新能源汽车发展道路技术难点浅析及解决方案

1.概述

随着混合动力和纯电动汽车的不断发展，电机控制策略的复杂性和可靠性都在增加。汽车制造商和供应商对新能源控制器开发环境的需求也在增加。

目前，一种新的新能源汽车整体解决方案已经推出，允许工程师在实验室环境中完成车辆控制器（HCU）、电池管理单元（BMS）、电机控制器（MCU）和功能的验证。它可以模拟实车测试中遇到的所有工况，在实车测试之前可以对ECU功能进行全面测试。

本文将为新能源汽车的HCU、MCU和BMS控制器的测试提供一个解决方案。

2.技术难点

OEM面临着BMS工作电压测试、电池电压测试、温度测试、SOC计算功能测试、充放电控制测试、电池热平衡测试、高压安全功能测试、通信测试、故障诊断测试等一系列测试的诸多挑战。

使用实际电池组测试BMS有许多缺点：

A.模拟极端工作条件给测试人员带来了潜在的安全隐患，如过电压、过电流和过热，可能导致电池爆炸。

B.SOC估计算法的验证需要很长时间，真正的电池充放电测试需要一周甚至更长时间。

C.很难模拟特定的工作条件，例如在平衡功能测试期间制造电池之间的细微SOC差异，以及在电池热平衡测试期间制造细胞与电池舱之间的细微温差。

D.以及其他BMS功能测试，如电池工作电压、电池电压、温度、SOC计算功能、充放电控制、电池热平衡、高压安全功能、均衡功能、通信、故障诊断、传感器等一系列测试，OEM面临着许多挑战。

MCU在研发过程中涉及到对被控对象的仿真。电机本体的工作原理主要基于电磁感应原理，其物理量（如磁通量、感应电动势、电磁力等）的交互变化速度远快于机械系统的力和速度的变化。为了保证高仿真精度，要求模型的仿真步长比一般机械系统模型的仿真步骤小得多。

相应地，与汽车中的通用电气控制系统不同，MCU的特殊之处在于它具有高控制频率和高输入信号频率。例如，逆变器IGBT的MCU的PWM控制频率超过10kHz

; 电机反馈的电机位置分解器信号的频率可以达到12 kHz以上。这需要HIL实时仿真系统以非常高的频率获取MCU控制信号并模拟电机传感器信号。一般情况下，采集频率要求为信号频率的1000倍以上，信号模拟输出频率为信号频率100倍以上。

步骤3：解决方案

3.1.BMS解决方案

电池管理系统大多采用分布式结构，包括一个主控制单元BMU和几个单体检测单元BCU，如下图所示。

电池管理系统分布式结构图

因此，电池管理系统的HIL测试也可以分为BMS测试和BMU测试。

在BMS水平测试中，BMU和所有BCU是测试对象，HIL系统需要向BCU提供每个单体的输出电压信号和几个温度信号。BMS级测试主要用于组件级测试，因为它更关注BMS对电池组本身的管理功能，如电池电压采样、温度采样、SOC估计、电池一致性检测等。

在BMU级测试中，对BCU进行了模拟，HIL系统只需要通过CAN总线将BCU的相关信息发送到BMU，而无需在硬件上模拟单个电压和温度信号，这可以节省HIL系统的大部分硬件成本。BMU级测试主要用于电力系统级或车辆级测试。

