姚航1，任曉明1，那偉1，王晴2，曹輝2
（1.上海電機學院 電氣學院，上海 200240； 2.上海航天電源技術有限責任公司，上海 201615）
摘要：電池管理系統(tǒng)（BMS）是電動汽車上的核心部件之一，其安全性、穩(wěn)定性尤為重要。介紹了BMS的整體結(jié)構和軟件流程圖，從軟件設計上介紹了V開發(fā)流程，并提出了一種基于CANalyzer的BMS軟件虛擬平臺技術；將采集到的實際運行數(shù)據(jù)導入到虛擬平臺中，從而能夠模擬真實情況下的軟件運行環(huán)境，能夠更可靠地對已編寫好的軟件代碼進行測試和功能驗證，縮短軟件開發(fā)周期。最后通過試驗，驗證了該技術的有效性。
關鍵詞：BMS；V開發(fā)流程；軟件開發(fā)；虛擬平臺技術
中圖分類號：TP311文獻標識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.06.024
引用格式：姚航，任曉明，那偉，等. 基于CANalyzer的BMS軟件設計虛擬平臺技術的研究［J］.微型機與應用，2017,36（6）：80-83.
0引言
*基金項目：上海市閔行產(chǎn)學研合作項目（2016MH320）；上海電機學院研究生科創(chuàng)項目隨著“十三五”規(guī)劃的制定和發(fā)布，新能源汽車行業(yè)再度被提及，新能源汽車的發(fā)展將進一步向前推進。電動汽車作為其中的主力軍，其技術的發(fā)展和創(chuàng)新也是重中之重［1］。
電池管理系統(tǒng)（BMS）作為電動汽車上的主要核心部分之一，管理著電動汽車的動力來源，其安全性、穩(wěn)定性、可靠性顯得尤為重要。近年來，隨著電動汽車行業(yè)市場的崛起，BMS技術也得到了一定程度的發(fā)展和進步，但是也存在一些不足。文獻［2］對新能源汽車技術及其產(chǎn)業(yè)化進行了總結(jié)，并展望了未來5年新能源汽車科技研發(fā)的重點。文獻［3］從軟件的系統(tǒng)架構、軟件設計和研發(fā)過程管理3個方面對BMS的軟件工程做了具體闡述。文獻［4］介紹了基于AUTOSAR標準的BMS軟件開發(fā)流程，采用dSPACE公司的SystemDesk和TargetLink軟件為工具完成軟件開發(fā)。
本文研究了BMS的結(jié)構、功能，并介紹了軟件V開發(fā)流程和BMS軟件流程架構,設計了一種基于CANalyzer的軟件開發(fā)虛擬平臺技術。在BMS軟件開發(fā)以及后期功能升級維護的時候，使用該虛擬平臺技術，能夠結(jié)合實際工況采集的數(shù)據(jù)，模擬出BMS系統(tǒng)在真實環(huán)境中的運行，從而檢測軟件程序的正確性和可靠性。
1BMS介紹
本文介紹的BMS中電芯采用的是標稱容量為60 Ah的磷酸鐵鋰電芯。磷酸鐵鋰電芯使用壽命長，循環(huán)壽命達2 000次以上，能量密度比較高，可達122 Wh/kg，同時制造原材料來源廣泛，成本較低，使用安全性較高。該BMS采用分布式的結(jié)構方式［5］，其整體結(jié)構示意圖如圖1所示。系統(tǒng)控制部分主要由一個電池管理系統(tǒng)主控模塊BMU和若干個電池模塊從控單元LECU所組成。
BMU作為主控單元，主要管理整個電池組系統(tǒng)，包括電池組總電壓、總電流的監(jiān)測、電池組的荷電狀態(tài)（SOC）計算、均衡策略的控制、絕緣檢測以及故障診斷等。從控單元LECU采集各個電池組模塊的信息，如單體電壓、溫度等；同時也通過接收BMU的指令，進行熱管理處理、均衡控制，通過CAN總線與BMU之間進行數(shù)據(jù)交互。霍爾傳感器主要是用來監(jiān)測動力電池組母線分別在充電、放電時候的電流；絕緣監(jiān)測儀主要監(jiān)測高壓母線的正極、負圖1BMS整體結(jié)構示意圖極對車身地之間的絕緣阻值，確保電池組系統(tǒng)的絕緣狀態(tài)良好，不至于對車輛、人員造成安全隱患。這種分布式的結(jié)構方式使得動力電池組管理系統(tǒng)適用于動力電池組布局較為分散的系統(tǒng)中，并且可以通過增減電池組模塊的數(shù)量來改變整體布局，大大提高了系統(tǒng)的兼容性，從而使其適應于不同車型的動力電池組系統(tǒng)，實際操作靈活度非常高［6］。
