BMS專題之BMS測試

終於，到了我們的測試環節，BMS爲什麼需要測試，怎麼來測試它

一、關於BMS測試

首先就是應不應該對BMS進行測試，當然是應該。
然後是爲什麼需要測試，我們通過前兩篇文章的內容，給大家講了BMS的重要性，我們起碼知道了一點，BMS不能出錯，或者是儘量少出錯。
那麼我們怎麼解決這個問題呢？就是需要進行大量的測試.

1.1 BMS測試的分類

在產品的設計和製造過程中，會按階段對設備進行不同的檢驗，主要大概就分爲這麼幾類

1.1.1 質檢機構的檢驗

首先是質檢機構的檢驗，這個是強制的，沒辦法通過就不算合格。

• 首先，BMS是一個汽車電器零部件，那就需要進行絕緣耐壓性能，氣候環境負荷，耐震動衝擊以及電磁輻射等等測試。
• 其次呢，還要把BMS作爲一個測量工具進行驗證，因爲BMS的工作中需要測量各種電壓電流溫度等數據，所以要檢驗它的精度等
• 再次，還要對BMS的各項功能進行驗證，比如說保護功能，以及數據的預測估算等。

這是質檢機構要做的事，都會有相應的標準和參考文件

1.1.2 研發人員的驗證

其次呢，作爲研發人員，在做研發的過程中，需要對產品進行各種驗證和調試

• 首先就是各種物理量的採集精度
• 還有呢就是各種算法和策略的驗證

1.1.3 採購方的驗證

接下來作爲採購方，一般來說整車廠什麼的，也需要根據國標，行業標準，和廠標對BMS進行驗證和測試.
這裏主要是進行常規的驗證，包括高低溫環境驗證，還有就是各種功能的驗證，包括常規功能和一些特定的功能。

1.1.4 出廠前的驗證

除了採購方，在BMS出廠的時候，也需要我們廠商自身對BMS進行一些列測試和驗證，比如說抽檢進行老化測試，各種精度的驗證，保護功能的驗證等等。

二、BMS測試中的挑戰

對於BMS的測試，其實還有好多的方面比如說我們的V字型的開發流程模型中，涉及到的測試非常多，從純軟件方面到純實物的測試都有。
總體來說，在測試中非常重要的一個角色就是電池組，BMS因爲電池組而產生，最終也是作用到電池組，所以在測試中，電池組是完全不可少的一個硬件

我們之前一直在說電池組，在車上電池組是個好東西，但是在測試中卻是最大的一個問題。

2.1 安全問題

首先，最大的一個問題是安全問題。
我們講電池組可以安全工作的一個重要條件就是有BMS，那麼，我們現在在測試BMS，就是說我們不知道BMS的好壞，不知道我的均衡邏輯和保護邏輯有沒有漏洞，那麼這個時候其實電池是工作在危險的環境中的，可能如果我們是在做小實驗，拿着幾節電池在哪裏調試，真的出問題了可能相對還是可控，但是起碼也會燒燬一些東西，如果電池一旦多了恐怕真的是要出事故，是很危險的。

2.2 電池狀態問題

其次呢，我們測試的時候需要的是電池的各個狀態下的數據，有充電過程，放電過程，甚至還有電池老化之後的數據。但是電池呢，是一個實打實的連續變化的量，在實際中，我們知道充放電過程都是比較慢的，然後電池老化的速度更慢，如果我們拿真的電池組來做實驗，電池的狀態不能隨心意切換，需要頻繁發充放電，那效率可以說是很低了。

