《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于CANalyzer的BMS軟件設(shè)計虛擬平臺技術(shù)的研究
2017年微型機與應(yīng)用第6期
姚航1,任曉明1,,那偉1,,王晴2,曹輝2
1.上海電機學(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(shù);將采集到的實際運行數(shù)據(jù)導(dǎo)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(shù)的有效性。
Abstract:
Key words :

  姚航1,,任曉明1,,那偉1,王晴2,,曹輝2

 ?。?.上海電機學(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(shù),;將采集到的實際運行數(shù)據(jù)導(dǎo)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(shù)的有效性,。

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

  中圖分類號:TP311文獻標(biāo)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(shè)計虛擬平臺技術(shù)的研究[J].微型機與應(yīng)用,,2017,36(6):80-83.

0引言

  *基金項目:上海市閔行產(chǎn)學(xué)研合作項目(2016MH320);上海電機學(xué)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(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(shù)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(shù)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(gòu),、軟件設(shè)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(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)計了一種基于CANalyzer的軟件開發(fā)虛擬平臺技術(shù),。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(shù),,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(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(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。

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  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(gòu)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(gòu)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(yīng)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(shè)計

  軟件算法是BMS的核心技術(shù)之一,因此開發(fā)設(shè)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(lǐng)域,。早期的BMS軟件架構(gòu)設(shè)計采用面向過程的應(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展,、算法更加復(fù)雜的BMS軟件設(shè)計需求[7],。

  2.1V型軟件開發(fā)模式

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  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化測試手段來減少從定義、分析,、設(shè)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(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)模式強調(diào)在產(chǎn)品開發(fā)早期引入設(shè)計缺陷和錯誤驗證,,降低了設(shè)計風(fēng)險,避免了傳統(tǒng)開發(fā)流程中易存在的設(shè)計盲目性[89],。圖2為針對BMS而設(shè)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(shù)要求完成算法設(shè)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(guān)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(yīng)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(guān)參數(shù)的標(biāo)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(shè)計需求為止,。

  2.2軟件控制流程設(shè)計

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  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(guān)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(guān)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(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行通信,;CAN2是和充電機以及外置監(jiān)控終端進行通信,。

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  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(shè)計

  在BMS軟件設(shè)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(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(yīng)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(yīng)用,,從簡單的演示培訓(xùn)到復(fù)雜系統(tǒng)的分析和仿真模擬。

  軟件虛擬平臺技術(shù)是通過CANalyzer軟件導(dǎo)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(guān)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(shù)示意圖,。

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  軟件設(shè)計虛擬平臺技術(shù)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(luò)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(dāng)中也需要進行相應(yīng)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(luò),,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(yīng)的數(shù)據(jù)庫,用于解析報文中的信息,。再導(dǎo)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(yīng)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(dǎo)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(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BMS軟件虛擬平臺技術(shù)的應(yīng)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(biāo)QC/T 8972011中對SOC值精度的要求[1011],。通過BMS軟件虛擬平臺技術(shù)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,。

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5結(jié)論

  本文簡單介紹了電池組系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu),、BMS軟件開發(fā)流程和軟件運行流程。介紹了一種基于CANalyzer的軟件虛擬平臺技術(shù),,利用該技術(shù)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(shè)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(shù)對于實際工程有重大意義。

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