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.概述隨著混合動力以及純電動汽車的不斷發(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)商對新能源控制器的開發(fā)環(huán)境的需求也在增長。恒潤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)車測試中遇到的所有工況范圍,在實(shí)車試驗(yàn)之前即可對ECU功能進(jìn)行全面測試。本文將提供針對新能源車輛的HCU、MCU以及BMS三個控制器測試的解決方案。2.技術(shù)難點(diǎn)針對BMS的工作電壓測試、單體電池電壓、溫度測試、SOC計算功能測試、充放電控制測試、電池?zé)崞胶鉁y試、高壓安

2、全功能測試、通訊測試、故障診斷測試等等一系列測試,OEM面臨著諸多挑戰(zhàn)。采用真實(shí)的電池組測試BMS有著諸多的弊端:極限工況模擬給測試人員帶來安全隱患,例如過壓、過流和過溫,有可能導(dǎo)致電池爆炸。SOC估計算法驗(yàn)證耗時長,真實(shí)的電池組充放電試驗(yàn)耗時一周甚至更長的時間。模擬特定工況難度大,例如均衡功能測試時,制造電池單體間細(xì)微SOC 差別,電池?zé)崞胶鉁y試時,制造單體和電池包間細(xì)微的溫度差別等。以及其他針對BMS功能測試,如電池組工作電壓、單體電池電壓、溫度、SOC計算功能、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試,OEM都面臨著諸多挑戰(zhàn)。MCU在研發(fā)過程中

3、涉及被控對象的仿真。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)電動勢、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要遠(yuǎn)小于一般機(jī)械系統(tǒng)模型的仿真步長。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頻率。例如,MCU對逆變器IGBT的PWM 控制頻率超過10 kHz;電機(jī)反饋的電機(jī)位置旋變信號的頻率可達(dá)12 kHz以上。這就要求HIL實(shí)時仿真系統(tǒng)對MCU控制信號采集和電機(jī)傳感器信號的仿真都要達(dá)到很高的頻率,一般要求采集頻率達(dá)到信號頻率的1000倍以上,信號仿真輸出頻率達(dá)

4、到信號頻率的100倍以上。面對上述挑戰(zhàn),恒潤科技提供基于TestBase的新能源汽車測試的解決方案。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個主控單元BMU和若干個單體檢測單元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測試也可以分為BMS級測試和BMU級測試。BMS級測試中,BMU和所有BCU都作為測試對象,HIL系統(tǒng)需要為BCU提供每一個單體的輸出電壓信號以及若干個溫度信號。由于BMS級別測試更側(cè)重BMS對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、單體一致性檢測等功能,因而主要用在部件級測試中。在BMU級測試中,BCU采用仿

5、真的形式,HIL系統(tǒng)只需要通過CAN 總線將BCU的相關(guān)報文發(fā)送給BMU即可,無需在硬件上模擬出單體電壓和溫度信號這種方式可以節(jié)省很大一部分的HIL系統(tǒng)硬件成本。BMU級測試多用于動力系統(tǒng)級或整車級的測試中。新能源汽車動力系統(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。針對電機(jī)控制系統(tǒng)的測試一般可分為信號級和功率級,其區(qū)別主要在于是否將真實(shí)逆變器接入測試系統(tǒng)。 圖1-2電機(jī)信號級測試原理Power Level 圖3-3電機(jī)功率級測試原理基于第二章所述的MCU 測試的技術(shù)難點(diǎn),恒潤科技提供了基于高性能FPGA 的電機(jī)實(shí)時仿真方案。NI 的高性能FPGA 板

6、卡PXI 7966R 滿足電機(jī)實(shí)時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 控制信號采集;2 2MHz 的高速DA 輸出通道,用于旋變信號和三相電流信號仿真;3強(qiáng)大的計算能力,在進(jìn)行高速IO信號處理的同時,滿足電機(jī)模型的實(shí)時仿真需求,仿真步長可低于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基本測試需求的同時,MCU測試解決方案還能夠提供多種被控對象故障的仿真功能,包括:能模擬三相主動短路和主動開路工況下電機(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的故障特性。能模擬電機(jī)散熱不良對電機(jī)溫升特性的影響。能模擬各個傳感器的各類故障(短路、開路等失效模式在HCU的測試解決方案中,模擬器需要模擬HCU需要的傳感器比如:油門踏板、制動踏板等,同時采集HCU的輸出信號比如: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與BMS、MCU等相關(guān)控制器節(jié)點(diǎn)的協(xié)同工作來實(shí)現(xiàn)。4.總結(jié)對比采用真實(shí)電池的BMS和真實(shí)電機(jī)的MCU測試,采用電池、電機(jī)仿真技術(shù)的HIL測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,從而全面的測試BMS