姚航1，任曉明1，那偉1，王晴2，曹輝2

　?。?.上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院，上海 200240； 2.上海航天電源技術(shù)有限責(zé)任公司，上海 201615）

       摘要：電池管理系統(tǒng)（BMS）是電動(dòng)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(gòu)和軟件流程圖，從軟件設(shè)計(jì)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(tái)技術(shù)；將采集到的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)入到虛擬平臺(tái)中，從而能夠模擬真實(shí)情況下的軟件運(yùn)行環(huán)境，能夠更可靠地對(duì)已編寫好的軟件代碼進(jìn)行測(cè)試和功能驗(yàn)證，縮短軟件開發(fā)周期。最后通過試驗(yàn)，驗(yàn)證了該技術(shù)的有效性。

　　關(guān)鍵詞：BMS；V開發(fā)流程；軟件開發(fā)；虛擬平臺(tái)技術(shù)

　　中圖分類號(hào)：TP311文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(shè)計(jì)虛擬平臺(tái)技術(shù)的研究［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（6）：80-83.

0引言

　　*基金項(xiàng)目：上海市閔行產(chǎn)學(xué)研合作項(xiàng)目（2016MH320）；上海電機(jī)學(xué)院研究生科創(chuàng)項(xiàng)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(jìn)一步向前推進(jìn)。電動(dòng)汽車作為其中的主力軍，其技術(shù)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(dòng)汽車上的主要核心部分之一，管理著電動(dòng)汽車的動(dòng)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(dòng)汽車行業(yè)市場(chǎng)的崛起，BMS技術(shù)也得到了一定程度的發(fā)展和進(jìn)步，但是也存在一些不足。文獻(xiàn)［2］對(duì)新能源汽車技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)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(diǎn)。文獻(xiàn)［3］從軟件的系統(tǒng)架構(gòu)、軟件設(shè)計(jì)和研發(fā)過程管理3個(gè)方面對(duì)BMS的軟件工程做了具體闡述。文獻(xiàn)［4］介紹了基于AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)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(gòu)、功能，并介紹了軟件V開發(fā)流程和BMS軟件流程架構(gòu),設(shè)計(jì)了一種基于CANalyzer的軟件開發(fā)虛擬平臺(tái)技術(shù)。在BMS軟件開發(fā)以及后期功能升級(jí)維護(hù)的時(shí)候，使用該虛擬平臺(tái)技術(shù)，能夠結(jié)合實(shí)際工況采集的數(shù)據(jù)，模擬出BMS系統(tǒng)在真實(shí)環(huán)境中的運(yùn)行，從而檢測(cè)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(biāo)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(dá)2 000次以上，能量密度比較高，可達(dá)122 Wh/kg，同時(shí)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(gòu)方式［5］，其整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。系統(tǒng)控制部分主要由一個(gè)電池管理系統(tǒng)主控模塊BMU和若干個(gè)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(gè)電池組系統(tǒng)，包括電池組總電壓、總電流的監(jiān)測(cè)、電池組的荷電狀態(tài)（SOC）計(jì)算、均衡策略的控制、絕緣檢測(cè)以及故障診斷等。從控單元LECU采集各個(gè)電池組模塊的信息，如單體電壓、溫度等；同時(shí)也通過接收BMU的指令，進(jìn)行熱管理處理、均衡控制，通過CAN總線與BMU之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互?；魻杺鞲衅髦饕怯脕肀O(jiān)測(cè)動(dòng)力電池組母線分別在充電、放電時(shí)候的電流；絕緣監(jiān)測(cè)儀主要監(jiān)測(cè)高壓母線的正極、負(fù)圖1BMS整體結(jié)構(gòu)示意圖極對(duì)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(duì)車輛、人員造成安全隱患。這種分布式的結(jié)構(gòu)方式使得動(dòng)力電池組管理系統(tǒng)適用于動(dòng)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(yīng)于不同車型的動(dòng)力電池組系統(tǒng)，實(shí)際操作靈活度非常高［6］。

2BMS的軟件開發(fā)設(shè)計(jì)