2.3 參數調節問題

最後呢，就是適配問題，不同的電池組，他們的物理特性其實並不是完全一樣的，這樣在測試的過程中，尤其是涉及到參數的調節等，我們需要準備很多種不同的電池組來支撐測試。

2.4 解決方法-電池組仿真

所以說，測試中如果一直使用真實的電池，那必然是很不合適的。我們想要一種系統可以解決這幾個問題。
基於此，我們就有了這套系統，電池組仿真器。就是使用一個模擬器，來解決上述問題所有的問題。
其實目前來說很多的硬件在環仿真系統都稱自己擁有電池組模擬器，但是多數呢基本上是在模擬電池的電壓行爲。這個顯然是不夠的，我們要仿真，就要儘量的貼近實際上被仿真的物體，所以我們不止要仿真電壓，還要仿真電流，甚至溫度，以及電池串聯起來之後的特性，只有我們的設備越是接近被仿真的設備，才能最大限度的保證測試結果。

三、BMS測試系統-電池組仿真

3.1 系統功能

我們來具體的看一下我們對於仿真系統的要求，基本功能

仿真主要參數：

• 單體電壓
• 單體電流
• 總電壓
• 總電流
• 溫度

其他功能：

• 數字量IO
• 模擬量IO
• CAN總線通訊接口
• …

主要的仿真參數，包括單體電池的，也包括電池包的。
另外還要具備一些其他的功能。比如說時CAN通訊，以及必要的數字IO和模擬IO。
這個系統解決的問題，主要是以下的幾個:

• 一是安全，只有充滿足夠的自信時，BMS 纔可以連接到一個真正的電池組上面進行測試。但是在這個之前，爲了保證人員和設備的安全，還是需要使用仿真設備。

• 二是高效，我們剛剛講到了，一個真實的電池組的故障和特性是不會變化的，也就不能夠用來仿真 BMS 設計用來處理的各種不同情境。尤其是類似於故障注入，在新產品的開發和推出階段，是作爲驗證硬件和固件設計是否成功的關鍵部分。

• 三是可擴展，就是說我們的系統可以隨時調整，用來適應不同的測試需求。

3.2 電池組仿真功能圖

這是我們的系統結構

• 我們選擇了PXI平臺，這個平臺呢結構上集成度較高，同時產品的種類又很豐富，並且具有統一的接口，開發起來很友好。
• 緊接着就是各種功能模塊通過PXI總線進行控制和通訊，
  包括了單體電芯的電壓電流仿真模塊，是可以串聯的，溫度仿真模塊，同時還有CAN總線通訊卡，有必要的數字IO和模擬IO，當然這些都是功率比較小的模塊。所以我們還需要總電壓電流的仿真模塊來提供超大的電壓電流來驅動電機或者是大功率的負載。
• 同時，我們要保證BMS在線路或者是通訊出故障的時候有足夠的應對策略，因此我們在系統中加入故障注入的功能。
• 然後我們通過海量互聯接口這樣的結局完成跟BMS的連接。

這個整體下來是一個閉環，首先能夠產生信號給到BMS，讓BMS正常工作，又可以利用CAN接口和多功能IO採集BMS做出的反應，充當執行器的相關功能，所以在這一個系統上就可以完成測試。

3.3 測試系統核心設備

下面我們來看一下我們選擇的核心設備

3.3.1 電芯仿真器

首先第一個核心設備就是我們的電芯仿真器，採用的是Pickering的電芯仿真卡，集成度較高的，單塊卡可以仿真6個電芯，這個在PXI平臺上還是比較少見的。

這是產品的一個結構圖，是一個四端輸出的設備，，直接從機箱背板取電，每一個電芯都可以獨立控制，同時可以設置一些一鍵保護的功能

電壓範圍： 0-7V
電壓步進： <0.5mV
電壓精度： 0.2%
輸出電流： <300mA
可堆疊： 上限750V

這裏比較重要的一個環節是電芯之間支持串聯堆疊，就是可以像真實電池一樣一節一節的串聯起來，一百多個單體疊到一起，總電壓可以到750V，一般來說我們是96節電池堆疊，到三百多伏特，這套系統還留有足夠的裕量，來仿真總電壓。這個功能在這種模塊化的板卡上相對來說還是比較少見，因爲這樣就意味着需要更高的絕緣等級和防護等級。但是這樣也可以更加真實的仿真出電池包的特性。當然，還有一種偷懶和節省成本的辦法，就是用高壓源串聯部分的這個卡，可以做到部分電池可調節。yi’ba//但是這個總電壓是沒有辦法來驅動電機或者超大功率的負載的。

