新能源汽車技術(shù)難點(diǎn)淺析及解決方案

1、新能源汽車技術(shù)難點(diǎn)淺析及解決方案1.概述隨著混合動(dòng)力以及純電動(dòng)汽車的不斷發(fā)展,電機(jī)控制策略的復(fù)雜性和可靠性日益提升。整車廠以及供應(yīng)商對(duì)新能源控制器的開發(fā)環(huán)境的需求也在增長(zhǎng)。恒潤(rùn)科技提供了新能源汽車控制的整體解決方案,可讓工程師在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下,完成對(duì)整車控制器(HCU、電池管理單元(BMS、電機(jī)控制器(MCU、功能的驗(yàn)證?？梢阅M實(shí)車測(cè)試中遇到的所有工況范圍,在實(shí)車試驗(yàn)之前即可對(duì)ECU功能進(jìn)行全面測(cè)試。本文將提供針對(duì)新能源車輛的HCU、MCU以及BMS三個(gè)控制器測(cè)試的解決方案。2.技術(shù)難點(diǎn)針對(duì)BMS的工作電壓測(cè)試、單體電池電壓、溫度測(cè)試、SOC計(jì)算功能測(cè)試、充放電控制測(cè)試、電池?zé)崞胶鉁y(cè)試、高壓安

2、全功能測(cè)試、通訊測(cè)試、故障診斷測(cè)試等等一系列測(cè)試,OEM面臨著諸多挑戰(zhàn)。采用真實(shí)的電池組測(cè)試BMS有著諸多的弊端:極限工況模擬給測(cè)試人員帶來(lái)安全隱患,例如過(guò)壓、過(guò)流和過(guò)溫,有可能導(dǎo)致電池爆炸。SOC估計(jì)算法驗(yàn)證耗時(shí)長(zhǎng),真實(shí)的電池組充放電試驗(yàn)耗時(shí)一周甚至更長(zhǎng)的時(shí)間。模擬特定工況難度大,例如均衡功能測(cè)試時(shí),制造電池單體間細(xì)微SOC 差別,電池?zé)崞胶鉁y(cè)試時(shí),制造單體和電池包間細(xì)微的溫度差別等。以及其他針對(duì)BMS功能測(cè)試,如電池組工作電壓、單體電池電壓、溫度、SOC計(jì)算功能、充放電控制、電池?zé)崞胶?、高壓安全功能、均衡功能、通訊、故障診斷、傳感器等一系列的測(cè)試,OEM都面臨著諸多挑戰(zhàn)。MCU在研發(fā)過(guò)程中

3、涉及被控對(duì)象的仿真。而電機(jī)本體的工作原理主要基于電磁感應(yīng)原理,其各物理量(如磁通量、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、電磁力等的交互變化速度遠(yuǎn)大于機(jī)械系統(tǒng)的力與速度的變化,為了保證較高的仿真精度,要求模型的仿真步長(zhǎng)要遠(yuǎn)小于一般機(jī)械系統(tǒng)模型的仿真步長(zhǎng)。相應(yīng)的,區(qū)別于汽車上一般的電控系統(tǒng),MCU的特殊之處也是在于它具有較高的控制頻率和很高的輸入信號(hào)頻率。例如,MCU對(duì)逆變器IGBT的PWM 控制頻率超過(guò)10 kHz;電機(jī)反饋的電機(jī)位置旋變信號(hào)的頻率可達(dá)12 kHz以上。這就要求HIL實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)對(duì)MCU控制信號(hào)采集和電機(jī)傳感器信號(hào)的仿真都要達(dá)到很高的頻率,一般要求采集頻率達(dá)到信號(hào)頻率的1000倍以上,信號(hào)仿真輸出頻率達(dá)

