中国汽车技术研究中心使用电池在环仿真跟随电池测试趋势

电池测试在不断发展的中国市场中的发展历程

汽车产业作为中国重要的战略方向，正处于商业化初期，技术发展迅速，产业布局加快，产业发展面临机遇、风险和挑战。在此背景下，纯电动汽车在提高经济和产业竞争力、吸引主要可开发市场投资方面潜力巨大。为了避免汽车软件的功能安全问题，汽车行业制定了《汽车功能安全标准》ISO 26262，这是目前汽车行业最重要的国际标准。该标准主要通过避免汽车电气和电子(E/E)系统故障行为可能导致的危险来提高E/E系统的功能安全性。

EV设计和验证中电池测试的复杂性

根据各国对电动汽车的研究，存在一个普遍现象：电池是整个电动汽车研究领域中问题最多的零部件。在设计过程中，为保证电池系统安全，除电芯特性、电池模组设计、电池包结构和排气设计外，电池管理系统(BMS)最为重要。许多新能源汽车企业都将电池管理系统作为企业核心技术。近年来，行业领先的OEM所申请的核心知识产权大多与电池相关，可见动力电池系统对电动汽车的重要性。

图1： ^{V周期开发流程。}

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电动汽车控制器的开发和测试一般采用V周期开发流程（如图01所示），可提高开发效率、降低开发风险并减少工作量。V周期开发过程可完成系统需求、功能需求、软硬件设计、模型验证(MIL/SIL)、硬件在环测试(HIL)以及实车测试，其中控制器的HIL测试起着关键作用。硬件在环测试平台可用于构建虚拟控制器运行环境，通过给出一些输入信号和检测输出信号来验证控制器功能。

传统的信号级HIL测试在BMS功能策略验证层面已经非常成熟，但电池包性能验证能力严重不足。通过实车道路/现场测试可获得最真实的电池包性能。但其测试条件覆盖范围过窄，对测试条件要求很高。而且如果要在特定环境下进行实车测试，例如高温或低温极端条件，则对环境的要求更高。

中国汽车技术研究中心的电池在环实时仿真平台

为提高用户电池包性能测试的真实性和可靠性，中国汽车技术研究中心（天津）汽车工程研究院有限公司通过仿真和测试，提出了一套电池在环(BIL)测试解决方案。BIL测试很大程度上填补了HIL测试与实车道路/现场测试之间的测试空缺。与实车道路/现场测试相比，BIL测试可最大限度减少对现场、环境和车辆的需求，优势明显。BIL和实车测试的优缺点如表01所示。 

^{表1：不同测试方法的比较}

其系统框架包括负载仿真、环境仿真、DUT和车辆仿真4个主要部分，如图02所示。在虚拟工作条件、虚拟道路和虚拟能源需求下，系统控制真实充放电系统。真实环境测试系统可轻松仿真各种真实路况并获取实验数据。

^{图2：电池在环测试系统框架}

中国汽车技术研究中心专门实现了电池在环测试方案。如图03所示，整个系统配备了环境室、水冷却器、虚拟负载等设备，以实现电池在特定工作条件下的真实状态测试。其中，电池的虚拟负载既是充电桩，也是用于对电池包进行充放电的负载。主控系统通过CAN协议与电池虚拟负载、电池包环境仿真系统和BMS通信；BMS通过CAN协议实现快速充电功能。电池包冷却/加热系统主要实现电池的热管理功能，并通过以太网与主控系统连接，主要由LabVIEW进行控制。其中，车辆动力学模型和道路模型由CarMaker构建，其他策略算法模型使用MathWorks® MATLAB®软件和Simulink®软件构建。该系统具有以下3个优点： 

• 可轻松仿真各种真实路况和极端工作条件，大大减少实车测试的需求和时间。
• 精准回放实车数据，并有效地找到目标性能提升解决方案。
• 接口开放灵活，可适应各种车型需求。

^{图3：电池在环测试方案}

在行业合作生态方面，中国汽车技术研究中心已为一家行业领先的车企提供了电池在环测试服务。中国汽车技术研究中心提供了大量的测试用例和丰富的驾驶场景库，并搭建了完整的BIL仿真测试平台。该测试平台包括Vehicle Dynamics CarMaker等软件、使用NI TestStand的自动化测试，以及HIL机柜、电池包、充放电设备和水冷却器等硬件。通过BIL测试系统，可实现SOX、循环寿命、容量校准、DCR、脉冲充放电特性、过充/过放率、热管理等测试项目。BIL测试平台可自定义测试场景、更好地再现实车及环境的真实状态、仿真冬季/夏季标准工作条件，并完成实车电池包充放电性能测试需求。

以放电条件为例，BIL测试系统的主要测试步骤为： 

• 配置与实车一致的CarMaker动力学参数、搭建虚拟道路，并设置目标车辆速度曲线。 
• 控制充放电设备，将电池SOC调整到测试的初始值。 
• 设置环境室温度，并将电芯温度调整至测试初始值。 
• 设置水冷却器的温度和流量，并将电池水路循环调节至测试初始状态。 
• 仿真实车交互以实现低压/高压上电。 
• 通过CarMaker仿真获取放电能量需求。 
• 控制放电设备对电池充放电，直至测试条件结束。 

此外，通过BIL测试系统，可在接近实车的环境中，精确控制过充、过放、过流、过温等极端工作条件。充分验证安全目标，实现GB/T 39086-2020电动汽车电池管理系统功能安全要求的验证要求。

 
未来，中国汽车技术研究中心将继续：

• 专注于汽车工程应用技术的研发
• 为汽车企业及相关政府部门提供汽车性能工程开发、共性关键技术研发与验证测试以及相关政策和技术咨询服务
• 携手NI，为智能汽车企业和科研机构提供更优质的服务
• 提前布局，满足高水平自动驾驶功能的监管要求和实验室能力建设，引领汽车行业关键和共性技术进步