2BMS的軟件開發(fā)設計
軟件算法是BMS的核心技術之一，因此開發(fā)設計一套具有極高安全性、穩(wěn)定性的軟件系統(tǒng)，能夠最大程度地滿足新能源行業(yè)發(fā)展對BMS系統(tǒng)的需求。隨著行業(yè)的發(fā)展，BMS軟件算法層面的研究將是未來BMS廠商爭相競爭的核心領域。早期的BMS軟件架構設計采用面向過程的應用執(zhí)行體系，導致代碼復用度低、函數(shù)相互間耦合度高、代碼移植性差等諸多問題，無法滿足功能需求不斷擴展、算法更加復雜的BMS軟件設計需求［7］。
2.1V型軟件開發(fā)模式
圖2V型開發(fā)流程圖隨著BMS系統(tǒng)的復雜性和功能性的不斷增加，為了確保產(chǎn)品的最終質(zhì)量，在軟件開發(fā)的過程中，需要通過一系列的自動化測試手段來減少從定義、分析、設計到實現(xiàn)不同產(chǎn)品開發(fā)周期的人為失誤。V型開發(fā)模式符合國際汽車行業(yè)標準（ASAM/ASAP），目前已在汽車電子開發(fā)領域得到了廣泛的應用。V型開發(fā)模式強調(diào)在產(chǎn)品開發(fā)早期引入設計缺陷和錯誤驗證，降低了設計風險，避免了傳統(tǒng)開發(fā)流程中易存在的設計盲目性［89］。圖2為針對BMS而設計的V型開發(fā)流程圖。
首先根據(jù)整車對電池組系統(tǒng)以及BMS系統(tǒng)的技術要求完成算法設計、功能分析；然后在MATLAB/Simulink中搭建功能模型，并進行仿真分析；再進行軟件在環(huán)測試，對相關功能、算法的實現(xiàn)進行測試，之后便通過計算機自動生成C代碼，將生成的代碼下載至相應的硬件系統(tǒng)中進行硬件在環(huán)仿真測試；隨后將BMS軟件程序加載到真實的電池組系統(tǒng)中，進行系統(tǒng)相關參數(shù)的標定與測試；最后和需求進行對比測試驗證，直到滿足最初的設計需求為止。
2.2軟件控制流程設計
圖4LECU軟件流程圖電池組系統(tǒng)中BMS軟件流程圖如圖3、圖4所示。其中圖3為主控部分BMU的流程圖，首先進行初始化，初始化系統(tǒng)包括系統(tǒng)自檢，自檢通過以后再執(zhí)行下一步；之后是系統(tǒng)參數(shù)檢測，包括總壓、電流、絕緣值的檢測以及SOC計量；電池組系統(tǒng)相關參數(shù)檢測完成以后，便進行數(shù)據(jù)處理和故障判斷，有故障就進入故障處理機制，沒有故障就進入下一步，把相關參數(shù)進行存儲，如SOC、單體最大、最小電壓，最大、最小溫度等參數(shù)。數(shù)據(jù)處理完成以后，便通過三路CAN總線進行報文數(shù)據(jù)通信。CAN0主要擔當電池組系統(tǒng)內(nèi)部通信，包括與從控單元LECU、分流器、絕緣儀之間的通信；CAN1主要是和整車控制器進行通信；CAN2是和充電機以及外置監(jiān)控終端進行通信。
圖4為從控部分LECU的軟件流程圖。類似于BMU的流程，首先進行初始化，也包括系統(tǒng)自檢；之后是單體電壓檢測、溫度檢測；將檢測的數(shù)據(jù)通過CAN總線上報給BMU，BMU通過數(shù)據(jù)進行判斷是否進行均衡控制和熱管理，再下發(fā)指令至LECU進行執(zhí)行。同時，LECU也通過采集到的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)計算處理和故障判斷，一旦觸發(fā)故障便進入故障處理機制。最后是數(shù)據(jù)存儲和CAN通信，LECU是通過CAN總線與BMU進行通信的。
