电动汽车BMS开发中的建模和仿真用例

安全性是电动汽车 (EV)的首要关注点。锂离子电池是电动汽车的典型选择，其能量密度高，如果操作条件偏离电池的设计条件，则会带来故障风险。电池管理系统 (BMS) 对于防止负面后果至关重要，包括热失控(一种导致电池损坏的不可控放热反应)。

BMS 的主要功能包括监测电流、电压和温度、防止过度充电和过度放电、平衡电池间的电荷、估计电池的荷电状态 (SOC) 和健康状态 (SOH)，以及控制电池组的温度。这些功能至关重要，因为它们影响电动汽车的性能、安全性、电池寿命和用户体验。例如，通过防止过度充电和超过电压限制的放电，BMS 可以防止电池过早老化，确保车辆在其使用寿命内保持高性能。

仿真在 BMS 开发中的优势

工程师使用行为模型在台式计算机上仿真电池厂模型、环境和 BMS 算法。他们使用桌面仿真来探索新的设计理念，并在制作硬件原型之前测试多种系统架构。桌面仿真使工程师能够验证 BMS 设计的功能方面。例如，工程师可以探索不同的平衡配置来评估它们之间的适用性和权衡。仿真对于需求测试也起到了重要作用;例如，工程师可以在出现隔离故障的情况下验证接触器的行为是否正确。评估故障期间系统的行为是使用仿真取代硬件测试的另一个明显例子。

一旦使用桌面仿真验证了设计，工程师就可以自动生成 C 或 HDL 代码以进行快速原型(RP) 或硬件在环 (HIL) 测试，以进一步验证实时运行的BMS 算法。通过 RP，可以从 BMS 算法模型生成代码并将其部署到执行生产微控制器功能的实时计算机中。利用自动代码生成，只需数小时(而不是数天)即可在实时硬件上测试模型中的算法更改。在 HIL 测试的情况下，代码是从电池厂模型而不是 BMS 算法模型生成的，从而提供代表电池组、有源和无源电路元件、负载、充电器和其他系统组件的虚拟实时环境。该虚拟环境使工程师能够在开发硬件原型之前实时验证 BMS 控制器的功能。

仿真使工程师能够大幅缩短从设计到代码生成的时间，从而能够以更快的速度和更高的效率对各种技术进行快速建模。Altigreen Propulsion Labs 的工程师使用基于仿真的方法来建模并迭代测试不同的 SOC 估计技术，例如卡尔曼滤波和库仑计数，并设计了一个全面的 SOC 估计技术。Altigreen 首席工程师兼控制系统主管 Prathamesh Patki 表示，“Embedded Coder 将开发时间缩短了一半。我们的任何设想，都可以在最短时间内在真实硬件上付诸实现。”

工程师使用行为模型在台式计算机上仿真电池厂模型、环境和 BMS 算法。

BMS 开发中的建模和仿真用例

电池特性是将电池模型与实验数据拟合的过程。准确的电池特性至关重要，因为 BMS 算法使用电池模型来设置控制参数，例如用于 SOC 估计的卡尔曼滤波器或基于 SOC 的功率限制以及温度以避免欠压或过压情况。在BMS开发后期，工程师可以使用相同的电池模型进行系统级闭环桌面和实时系统仿真。Simscape Battery等工具提供了多种电池建模方法，包括等效电路、电化学和使用神经网络的降阶建模。

充电速度是电动汽车设计和采用的一个关键性能指标。快速充电的高功率水平会给电池材料带来压力并缩短其寿命。因此，优化快速充电期间的功率分布以确保最大的充电速率和最小的电池压力至关重要。这是通过仿真和优化的结合实现的。充电时间被最小化，同时压力因素被保持在可接受的范围内。

生产代码生成补充了符合汽车行业正式认证标准的 BMS 设计工作流程。例如，当LG Chem (现为 LG EnergySolution) 为沃尔沃 XC90 插电式混合动力车开发了BMS，AUTOSAR 是一项要求标准。LG Chem 选择将 BMS 算法和行为建模和仿真作为其设计工作流程的一个组成部分。每次软件发布时发现的软件问题数量从大约 22 个减少到不到 9 个 — 远低于项目目标。LG Chem 使用 AUTOSAR 为沃尔沃开发的 BMS 已获得基于 ISO 26262 功能安全的汽车安全完整性等级 C (ASIL C) 认证。

结束语

BMS 设计中的建模和仿真可以缩短开发周期、降低成本并实现更安全、更高效的电动汽车。通过在所有可能的操作和故障条件下运行 BMS 算法，工程师可以更加确信 BMS 软件将在实际系统中处理这些情况，从而减少了昂贵测试的需要。最终，这种方法确保最终产品超出行业标准和消费者期望。

| 关于作者

Danielle Chu

Danielle Chu 是 MathWorks 的产品经理，负责支持 Simscape 产品系列，专门研究电力电子和电池系统。在加入 MathWorks 之前，Danielle 在 John Deere 工作了 7 年，参与开发电力电子控制系统。在加入约翰迪尔之前，她曾在佛罗里达州立大学先进电力系统中心 (CAPS) 从事博士后工作，并获得南卡罗来纳大学电气工程博士学位和密西西比州立大学电气工程硕士学位。