3.3.2 溫度仿真器

第二個設備是溫度傳感器的仿真，我們採用的同樣是Pickeirng的程控電阻卡，這是很有特色的一款產品，目前來說Pickering做的是最好的，還沒有人可以超越他們。

一般來說我們測溫常用的是電阻型的傳感器，NTC,PTC的都有，例如PT100,PT500,PT100等等，

這種傳感器對於控制器來說，就是一個不斷變化的電阻值，我們的控制器通過採集傳感器的電阻值來感知環境，就是某一個確定的電阻值就代表某一個確定的溫度。
我們使用程控電阻來將溫度對應的電阻值仿真出來，這樣就可以快速的調節到確定的溫度值，在正常和異常，高溫和低溫之間的切換都是很快的。與之對應的就是把實際的傳感器放入溫箱中，通過調節溫箱的溫度與來達到在實驗室中讓傳感器採集不同的數據，但是這個過程變化緩慢，我們知道溫度是一個緩慢變化的量，沒辦法突變，另外就是一個溫箱只能設置一個溫度，要是想要不同的溫度得多幾個溫箱。當然，也有人使用電阻箱來實現，電阻箱最大的問題就是一個是體積過大，另外一個是無法程控。所以用這種程控電阻還是仿真溫度最優化的一種方式。
這是這種卡的結構

這個卡根據傳感器的不同，單塊支持4-24個傳感器的仿真，溫度範圍非常的廣，覆蓋了所有的實際中遇到的環境溫度
分辨率和精度也相當的高

單塊卡仿真數量：4-24個
溫度範圍：-150°C to >+850°C
溫度分辨率：<0.03°C
電阻精度： 0.1%

3.3.2 電流仿真器

接下來是電流仿真器，因爲目前來說測電流的方式不止一種，有的是使用霍爾型電流傳感器，有的是使用分流器，都是把電流轉換成電壓信號來測量。

對於分流器呢，其實就是一個很小的線阻串到通路中，通過測量兩端的電壓 計算電流，因爲是串聯，所以電阻必須很小，纔能有很小的壓降，從而不影響正常工作，壓降小了，所以輸出就會很小，因此我們要仿真這種特性，就需要使用輸出範圍很小但是很精確的電壓源。
這個產品是一個比較新的產品，它本來設計出來的用途是用於熱電偶仿真，熱電偶大家都知道，就是利用金屬的熱電效應，通過兩種不同的金屬連接，然後熱端和冷端因爲溫差就會形成一個電壓輸出，當然這個電壓是很小的，而我們的這款產品主要就是用來仿真這種小而精確的電壓，達到仿真熱電偶探測到的溫度這種效果。但是我們發現這款產品的用途不止於此，再測試中需要這種小範圍高精度的電壓源的地方有很多，在遇到分流器的時候，我們就順理成章的想到了這款產品。其電壓範圍有20，50，100毫伏，並且通道之間是隔離度的。


對於霍爾型傳感器，基本上都是封裝好的產品，所以輸出的電壓會相對較高一些，我們使用電壓範圍爲5V的板卡來仿真。

分流器：

• 單塊卡通道：8-32個
• 電壓範圍：±20，50，100mV

霍爾型傳感器：

• 電壓範圍：±5V
• 分辨率：16位

3.2.4 故障注入器

接着有一個比較值得一說的是我們的故障注入系統，我們做過HIL的都知道故障注入是很重要的一環，通過仿真各種故障，來判斷極限情況下控制器的算法邏輯是否合理以及動作是否到位。

傳統的故障注入一般使用人工接插線來實現，但是我們是自動測試系統，肯定會比較高級一些，我們使用了擁有特殊結構的故障注入板卡，可以比較輕鬆的模擬各種物理層和電氣層的故障，比如說短路，斷路，對地對電源的開短路等等。