4、到信號(hào)頻率的100倍以上。面對(duì)上述挑戰(zhàn),恒潤(rùn)科技提供基于TestBase的新能源汽車測(cè)試的解決方案。3.解決方案電池管理系統(tǒng)多采用分布式結(jié)構(gòu),包括1個(gè)主控單元BMU和若干個(gè)單體檢測(cè)單元BCU,如下圖所示。 圖3-1電池管理系統(tǒng)分布式結(jié)構(gòu)圖相應(yīng)的,電池管理系統(tǒng)的HIL測(cè)試也可以分為BMS級(jí)測(cè)試和BMU級(jí)測(cè)試。BMS級(jí)測(cè)試中,BMU和所有BCU都作為測(cè)試對(duì)象,HIL系統(tǒng)需要為BCU提供每一個(gè)單體的輸出電壓信號(hào)以及若干個(gè)溫度信號(hào)。由于BMS級(jí)別測(cè)試更側(cè)重BMS對(duì)電池包本身的管理功能,例如單體電壓采樣、溫度采樣、SOC估計(jì)、單體一致性檢測(cè)等功能,因而主要用在部件級(jí)測(cè)試中。在BMU級(jí)測(cè)試中,BCU采用仿

5、真的形式,HIL系統(tǒng)只需要通過(guò)CAN 總線將BCU的相關(guān)報(bào)文發(fā)送給BMU即可,無(wú)需在硬件上模擬出單體電壓和溫度信號(hào)這種方式可以節(jié)省很大一部分的HIL系統(tǒng)硬件成本。BMU級(jí)測(cè)試多用于動(dòng)力系統(tǒng)級(jí)或整車級(jí)的測(cè)試中。新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)中用到的電機(jī)一般為永磁同步電機(jī),電機(jī)系統(tǒng)通常由電機(jī)本體、逆變器和電控單元MCU組成。針對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)的測(cè)試一般可分為信號(hào)級(jí)和功率級(jí),其區(qū)別主要在于是否將真實(shí)逆變器接入測(cè)試系統(tǒng)。 圖1-2電機(jī)信號(hào)級(jí)測(cè)試原理Power Level 圖3-3電機(jī)功率級(jí)測(cè)試原理基于第二章所述的MCU 測(cè)試的技術(shù)難點(diǎn),恒潤(rùn)科技提供了基于高性能FPGA 的電機(jī)實(shí)時(shí)仿真方案。NI 的高性能FPGA 板

6、卡PXI 7966R 滿足電機(jī)實(shí)時(shí)仿真的所有特性需求,包括:1 40 MHz 的PWM 采集通道,用于逆變器IGBT 控制信號(hào)采集;2 2MHz 的高速DA 輸出通道,用于旋變信號(hào)和三相電流信號(hào)仿真;3強(qiáng)大的計(jì)算能力,在進(jìn)行高速IO信號(hào)處理的同時(shí),滿足電機(jī)模型的實(shí)時(shí)仿真需求,仿真步長(zhǎng)可低于2us。 圖3-4基于FPGA的電機(jī)仿真解決方案本方案中MCU HIL測(cè)試相關(guān)的配置(除通用的HIL系統(tǒng)軟硬件配置外包括: 在滿足MCU基本測(cè)試需求的同時(shí),MCU測(cè)試解決方案還能夠提供多種被控對(duì)象故障的仿真功能,包括:能模擬三相主動(dòng)短路和主動(dòng)開路工況下電機(jī)的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)電氣特性能模擬轉(zhuǎn)子永磁體退磁和失磁的特性。能模擬電機(jī)繞組同相匝間和相間短路及斷路時(shí)的故障特性。能模擬電機(jī)散熱不良對(duì)電機(jī)溫升特性的影響。能模擬各個(gè)傳感器的各類故障(短路、開路等失效模式在HCU的測(cè)試解決方案中,模擬器需要模擬HCU需要的傳感器比如:油門踏板、制動(dòng)踏板等,同時(shí)采集HCU的輸出信號(hào)比如:冷卻風(fēng)扇、前置離合器等。HCU的復(fù)雜控制功能一般都是通過(guò)與BMS、MCU等相關(guān)控制器節(jié)點(diǎn)的協(xié)同工作來(lái)實(shí)現(xiàn)。4.總結(jié)對(duì)比采用真實(shí)電池的BMS和真實(shí)電機(jī)的MCU測(cè)試,采用電池、電機(jī)仿真技術(shù)的HIL測(cè)試具有如下明顯的優(yōu)點(diǎn):安全、節(jié)能:避免使用大功率充放電設(shè)備,避免了測(cè)試給試驗(yàn)人員造成的安全隱患;方便制造各種BMS、MCU故障,從而全面的測(cè)試BMS