　　軟件算法是BMS的核心技術(shù)之一，因此開發(fā)設(shè)計(jì)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(duì)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(zhēng)相競(jìng)爭(zhēng)的核心領(lǐng)域。早期的BMS軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)采用面向過程的應(yīng)用執(zhí)行體系，導(dǎo)致代碼復(fù)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(kuò)展、算法更加復(fù)雜的BMS軟件設(shè)計(jì)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(fù)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(dòng)化測(cè)試手段來減少從定義、分析、設(shè)計(jì)到實(shí)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(biāo)準(zhǔn)（ASAM/ASAP），目前已在汽車電子開發(fā)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。V型開發(fā)模式強(qiáng)調(diào)在產(chǎn)品開發(fā)早期引入設(shè)計(jì)缺陷和錯(cuò)誤驗(yàn)證，降低了設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，避免了傳統(tǒng)開發(fā)流程中易存在的設(shè)計(jì)盲目性［89］。圖2為針對(duì)BMS而設(shè)計(jì)的V型開發(fā)流程圖。

　　首先根據(jù)整車對(duì)電池組系統(tǒng)以及BMS系統(tǒng)的技術(shù)要求完成算法設(shè)計(jì)、功能分析；然后在MATLAB/Simulink中搭建功能模型，并進(jìn)行仿真分析；再進(jìn)行軟件在環(huán)測(cè)試，對(duì)相關(guān)功能、算法的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行測(cè)試，之后便通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成C代碼，將生成的代碼下載至相應(yīng)的硬件系統(tǒng)中進(jìn)行硬件在環(huán)仿真測(cè)試；隨后將BMS軟件程序加載到真實(shí)的電池組系統(tǒng)中，進(jìn)行系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的標(biāo)定與測(cè)試；最后和需求進(jìn)行對(duì)比測(cè)試驗(yàn)證，直到滿足最初的設(shè)計(jì)需求為止。

　　2.2軟件控制流程設(shè)計(jì)

　　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(jìn)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(cè)，包括總壓、電流、絕緣值的檢測(cè)以及SOC計(jì)量；電池組系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)檢測(cè)完成以后，便進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和故障判斷，有故障就進(jìn)入故障處理機(jī)制，沒有故障就進(jìn)入下一步，把相關(guān)參數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)，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(jìn)行報(bào)文數(shù)據(jù)通信。CAN0主要擔(dān)當(dāng)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(jìn)行通信；CAN2是和充電機(jī)以及外置監(jiān)控終端進(jìn)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(jìn)行初始化，也包括系統(tǒng)自檢；之后是單體電壓檢測(cè)、溫度檢測(cè)；將檢測(cè)的數(shù)據(jù)通過CAN總線上報(bào)給BMU，BMU通過數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷是否進(jìn)行均衡控制和熱管理，再下發(fā)指令至LECU進(jìn)行執(zhí)行。同時(shí)，LECU也通過采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算處理和故障判斷，一旦觸發(fā)故障便進(jìn)入故障處理機(jī)制。最后是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和CAN通信，LECU是通過CAN總線與BMU進(jìn)行通信的。

3BMS的軟件開發(fā)設(shè)計(jì)

　　在BMS軟件設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，需要不斷地進(jìn)行測(cè)試以及功能驗(yàn)證，很多時(shí)候都僅僅依賴于所搭建的仿真模型或者硬件平臺(tái)來進(jìn)行的，與軟件在真實(shí)環(huán)境中的運(yùn)行的實(shí)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(luò)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?jǐn)U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(qiáng)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(yīng)繪制統(tǒng)計(jì)圖表等；同時(shí)還能存儲(chǔ)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(yīng)用，從簡(jiǎn)單的演示培訓(xùn)到復(fù)雜系統(tǒng)的分析和仿真模擬。

　　軟件虛擬平臺(tái)技術(shù)是通過CANalyzer軟件導(dǎo)入實(shí)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(gè)真實(shí)的運(yùn)行環(huán)境，再配合主控BMU控制板來運(yùn)行軟件程序；通過CANalyzer軟件可以讀出CAN總線中上傳的報(bào)文，配合數(shù)據(jù)庫進(jìn)行報(bào)文解析得到相關(guān)參數(shù)，從而便可以進(jìn)行BMS軟件開發(fā)的測(cè)試和功能驗(yàn)證。圖5為軟件虛擬平臺(tái)技術(shù)示意圖。