3BMS的軟件開發(fā)設計
在BMS軟件設計開發(fā)過程中，需要不斷地進行測試以及功能驗證，很多時候都僅僅依賴于所搭建的仿真模型或者硬件平臺來進行的，與軟件在真實環(huán)境中的運行的實際情況有很大的區(qū)別。CANalyzer是由德國Vector公司生產(chǎn)的一種網(wǎng)絡和分布式系統(tǒng)的通用分析工具，不僅能方便地觀察、分析和支持擴展多路CAN通道的數(shù)據(jù)傳輸，還能用于LIN、MOST、FlexRay總線通道。CANalyzer具有極其強大的圖形可視化功能，能夠通過圖形化界面來搭建控制流程圖，能夠自適應繪制統(tǒng)計圖表等；同時還能存儲和回放記錄的總線數(shù)據(jù)傳輸情況。CANalyzer能夠覆蓋所有的總線應用，從簡單的演示培訓到復雜系統(tǒng)的分析和仿真模擬。
軟件虛擬平臺技術是通過CANalyzer軟件導入實際行車過程中所采集的數(shù)據(jù)，通過回放采集的數(shù)據(jù)來建立一個真實的運行環(huán)境，再配合主控BMU控制板來運行軟件程序；通過CANalyzer軟件可以讀出CAN總線中上傳的報文，配合數(shù)據(jù)庫進行報文解析得到相關參數(shù)，從而便可以進行BMS軟件開發(fā)的測試和功能驗證。圖5為軟件虛擬平臺技術示意圖。
軟件設計虛擬平臺技術是利用真實行車過程中采集的實況數(shù)據(jù)來搭建一個真實的軟件運行環(huán)境。實況數(shù)據(jù)利用CANalyzer軟件將數(shù)據(jù)經(jīng)過CAN總線上報給BMU，BMU接收到的數(shù)據(jù)是完全真實的運行數(shù)據(jù)，從而能夠模擬出真實的運行環(huán)境。在進行軟件測試驗證之前，需要將CAN總線上的網(wǎng)絡節(jié)點進行修改和調(diào)整。例如需要驗證SOC算法，需要將CAN總線中的SOC發(fā)送節(jié)點去掉，同時將計算SOC所需要的參數(shù)從發(fā)送節(jié)點修改為接收節(jié)點，并送到BMU主控板節(jié)點中。基于此，在所建立的模型當中也需要進行相應的修改，修改完成以后，通過代碼自動生成軟件生成軟件代碼。
在進行軟件程序的測試過程中，首先將需要進行測試驗證的軟件代碼通過燒錄器寫入BMU控制板中，再通過CAN總線分析儀連接BMU控制板搭建一個CAN網(wǎng)絡，利用CAN總線分析儀的USB接口接入計算機中；CANalyzer軟件需要加載相對應的數(shù)據(jù)庫，用于解析報文中的信息。再導入實況數(shù)據(jù)，運行CANalyzer軟件，通過軟件本身強大的可視化界面來對軟件運行過程進行檢測和分析。
4BMS軟件虛擬平臺的應用
在BMS中，SOC的精度對于電動汽車的安全性和經(jīng)濟性具有非常重要的意義，各大高校、科研院所以及BMS廠家也在探尋不同的方法來估算SOC值，使之更加接近真實值。本文中介紹的BMS系統(tǒng)中SOC的算法是結(jié)合安時積分法和開路電壓法來估算的，同時配合一些邊界修正條件來對SOC進行校正。
通過長時間對電動汽車的行車數(shù)據(jù)進行采集和分析可知，一般情況下，由于電池單體的制造工藝的差異，導致在放電末期會出現(xiàn)某一顆或者某幾顆單體電壓偏低，從而使得SOC被拉低，即SOC大幅度跳變的情況。然后通過下電靜置電池組處理以后，再重新上電，單體電壓又恢復正常，從而出現(xiàn)SOC上電反彈的情況，使得SOC估算精度大大減小。因此本文針對BMS軟件虛擬平臺技術的應用，來測試驗證SOC估算軟件代碼。
通過對原來SOC算法進行修改，對邊界校正的控制策略進行完善以后，生成軟件代碼。利用軟件虛擬平臺進行測試，直到達到軟件開發(fā)的要求。再將改進后的SOC軟件代碼放在整車運行中進行試驗分析。
