛在的安全隱患，如過電壓、過電流和過熱，可能導致電池爆炸。

B.SOC估計算法的驗證需要很長時間，真正的電池充放電測試需要一周甚至更長時間。

C.很難模擬特定的工作條件，例如在平衡功能測試期間制造電池之間的細微SOC差異，以及在電池熱平衡測試期間制造細胞與電池艙之間的細微溫差。

D.以及其他BMS功能測試，如電池工作電壓、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、通信、故障診斷、傳感器等一系列測試，OEM面臨著許多挑戰。

MCU在研發過程中涉及到對被控對象的仿真。電機本體的工作原理主要基于電磁感應原理，其物理量（如磁通量、感應電動勢、電磁力等）的交互變化速度遠快于機械系統的力和速度的變化。為了保證高仿真精度，要求模型的仿真步長比一般機械系統模型的仿真步驟小得多。

相應地，與汽車中的通用電氣控制系統不同，MCU的特殊之處在于它具有高控制頻率和高輸入信號頻率。例如，逆變器IGBT的MCU的PWM控制頻率超過10kHz

; 電機反饋的電機位置分解器信號的頻率可以達到12 kHz以上。這需要HIL實時仿真系統以非常高的頻率獲取MCU控制信號并模擬電機傳感器信號。一般情況下，采集頻率要求為信號頻率的1000倍以上，信號模擬輸出頻率為信號頻率100倍以上。

步驟3：解決方案

3.1.BMS解決方案

電池管理系統大多采用分布式結構，包括一個主控制單元BMU和幾個單體檢測單元BCU，如下圖所示。

電池管理系統分布式結構圖

因此，電池管理系統的HIL測試也可以分為BMS測試和BMU測試。

在BMS水平測試中，BMU和所有BCU是測試對象，HIL系統需要向BCU提供每個單體的輸出電壓信號和幾個溫度信號。BMS級測試主要用于組件級測試，因為它更關注BMS對電池組本身的管理功能，如電池電壓采樣、溫度采樣、SOC估計、電池一致性檢測等。

在BMU級測試中，對BCU進行了模擬，HIL系統只需要通過CAN總線將BCU的相關信息發送到BMU，而無需在硬件上模擬單個電壓和溫度信號，這可以節省HIL系統的大部分硬件成本。BMU級測試主要用于電力系統級或車輛級測試。

3.2.MCU解決方案

新能源汽車動力系統中使用的電機一般為永磁同步電機，電機系統通常由電機本體、逆變器和電子控制單元MCU組成。

電機控制系統的測試通常可以分為信號電平和功率電平，區別主要在于實際的逆變器是否連接到測試系統。

電機信號電平測試原理

電機功率電平測試原理

基于MCU測試的技術難點，恒潤科技提供了一種基于高性能FPGA的電機實時仿真方案。NI的高性能FPGA板PXI 7966R滿足實時電機仿真的所有特性，包括：

1） 40MHz PWM采集通道，用于逆變器IGBT控制信號采集；

2） 用于分解器信號和三相電流信號模擬的2MHz高速DA輸出通道；

3） 強大的計算能力，在處理高速IO信號的同時，可以滿足電機模型的實時仿真要求，仿真步驟可以小于2us。

基于FPGA的電機仿真解決方案

本方案中與MCU HIL測試相關的配置（除了一般的HIL系統硬件和軟件配置外）包括：

模型

解釋

硬件

PXI-7966R型

用于電機模擬的NI FlexRIO FPGA模塊。

HS9202型

電機模擬適配模塊，包括4個高速ADC采集通道（10MSPS）、8個高速DAC通道（10MSP）、8條數字輸入通道和12條數字輸出通道。

MCU測試解決方案在滿足MCU基本測試要求的同時，還可以為被控對象的故障提供多種模擬功能，包括：

A.可以模擬電動機在三相有源短路和有源開路條件下的穩態和瞬態電氣特性。

B它可以模擬轉子永磁體的去磁和去磁特性。

C、可以模擬電機繞組同相匝間、相間短路和開路的故障特性。

D、可以模擬電機散熱不良對電機溫升特性的影響。

E、可以模擬每個傳感器的各種故障（短路、斷路等故障模式）。

3.3.HCU溶液

在HCU的測試解決方案中，模擬器需要模擬HCU所需的傳感器，如加速踏板和制動踏板，并收集HCU的輸出信號，如冷卻風扇和前離合器。HCU的復雜控制功能通常是通過與BMS、MCU等相關控制器節點協作來實現的。

步驟4總結

與BMS與實際電池和MCU與實際電機的測試相比，采用電池和電機仿真技術的HIL測試具有以下明顯優勢：

1.安全節能：避免使用大功率充放電設備，避免測試對測試人員造成安全隱患；

2.方便制作各種BMS和MCU故障，從而全面測試BMS和MCU的診斷功能；

3.通過軟硬件配置實現各種規格的電池組（電池數量、電壓電平）仿真和電機仿真；

4.電池狀態，如SOC和溫度，可以在線快速修改，以提高測試效率；

5.通過修改模型參數，可以模擬電池老化和單體不一致性；

6.可以模擬整車的運行環境。

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