這是一個故障注入卡的原理圖，一端連接的是我們的各種模擬器，另一端連接的是BMS，我們通過動作中間的繼電器，就可以製造不同的故障。比如說開路，短路這些。

同時這個故障注入卡還配備了BOB的引出方式，不需要另外接線，直接插上去就好。

3.4 系統結構

還比如說CAN卡，也是基於PXI模塊的，不止可以提供CAN接口，還可以提供IIC，232，485等其他的串口。多功能IO卡，可以同時提供數字IO和模擬IO，再加上前邊的電芯仿真器，溫度仿真器，電流仿真器所有的這些，都可以放入PXI模塊化機箱，進行統一的控制。
當然，除了這些設備，還有一些是PXI設備確實辦不到的，比如說一些超大功率的電壓源，因爲功率的限制無法放入機箱內，所以我們選用了臺式設備，還有就是連接方面，因爲我們的線束較多，爲了方便連接，同時保證穩定性，我們選取了一些有保障的海量互聯方案，同時保證便捷性和穩定性。
最後呢當然還有人機交互的接口，鍵盤鼠標和屏幕，當然如果需要，我們也可以開放遠程接口，通過互聯網實現遠程測試。
所有的這些，我們會集中在一個機櫃裏邊。

3.5 系統優勢

• 首先，是完全不需要真實的電池，我們通過高性能的模擬器，構建出了一個虛擬的電池組，卻又有着實際電池組的所有對外表現的特性。
  這裏有個很有意思的理論，就是鴨子定律。
  就是說如果一個東西，走路像鴨子、叫起來像鴨子、長得像鴨子、啄食也像鴨子，那它就是一隻鴨子。
  對於我們人來說，我們看到了，聽到了，就是說我們感受到的東西表明它是一隻鴨子，那麼我們就認爲它是。
  其實對於我們的控制器，不止是BMS，可以擴大到所有的控制器，也是一樣的，控制器是使用傳感器來感受外界，如果它接收到的數據是一切都複合預設的模型，那麼它就認爲自己工作在了一個實際的情況中，至於到底是不是，只有我們知道。
  說個題外話，如果我們把大腦當成控制器，把我們的眼睛耳朵等等這些感受器官當成傳感器，那麼我們是不是有一天也可以製造出以假亂真的仿真器，讓我們完全生活在虛擬的環境中而不自知呢？

• 其次是測試效率，我們解決了之前我們說的測試效率低的問題，沒有了長時間的充放電等待時間，可以直接調節，同時也沒有了等待升溫和降溫的過程。

• 然後是安全性，因爲不存在真實的電池，所以不會有電池起火爆炸的情況，最多最多了也就是燒了設備上的某一部分，但是這個情況在系統本身的保護邏輯下也是比較難出現的。

• 接下來是通用性，因爲我們的系統是模塊化的，由多個儀器組合成的，並且可編程，因此我們不僅能仿真不同種類的電池，還能適配不同類型的BMS

• 準確性，因爲一切都是可調可校準的，因此準確性較高

• 復現性，對於一些只能在特定情況下出現的錯誤，我們的系統有着很高的復現性，這個是真實電池組沒辦法比的

• 單體可控性，我們系統裏96節單體電池每一節都是可控的，使得電池組的模型更加精細

• 同時所有的設備都有着開發接口，可以進行二次開發，也可以在上邊跑自己的電池組模型

• 最後呢是數據管理，因爲我們是基於PC的上位機，對於各種數據的管理十分到位，包括模型數據，測試報告，日誌等多種數據。

四、結語

至此，BMS專題暫時告一段落，我們從動力電池，BMS的分類與功能，BMS的測試系統對系能源汽車的BMS測試系統的實現進行了一個簡單的介紹，接下來有機會我會跟大家分享一些更加深入的方案。

參考鏈接：
https://www.hongcesys.com/