安全性是電動汽車 (EV)的首要關(guān)注點(diǎn)。鋰離子電池是電動汽車的典型選擇，其能量密度高，如果操作條件偏離電池的設(shè)計條件，則會帶來故障風(fēng)險。電池管理系統(tǒng) (BMS) 對于防止負(fù)面后果至關(guān)重要，包括熱失控(一種導(dǎo)致電池?fù)p壞的不可控放熱反應(yīng))。

BMS 的主要功能包括監(jiān)測電流、電壓和溫度、防止過度充電和過度放電、平衡電池間的電荷、估計電池的荷電狀態(tài) (SOC) 和健康狀態(tài) (SOH)，以及控制電池組的溫度。這些功能至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈冇绊戨妱悠嚨男阅堋踩浴㈦姵貕勖陀脩趔w驗(yàn)。例如，通過防止過度充電和超過電壓限制的放電，BMS 可以防止電池過早老化，確保車輛在其使用壽命內(nèi)保持高性能。

仿真在 BMS 開發(fā)中的優(yōu)勢

工程師使用行為模型在臺式計算機(jī)上仿真電池廠模型、環(huán)境和 BMS 算法。他們使用桌面仿真來探索新的設(shè)計理念，并在制作硬件原型之前測試多種系統(tǒng)架構(gòu)。桌面仿真使工程師能夠驗(yàn)證 BMS 設(shè)計的功能方面。例如，工程師可以探索不同的平衡配置來評估它們之間的適用性和權(quán)衡。仿真對于需求測試也起到了重要作用;例如，工程師可以在出現(xiàn)隔離故障的情況下驗(yàn)證接觸器的行為是否正確。評估故障期間系統(tǒng)的行為是使用仿真取代硬件測試的另一個明顯例子。

一旦使用桌面仿真驗(yàn)證了設(shè)計，工程師就可以自動生成 C 或 HDL 代碼以進(jìn)行快速原型(RP) 或硬件在環(huán) (HIL) 測試，以進(jìn)一步驗(yàn)證實(shí)時運(yùn)行的BMS 算法。通過 RP，可以從 BMS 算法模型生成代碼并將其部署到執(zhí)行生產(chǎn)微控制器功能的實(shí)時計算機(jī)中。利用自動代碼生成，只需數(shù)小時(而不是數(shù)天)即可在實(shí)時硬件上測試模型中的算法更改。在 HIL 測試的情況下，代碼是從電池廠模型而不是 BMS 算法模型生成的，從而提供代表電池組、有源和無源電路元件、負(fù)載、充電器和其他系統(tǒng)組件的虛擬實(shí)時環(huán)境。該虛擬環(huán)境使工程師能夠在開發(fā)硬件原型之前實(shí)時驗(yàn)證 BMS 控制器的功能。

仿真使工程師能夠大幅縮短從設(shè)計到代碼生成的時間，從而能夠以更快的速度和更高的效率對各種技術(shù)進(jìn)行快速建模。Altigreen Propulsion Labs 的工程師使用基于仿真的方法來建模并迭代測試不同的 SOC 估計技術(shù)，例如卡爾曼濾波和庫侖計數(shù)，并設(shè)計了一個全面的 SOC 估計技術(shù)。Altigreen 首席工程師兼控制系統(tǒng)主管 Prathamesh Patki 表示，“Embedded Coder 將開發(fā)時間縮短了一半。我們的任何設(shè)想，都可以在最短時間內(nèi)在真實(shí)硬件上付諸實(shí)現(xiàn)。”

工程師使用行為模型在臺式計算機(jī)上仿真電池廠模型、環(huán)境和 BMS 算法。

BMS 開發(fā)中的建模和仿真用例

電池特性是將電池模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的過程。準(zhǔn)確的電池特性至關(guān)重要，因?yàn)?BMS 算法使用電池模型來設(shè)置控制參數(shù)，例如用于 SOC 估計的卡爾曼濾波器或基于 SOC 的功率限制以及溫度以避免欠壓或過壓情況。在BMS開發(fā)后期，工程師可以使用相同的電池模型進(jìn)行系統(tǒng)級閉環(huán)桌面和實(shí)時系統(tǒng)仿真。Simscape Battery等工具提供了多種電池建模方法，包括等效電路、電化學(xué)和使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的降階建模。

充電速度是電動汽車設(shè)計和采用的一個關(guān)鍵性能指標(biāo)。快速充電的高功率水平會給電池材料帶來壓力并縮短其壽命。因此，優(yōu)化快速充電期間的功率分布以確保最大的充電速率和最小的電池壓力至關(guān)重要。這是通過仿真和優(yōu)化的結(jié)合實(shí)現(xiàn)的。充電時間被最小化，同時壓力因素被保持在可接受的范圍內(nèi)。

生產(chǎn)代碼生成補(bǔ)充了符合汽車行業(yè)正式認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的 BMS 設(shè)計工作流程。例如，當(dāng)LG Chem (現(xiàn)為 LG EnergySolution) 為沃爾沃 XC90 插電式混合動力車開發(fā)了BMS，AUTOSAR 是一項(xiàng)要求標(biāo)準(zhǔn)。LG Chem 選擇將 BMS 算法和行為建模和仿真作為其設(shè)計工作流程的一個組成部分。每次軟件發(fā)布時發(fā)現(xiàn)的軟件問題數(shù)量從大約 22 個減少到不到 9 個 — 遠(yuǎn)低于項(xiàng)目目標(biāo)。LG Chem 使用 AUTOSAR 為沃爾沃開發(fā)的 BMS 已獲得基于 ISO 26262 功能安全的汽車安全完整性等級 C (ASIL C) 認(rèn)證。

結(jié)束語

BMS 設(shè)計中的建模和仿真可以縮短開發(fā)周期、降低成本并實(shí)現(xiàn)更安全、更高效的電動汽車。通過在所有可能的操作和故障條件下運(yùn)行 BMS 算法，工程師可以更加確信 BMS 軟件將在實(shí)際系統(tǒng)中處理這些情況，從而減少了昂貴測試的需要。最終，這種方法確保最終產(chǎn)品超出行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和消費(fèi)者期望。

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Danielle Chu

Danielle Chu 是 MathWorks 的產(chǎn)品經(jīng)理，負(fù)責(zé)支持 Simscape 產(chǎn)品系列，專門研究電力電子和電池系統(tǒng)。在加入 MathWorks 之前，Danielle 在 John Deere 工作了 7 年，參與開發(fā)電力電子控制系統(tǒng)。在加入約翰迪爾之前，她曾在佛羅里達(dá)州立大學(xué)先進(jìn)電力系統(tǒng)中心 (CAPS) 從事博士后工作，并獲得南卡羅來納大學(xué)電氣工程博士學(xué)位和密西西比州立大學(xué)電氣工程碩士學(xué)位。