　　軟件設(shè)計(jì)虛擬平臺(tái)技術(shù)是利用真實(shí)行車過程中采集的實(shí)況數(shù)據(jù)來搭建一個(gè)真實(shí)的軟件運(yùn)行環(huán)境。實(shí)況數(shù)據(jù)利用CANalyzer軟件將數(shù)據(jù)經(jīng)過CAN總線上報(bào)給BMU，BMU接收到的數(shù)據(jù)是完全真實(shí)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，從而能夠模擬出真實(shí)的運(yùn)行環(huán)境。在進(jìn)行軟件測(cè)試驗(yàn)證之前，需要將CAN總線上的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行修改和調(diào)整。例如需要驗(yàn)證SOC算法，需要將CAN總線中的SOC發(fā)送節(jié)點(diǎn)去掉，同時(shí)將計(jì)算SOC所需要的參數(shù)從發(fā)送節(jié)點(diǎn)修改為接收節(jié)點(diǎn)，并送到BMU主控板節(jié)點(diǎn)中?；诖耍谒⒌哪Ｐ彤?dāng)中也需要進(jìn)行相應(yīng)的修改，修改完成以后，通過代碼自動(dòng)生成軟件生成軟件代碼。

　　在進(jìn)行軟件程序的測(cè)試過程中，首先將需要進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)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(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)，利用CAN總線分析儀的USB接口接入計(jì)算機(jī)中；CANalyzer軟件需要加載相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，用于解析報(bào)文中的信息。再導(dǎo)入實(shí)況數(shù)據(jù)，運(yùn)行CANalyzer軟件，通過軟件本身強(qiáng)大的可視化界面來對(duì)軟件運(yùn)行過程進(jìn)行檢測(cè)和分析。

4BMS軟件虛擬平臺(tái)的應(yīng)用

　　在BMS中，SOC的精度對(duì)于電動(dòng)汽車的安全性和經(jīng)濟(jì)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(shí)值。本文中介紹的BMS系統(tǒng)中SOC的算法是結(jié)合安時(shí)積分法和開路電壓法來估算的，同時(shí)配合一些邊界修正條件來對(duì)SOC進(jìn)行校正。

　　通過長時(shí)間對(duì)電動(dòng)汽車的行車數(shù)據(jù)進(jìn)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(dǎo)致在放電末期會(huì)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(fù)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(duì)BMS軟件虛擬平臺(tái)技術(shù)的應(yīng)用，來測(cè)試驗(yàn)證SOC估算軟件代碼。

　　通過對(duì)原來SOC算法進(jìn)行修改，對(duì)邊界校正的控制策略進(jìn)行完善以后，生成軟件代碼。利用軟件虛擬平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，直到達(dá)到軟件開發(fā)的要求。再將改進(jìn)后的SOC軟件代碼放在整車運(yùn)行中進(jìn)行試驗(yàn)分析。

　　本次試驗(yàn)采用的是同一輛營運(yùn)的純電動(dòng)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(jìn)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(yùn)行開始時(shí)，SOC估算安時(shí)積分法和通過校正以后上報(bào)CAN總線的情況，可以看出，起始時(shí)兩種估算值保持高度一致，偏差也很小。連續(xù)進(jìn)行每天接近8小時(shí)、近40天的營運(yùn)試驗(yàn)，圖7為試驗(yàn)后期采集的一段時(shí)間的SOC值變化情況，經(jīng)過300多小時(shí)的運(yùn)行試驗(yàn)以后，安時(shí)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(dòng)。根據(jù)SOC安時(shí)積分值和校正上報(bào)CAN總線的值可以初步估計(jì)經(jīng)過300多小時(shí)的運(yùn)行以后，SOC估算偏差能有效地控制在5%以內(nèi)了，符合國標(biāo)QC/T 8972011中對(duì)SOC值精度的要求［1011］。通過BMS軟件虛擬平臺(tái)技術(shù)對(duì)編寫的軟件程序進(jìn)行測(cè)試和功能驗(yàn)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(jiǎn)單介紹了電池組系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)、BMS軟件開發(fā)流程和軟件運(yùn)行流程。介紹了一種基于CANalyzer的軟件虛擬平臺(tái)技術(shù)，利用該技術(shù)能夠模擬出軟件程序運(yùn)行的真實(shí)環(huán)境，從而使軟件的測(cè)試和功能驗(yàn)證更加可靠、可信，更加接近真實(shí)工況。同時(shí)，也極大地加快了軟件開發(fā)設(shè)計(jì)的進(jìn)程，縮短了開發(fā)周期，簡(jiǎn)化了軟件測(cè)試方案和流程。以修改SOC算法為例，通過實(shí)際試驗(yàn)表明，BMS軟件開發(fā)虛擬平臺(tái)技術(shù)對(duì)于實(shí)際工程有重大意義。

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