3.2.MCU解决方案

新能源汽车动力系统中使用的电机一般为永磁同步电机，电机系统通常由电机本体、逆变器和电子控制单元MCU组成。

电机控制系统的测试通常可以分为信号电平和功率电平，区别主要在于实际的逆变器是否连接到测试系统。

电机信号电平测试原理

电机功率电平测试原理

基于MCU测试的技术难点，恒润科技提供了一种基于高性能FPGA的电机实时仿真方案。NI的高性能FPGA板PXI 7966R满足实时电机仿真的所有特性，包括：

1） 40MHz PWM采集通道，用于逆变器IGBT控制信号采集；

2） 用于分解器信号和三相电流信号模拟的2MHz高速DA输出通道；

3） 强大的计算能力，在处理高速IO信号的同时，可以满足电机模型的实时仿真要求，仿真步骤可以小于2us。

基于FPGA的电机仿真解决方案

本方案中与MCU HIL测试相关的配置（除了一般的HIL系统硬件和软件配置外）包括：

模型

解释

硬件

PXI-7966R型

用于电机模拟的NI FlexRIO FPGA模块。

HS9202型

电机模拟适配模块，包括4个高速ADC采集通道（10MSPS）、8个高速DAC通道（10MSP）、8条数字输入通道和12条数字输出通道。

MCU测试解决方案在满足MCU基本测试要求的同时，还可以为被控对象的故障提供多种模拟功能，包括：

A.可以模拟电动机在三相有源短路和有源开路条件下的稳态和瞬态电气特性。

B它可以模拟转子永磁体的去磁和去磁特性。

C、可以模拟电机绕组同相匝间、相间短路和开路的故障特性。

D、可以模拟电机散热不良对电机温升特性的影响。

E、可以模拟每个传感器的各种故障（短路、断路等故障模式）。

3.3.HCU溶液

在HCU的测试解决方案中，模拟器需要模拟HCU所需的传感器，如加速踏板和制动踏板，并收集HCU的输出信号，如冷却风扇和前离合器。HCU的复杂控制功能通常是通过与BMS、MCU等相关控制器节点协作来实现的。

步骤4总结

与BMS与实际电池和MCU与实际电机的测试相比，采用电池和电机仿真技术的HIL测试具有以下明显优势：

1.安全节能：避免使用大功率充放电设备，避免测试对测试人员造成安全隐患；

2.方便制作各种BMS和MCU故障，从而全面测试BMS和MCU的诊断功能；

3.通过软硬件配置实现各种规格的电池组（电池数量、电压电平）仿真和电机仿真；

4.电池状态，如SOC和温度，可以在线快速修改，以提高测试效率；

5.通过修改模型参数，可以模拟电池老化和单体不一致性；

6.可以模拟整车的运行环境。1.概述

随着混合动力和纯电动汽车的不断发展，电机控制策略的复杂性和可靠性都在增加。汽车制造商和供应商对新能源控制器开发环境的需求也在增加。

目前，一种新的新能源汽车整体解决方案已经推出，允许工程师在实验室环境中完成车辆控制器（HCU）、电池管理单元（BMS）、电机控制器（MCU）和功能的验证。它可以模拟实车测试中遇到的所有工况，在实车测试之前可以对ECU功能进行全面测试。

本文将为新能源汽车的HCU、MCU和BMS控制器的测试提供一个解决方案。

2.技术难点

OEM面临着BMS工作电压测试、电池电压测试、温度测试、SOC计算功能测试、充放电控制测试、电池热平衡测试、高压安全功能测试、通信测试、故障诊断测试等一系列测试的诸多挑战。

使用实际电池组测试BMS有许多缺点：

A.模拟极端工作条件给测试人员带来了潜在的安全隐患，如过电压、过电流和过热，可能导致电池爆炸。

B.SOC估计算法的验证需要很长时间，真正的电池充放电测试需要一周甚至更长时间。

C.很难模拟特定的工作条件，例如在平衡功能测试期间制造电池之间的细微SOC差异，以及在电池热平衡测试期间制造细胞与电池舱之间的细微温差。

D.以及其他BMS功能测试，如电池工作电压、电池电压、温度、SOC计算功能、充放电控制、电池热平衡、高压安全功能、均衡功能、通信、故障诊断、传感器等一系列测试，OEM面临着许多挑战。

MCU在研发过程中涉及到对被控对象的仿真。电机本体的工作原理主要基于电磁感应原理，其物理量（如磁通量、感应电动势、电磁力等）的交互变化速度远快于机械系统的力和速度的变化。为了保证高仿真精度，要求模型的仿真步长比一般机械系统模型的仿真步骤小得多。

