电池管理系统全自动测试软件设计

2021-06-04刘永臣巨永锋张嘉洋

化工自动化及仪表 2021年3期

刘永臣巨永锋张嘉洋杜凯

（长安大学电子与控制工程学院）

电池管理系统（BMS）既是新能源汽车的重要组成部分，又是连接电池与用户的枢纽，具有提高电池有效利用率、防止电池过度充放电、延缓电池损耗、增加使用寿命、监控电池的状态的作用，可以更加合理地管理和控制电池［1］。电池作为电动汽车的能量来源，由于电压和功率对汽车驱动的要求，电池需要相互并联或串联才能达到要求进行使用。由于电池制作工艺的不同且电池反复使用，不断充电放电消耗，电池单体电量间的差异越来越明显，长此以往会对电池造成不可恢复的消耗损坏，电池的使用寿命将大打折扣。这也成为新能源汽车核心技术难以突破的瓶颈，所以电动汽车的发展需要电池管理系统技术的发展来支撑［2］。

目前，锂离子电池是新能源汽车中使用范围最广的电池，锂离子电池具有环保、循环寿命长及安全性能好等优点。但是，锂离子电池及其电池管理系统在长期的使用过程中存在一些缺陷亟待解决，如电池单体间差异、电池单体损坏、数据采样精度低及热失控现象等［3］。因此，电池管理系统的质量直接影响电池的效率，而在电池管理系统开发过程中最关键的环节是功能测试。笔者设计开发了一款电池管理系统全自动测试软件，实现对电池管理系统功能的全自动测试，有效提高了功能测试的准确性、全面性和测试效率。

1 BMS概述及测试方案设计

1.1 BMS简介

电池管理系统又被形象地称为“电池保姆”或“电池管家”，其主要功能为全自动、智能化管理并实时维护电池单元，防止电池过充电或过放电，延长电池的使用寿命，监控电池的状态［4］。

BMS的主要功能有：

a.测量电池端电压，电池组总电压、总电流；

b.均衡单体电池间的能量，使电池组中每块电池能量均衡一致［5］，均衡技术是电池管理系统的关键技术［6］；

d.动态监测动力电池组的工作状态；

e.显示实时数据；

f.数据记录及分析，同时挑选出有问题的电池，保持整组电池运行的可靠性和高效性；

g.通信组网功能［7］。

1.2 CAN总线基本概述

CAN总线需要在对等的层次上才能进行通信，因其具有可靠的数据传输和强大的抗干扰能力，且传输效率高，被广泛应用在电子控制单元（ECU）与测试器之间的通信上，它具有以下特性：

a.网络结构设计过程具有最大的灵活性；

b.最大程度定制网络和节点地址；

下面对可能影响矩形空心墩变形能力的参数进行敏感性分析，孙治国等通过有限元模拟，采用位移角作为延性目标对圆形空心墩的延性性能进行了研究。但国内对于桥梁结构而言，一般采用位移延性能力作为检验墩柱延性能力的指标。固本文采用位移延性能力作为延性指标，对纵筋配筋率、壁厚、轴压比及纵筋强度等参数对矩形空心墩抗震能力的影响。

c.网管只需要知道子网的网络地址，而不需要知道子网所有节点的地址。

1.3 BMS测试方案设计

BMS全自动测试系统结构如图1所示，上位机测试软件通过CAN接口与测试平台连接，测试平台提供待测设备的硬件测试环境。上位机测试软件通过发送测试命令，接收测试结果，控制测试平台，实现对BMS各项功能的检测。

图1 BMS全自动测试系统结构框图

上位机测试软件测试的内容包括：CAN通信测试，系统电压测试，BMS电流测试，BMS充电测试，BMS通信测试，BMS电流采集测试，BMS高低边开关测试，BMS开关量输入测试，BMS充电接口测试，BMS的SOC设置测试，BMS温度采集测试，BMS电子锁测试。硬件连接过程为：将CAN通信卡USB接口与电脑/笔记本进行连接；将CAN通信卡的CAN接口与测试平台连接；将待测设备安装到测试平台；将待测设备和测试平台上电。

