使用數(shù)字孿生實現(xiàn)電池管理系統(tǒng) (BMS) 測試自動化

電池管理系統(tǒng) (BMS) 監(jiān)控和控制電動飛機和電動汽車等車輛中的電池。它需要在正常和極端條件下進(jìn)行嚴(yán)格測試，以證明其質(zhì)量和完整性。

使用模擬電池進(jìn)行測試非常有益，因為可以快速、反復(fù)地安全地測試各種條件，而不會冒著寶貴硬件的風(fēng)險。這種硬件在環(huán)測試簡化了質(zhì)量保證并跟上了創(chuàng)新的步伐。

電池對于車輛的電氣化傳動系統(tǒng)或飛機和船舶的執(zhí)行器至關(guān)重要，而 BMS 則是控制和監(jiān)控電池組的關(guān)鍵部分。BMS 可確保電池安全運行、有效利用其容量并延長使用壽命。

BMS 用于汽車、飛機、儲能系統(tǒng)和消費電子產(chǎn)品等。它通常包括電池管理單元 (BMU)、電池監(jiān)控單元 (CMU) 和配電單元 (PDU)。

電池管理單元是主控制器；它連接到電池監(jiān)控和配電單元，監(jiān)控整體充電狀態(tài) (SOC) 以及電池電壓和電池溫度信息。電池監(jiān)控單元與電池單元相連；這些模塊組成電池組 - 每個電池組都有一個 CMU 來調(diào)節(jié)各個電池的充電和放電、溫度和電壓。

配電單元連接到從電池組獲取電力或?qū)㈦娏Ψ答伝氐乃薪M件 - 例如，在電動汽車 (EV) 中，這可能是充電系統(tǒng)和電動機。

測試電池管理系統(tǒng) (BMS)

嚴(yán)格的測試可確保 BMS 滿足其要求，例如在充電期間以方式在電池之間分配電流。BMS 在標(biāo)稱范圍和極端情況下進(jìn)行檢查，例如當(dāng)電池過熱、信號故障或發(fā)生短路時。這樣，就可以測試 BMS 在這種情況下如何反應(yīng)并確保正常運行。

測試 BMS 面臨各種挑戰(zhàn)，是一項復(fù)雜的任務(wù)。BMS 包含各種控制器，處理來自分布式傳感器的信號，并與動力傳動系統(tǒng)等眾多系統(tǒng)相連。測試所有功能、配置和狀態(tài)需要付出很多努力，而這在實際電池中幾乎無法實現(xiàn)。

隨著電池的老化，反復(fù)重現(xiàn)條件以測試關(guān)鍵算法（例如電池平衡和充電狀態(tài)或健康狀態(tài) (SoH) 估計）也至關(guān)重要。此外，在開發(fā)過程中，不同的團隊通常負(fù)責(zé)各個組件，而他們的工程師并不總是可用。

電池、BMS 和基礎(chǔ)設(shè)施也在不斷發(fā)展，因此系統(tǒng)提供商必須跟上這一步伐，并迅速應(yīng)對新要求。，使用真實硬件進(jìn)行測試可能會很危險；在壞的情況下，電池可能會因過壓或極端溫度而爆炸。

使用數(shù)字孿生進(jìn)行 BMS 測試

這些挑戰(zhàn)可以通過使用電池的數(shù)字孿生來解決。電池單元模擬器可以通過模擬電壓、電流水平和溫度來模擬電池的行為。它可以表示各種電池組架構(gòu)并與標(biāo)準(zhǔn)測試框架無縫集成。

圖 2電池單元模擬器 (BCE) 通過模擬電壓、電流水平和溫度來模擬電池的行為。來源：Speedgoat GmbH

考慮到電池技術(shù)和化學(xué)性質(zhì)、使用年限和工作溫度，電池單元模擬器可適應(yīng)各種電池型號?？稍谡＿\行條件和故障條件下快速安全地進(jìn)行測試。

與實際電池接口時使用相同的通信協(xié)議。使用數(shù)字孿生進(jìn)行測試還有助于測試系統(tǒng)的其余部分，例如配電和充電組件、電機驅(qū)動器和燃料電池。

必須能夠在測試中重現(xiàn)相同的條件，以可靠地檢查控制器的行為。此外，靈活的測試基礎(chǔ)設(shè)施至關(guān)重要，它允許工程師在開發(fā)過程中不斷測試功能和變化以滿足新的要求。此外，測試許多場景（包括復(fù)雜性）對于實現(xiàn)完整的測試覆蓋至關(guān)重要。

測試用例通常在軟件中定義和跟蹤。自動化測試程序?qū)τ谥貜?fù)測試和有效比較結(jié)果非常重要。需求通常在 Simulink 的專用工具箱（例如 Simulink Test）或與 ASAM XIL 兼容的第三方軟件工具中進(jìn)行管理。

數(shù)字化測試的優(yōu)勢

為了測試 BMS 控制器及其與各種組件的交互，可以使用數(shù)字孿生模擬實際電池的行為。許多見解都是早期獲得的，使工程師能夠在更改仍然易于實施時調(diào)整設(shè)計和功能。此外，電池的數(shù)字孿生能夠適應(yīng)快速變化的趨勢——它比硬件更靈活。它可以無縫配置以適應(yīng)新條件。

此外，借助數(shù)字孿生，可以在組裝之前測試組件。這可以節(jié)省時間，并且可以在開發(fā)過程的早期發(fā)現(xiàn)復(fù)雜情況或設(shè)計錯誤，從而提高開發(fā)質(zhì)量和速度。同樣，由于在早期階段而不是在開發(fā)后期進(jìn)行更正，因此可以節(jié)省開發(fā)和測試成本。，在碰撞、電池故障或過壓等極端事件中，可以對 BMS 進(jìn)行無風(fēng)險測試。

因此，使用電池數(shù)字孿生進(jìn)行測試非常適合測試和驗證電池管理系統(tǒng)并追求連續(xù)自動化工作流程的工程師。對用戶來說，一個有吸引力的特點是他們可以在一個軟件環(huán)境（Simulink）中執(zhí)行所有測試。

電池模型是在 Simulink 中開發(fā)的。之后，可以使用同一模型在后臺使用硬件進(jìn)行測試。靈活的測試基礎(chǔ)設(shè)施和工具箱可以根據(jù)定義的要求進(jìn)行連續(xù)、自動化的測試。

圖 3所有自動化 BMS 測試均可在單一軟件環(huán)境 (Simulink) 中執(zhí)行。來源：Speedgoat GmbH