本次試驗采用的是同一輛營運的純電動公交車，在電池組系統(tǒng)裝車之前，將系統(tǒng)內(nèi)每顆電池單體進行電壓、容量調(diào)平處理，確保電池單體的一致性處于最佳狀態(tài)。圖6為運行開始時，SOC估算安時積分法和通過校正以后上報CAN總線的情況，可以看出，起始時兩種估算值保持高度一致，偏差也很小。連續(xù)進行每天接近8小時、近40天的營運試驗，圖7為試驗后期采集的一段時間的SOC值變化情況，經(jīng)過300多小時的運行試驗以后，安時積分法和校正以后的SOC值出現(xiàn)了一些偏差，兩者間的偏差大約在5%上下波動。根據(jù)SOC安時積分值和校正上報CAN總線的值可以初步估計經(jīng)過300多小時的運行以后，SOC估算偏差能有效地控制在5%以內(nèi)了，符合國標QC/T 8972011中對SOC值精度的要求［1011］。通過BMS軟件虛擬平臺技術對編寫的軟件程序進行測試和功能驗證，能夠大大縮減軟件代碼開發(fā)周期，提高軟件代碼的穩(wěn)定性和可靠性。
5結(jié)論
本文簡單介紹了電池組系統(tǒng)的整體結(jié)構、BMS軟件開發(fā)流程和軟件運行流程。介紹了一種基于CANalyzer的軟件虛擬平臺技術，利用該技術能夠模擬出軟件程序運行的真實環(huán)境，從而使軟件的測試和功能驗證更加可靠、可信，更加接近真實工況。同時，也極大地加快了軟件開發(fā)設計的進程，縮短了開發(fā)周期，簡化了軟件測試方案和流程。以修改SOC算法為例，通過實際試驗表明，BMS軟件開發(fā)虛擬平臺技術對于實際工程有重大意義。
參考文獻
［1］ 萬鋼. 構建電動汽車發(fā)展新生態(tài)［J］.汽車縱橫, 2015(2):17-21.
［2］ 歐陽明高. 中國新能源汽車的研發(fā)及展望［J］.科技導報, 2016, 34(6):13-20.
［3］ 涂成姣. 基于Targetlink的自動代碼生成及其在電池管理系統(tǒng)開發(fā)中的應用［J］.汽車零部件, 2014（4）:40-43.
［4］ 韋琳． 純電動汽車鋰離子電池管理系統(tǒng)的研究 ［D］. 哈爾濱: 哈爾濱理工大學, 2015.
［5］ 吳海東，任曉明，高俊麗，等. 軌交應急牽引電池組管理系統(tǒng)研究［J］.電源技術, 2015,139(11):23912394.［6］ Zhou Meilan, Wei Lin, Wen Jiabin. The parameters matching and cimulation of pure supply based on CRUISE ［C］. Applied Mechanics and Materials (ICPMIMT2014), 2014, 602605: 2836-2839.
［7］ 李睿，余國偉，孫瓊. 電池管理系統(tǒng)的軟件工程介紹［J］.上海汽車, 2014(5):7-11.
［8］ 丁勇. 基于AUTOSAR規(guī)范的BMS控制算法軟件組件開發(fā)［D］. 長春：吉林大學, 2014.
［9］ 位正. 新一代硬件在環(huán)仿真平臺的研究和開發(fā) ［D］. 北京：清華大學，2009.
［10］ 中華人民共和國工業(yè)和信息化部.QC/T 8972011電動汽車用電池管理系統(tǒng)技術條件［S］. 2011.
［11］ Zheng Kun, Chen Dong, Liu Yufeng. A study on battery management system for blade electric vehicle［C］. 2011 International Conference on Mechatronic Science, Electric Engineering and Computer (MEC),2011:2312-2315.