2 BMS功能测试设计

2.1 CAN通信模块设计

初始化。初始化主要包括基础的设置，如工作方式、比特率及接收滤波方式等，其流程如图2所示。在设定完寄存器之后，确定系统的比特率为250kbit/s。

图2 初始化流程

报文接收。接收的数据储存在一个5级的输入FIFO存储器中，接收子程序可以通过查询或中断的方式来接收数据。笔者采用中断方式接收报文，可降低CPU的负载，提高实时性，具体流程如图3所示。

图3 报文接收中断服务程序流程

报文发送。笔者采用定时方式来发送CAN通信模块数据。发送时，CPU检查CAN通信模块的发送缓冲区，若处于“释放”状态，则CPU将发送的信息传送到该发送缓冲器，然后将标志清零，启动发送，发送期间CPU不能访问发送缓冲器。发送成功后，发送缓冲区回到“释放”状态，这时CPU就可以访问发送缓冲器，继续进行下一次发送操作［8］，报文发送流程如图4所示。

图4 报文发送流程

2.2 电流/电压测试模块设计

主控芯片内置A/D转换器，可将电流传感器和电压传感器分别采集的电流、电压信号传送到主控芯片，完成信号的处理［9］。电流/电压测试模块设计流程如图5所示。

图5 电流/电压测试模块设计流程

3 BMS软件功能验证

使用BMS测试平台对BMS的各项性能进行测试，既可以分析出待测BMS的缺陷和不足之处，也可以验证BMS测试平台的功能是否达到合格标准。按照既定的软件操作流程，在9V供电下测试BMS系统。

3.1 测试全自动测试工装与上位机的通信

全自动测试工装MCU通过CAN通信模块0口和上位机握手通信，如果通信有故障，则蜂鸣器报警。

3.2 电压测试

系统上电后，功率控制MCU_PCON（PJ6）置高，MCU_12VCON（PS3）置低，MCU_16VCON（PS2）置低，默认电压输出为9V，9V LED亮起。检测A/D转换器采集的电压VOUT_AD，对应于MCU模拟输入AN02，输出电压值（单位V）为：

如果输出电压为9V±1V，上报上位机处于9V测试系统，并执行下一步，否则上报上位机电源输出故障，蜂鸣器报警。

3.3 电流测试

电流控制测试端MCU_VOCON（PJ7）置低，使R（1Ω）有效，防止产生过流，目的是保护电路；MCU_K30CON（PS1）置高，打开BMS常供电，测量VOP_AD（AN10）电压，则BMS静态电流（单位mA）为：

如果静态电流不在正常范围之内，上报故障：静态电流过大。

MCU_K30CON（PS1）置高，打开BMS常供电；K15_CON（PS0）置高，使能ON挡信号，测量VOP_AD（AN10）电压，则BMS工作电流（单位mA）为：

如果工作电流不在正常范围之内，上报故障：工作电流过大或BMSON挡故障。

计算完成后，电流控制测试端MCU_VOCON（PJ7）置高。

3.4 通信、温度等测试

测试BMS3个CAN通道接收、发送数据的性能，具体为通过通道1下发给BMS一个数据，BMS收到后回发另外一个数据，通过通道2下发给BMS一个数据，BMS收到后回发另外一个数据，通过通道3下发给BMS一个数据，BMS收到后回发另外一个数据。

采集TEMP_AD（AN08）电压，通过温度分度表，计算得出目前的温度值。通过BMS内部CAN网络，读取BMS主板采集到的温度信息，对比分析温度信息，温度差在±2℃之内即为合格，否则上报故障。

通过BMS内网CAN总线，将随机设置的SOC值下发到BMS主板，等待主板返回信息，如果设置不成功上报故障，如果设置成功则命令主板回读设置的SOC值，与设置的SOC值进行对比，如果不一致，上报故障。

3.5 验证说明

安装完毕后，在电脑上运行测试软件，打开登录界面（图6），设置好“设备类型”和“比特率”，点击“OK”键。

图6 登录界面

连接成功后，进入BMS全自动测试软件测试界面（图7）。

首先设置初始值，将初始值填入方框中，点击“设置”，弹出“设置成功”或“设置失败”提示。点击“整体测试”按键。若测试过程中出现故障，测试平台会有报警提示音，点击“报警消除”按键，停止提示音。测试过程中当用户需要停止测试时，点击“停止测试”按键。测试完成后，页面上会显示9、12、16V这3个模式下的测试结果，并将测试过程中的详细数据显示在白色方框内，如图8所示。