相应地，与汽车中的通用电气控制系统不同，MCU的特殊之处在于它具有高控制频率和高输入信号频率。例如，逆变器IGBT的MCU的PWM控制频率超过10kHz

; 电机反馈的电机位置分解器信号的频率可以达到12 kHz以上。这需要HIL实时仿真系统以非常高的频率获取MCU控制信号并模拟电机传感器信号。一般情况下，采集频率要求为信号频率的1000倍以上，信号模拟输出频率为信号频率100倍以上。

步骤3：解决方案

3.1.BMS解决方案

电池管理系统大多采用分布式结构，包括一个主控制单元BMU和几个单体检测单元BCU，如下图所示。

电池管理系统分布式结构图

因此，电池管理系统的HIL测试也可以分为BMS测试和BMU测试。

在BMS水平测试中，BMU和所有BCU是测试对象，HIL系统需要向BCU提供每个单体的输出电压信号和几个温度信号。BMS级测试主要用于组件级测试，因为它更关注BMS对电池组本身的管理功能，如电池电压采样、温度采样、SOC估计、电池一致性检测等。

在BMU级测试中，对BCU进行了模拟，HIL系统只需要通过CAN总线将BCU的相关信息发送到BMU，而无需在硬件上模拟单个电压和温度信号，这可以节省HIL系统的大部分硬件成本。BMU级测试主要用于电力系统级或车辆级测试。

3.2.MCU解决方案

新能源汽车动力系统中使用的电机一般为永磁同步电机，电机系统通常由电机本体、逆变器和电子控制单元MCU组成。

电机控制系统的测试通常可以分为信号电平和功率电平，区别主要在于实际的逆变器是否连接到测试系统。

电机信号电平测试原理

电机功率电平测试原理

基于MCU测试的技术难点，恒润科技提供了一种基于高性能FPGA的电机实时仿真方案。NI的高性能FPGA板PXI 7966R满足实时电机仿真的所有特性，包括：

1） 40MHz PWM采集通道，用于逆变器IGBT控制信号采集；

2） 用于分解器信号和三相电流信号模拟的2MHz高速DA输出通道；

3） 强大的计算能力，在处理高速IO信号的同时，可以满足电机模型的实时仿真要求，仿真步骤可以小于2us。

基于FPGA的电机仿真解决方案

本方案中与MCU HIL测试相关的配置（除了一般的HIL系统硬件和软件配置外）包括：

模型

解释

硬件

PXI-7966R型

用于电机模拟的NI FlexRIO FPGA模块。

HS9202型

电机模拟适配模块，包括4个高速ADC采集通道（10MSPS）、8个高速DAC通道（10MSP）、8条数字输入通道和12条数字输出通道。

MCU测试解决方案在满足MCU基本测试要求的同时，还可以为被控对象的故障提供多种模拟功能，包括：

A.可以模拟电动机在三相有源短路和有源开路条件下的稳态和瞬态电气特性。

B它可以模拟转子永磁体的去磁和去磁特性。

C、可以模拟电机绕组同相匝间、相间短路和开路的故障特性。

D、可以模拟电机散热不良对电机温升特性的影响。

E、可以模拟每个传感器的各种故障（短路、断路等故障模式）。

3.3.HCU溶液

在HCU的测试解决方案中，模拟器需要模拟HCU所需的传感器，如加速踏板和制动踏板，并收集HCU的输出信号，如冷却风扇和前离合器。HCU的复杂控制功能通常是通过与BMS、MCU等相关控制器节点协作来实现的。

步骤4总结

与BMS与实际电池和MCU与实际电机的测试相比，采用电池和电机仿真技术的HIL测试具有以下明显优势：

1.安全节能：避免使用大功率充放电设备，避免测试对测试人员造成安全隐患；

2.方便制作各种BMS和MCU故障，从而全面测试BMS和MCU的诊断功能；

3.通过软硬件配置实现各种规格的电池组（电池数量、电压电平）仿真和电机仿真；

4.电池状态，如SOC和温度，可以在线快速修改，以提高测试效率；

5.通过修改模型参数，可以模拟电池老化和单体不一致性；

6.可以模拟整车的运行环境。

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