汽车BMS电池管理测试系统

开发用于测试汽车电池管理系统的PXI解决方案

随着发展国家试图转变为更加“绿色”的生活方式,电动汽车显然正逐渐成为汽车领域的一部分。他们承诺低排放或零排放,甚至可以降低来自电网的燃料成本,但仍可以安全地将我们载送至工作地和购物场所。

但是他们的设计是汽车工业范例的转变-新的驱动系统、技术和测试计划。随着车辆的电子内容的增长,这些车辆给行业带来了新的测试和验证挑战。

汽车BMS电池管理测试系统插图

汽车工业已将锂离子电池用于大多数未来的混合动力汽车和插电式混合动力汽车。这种电池设计需要精心设计的充电系统,以提供长寿命和安全性。这意味着电动汽车要解决的主要挑战之一是电池管理系统(BMS)的有效测试,该系统是管理电池状态的电子设备,该电池存储了驱动车辆所需的高能量。

为了协助BMS的测试,DMC工程与软件服务和Pickering Interfaces合作,基于仿真电池系统的PXI模块,为一家主要制造商提供了针对BMS测试的解决方案。在本文中,我们将讨论一些必须执行的测试以及原因。我们还将展示如何利用PXI,以及为什么它是解决复杂问题的完美解决方案。

构建和测试BMS

锂离子电池的制造过程具有高度的固有差异,因此需要更先进,更强大的BMS。BMS必须通过主动监视和平衡每个电池的充电状态(SOC)来补偿模块或“堆栈”中任何性能不佳的电池。电池组设计可以包含好坏电池的无限组合,并且会受到各种环境条件的影响。这些变化和使用场景需要对电池组进行仿真,以开发和鉴定有效的电池管理系统。它还会影响生产环境中使用的测试类型。

因此,BMS是混合动力电动汽车(HEV),电动汽车(EV)和插电式电动汽车(PHEV)电驱动系统的关键组件。典型的BMS控制储能系统(ESS)的所有功能,包括电池组电压和电流监视,单个电池电压测量,电池平衡例程,电池组充电状态计算,电池温度和健康状况监视,以及确保整个电池组安全和最佳性能。

BMS模块和相关子模块必须从电池堆读取电压,并从相关的温度,电流和电压传感器读取输入。从那里开始,BMS必须处理输入,做出逻辑决定以安全地控制电池组性能,并通过各种仿真,数字和通信输出报告输入状态和运行状态。

有效地测试BMS系统涉及两个主要功能:
(1)准确模拟BMS所需的传感器和电池组输入
(2)测量,收集和处理BMS系统产生的数字和仿真输出这些输入。

为什么BMS面临挑战?

分别验证电池组BMS性能的主要原因有两个,包括安全性寿命

汽车BMS电池管理测试系统插图(1)

每个人都听到了有关笔记本电脑和手机中锂离子电池爆炸的恐怖故事。好消息是,锂离子电池的能量密度是铅酸化学物质的六倍,是镍金属氢化物的三倍–此外,通过正确设计和维护的电池组,可以实现更多的充电/放电循环。但是,每当您将更多的能量打包到更小的空间中,并具有更高的可用性时,您对安全性的担忧就会增加。 

电池能量的受控释放以电流和电压的形式提供电能。该能量的不受控制的释放会导致释放有毒物质(即烟),着火,高压事件(即爆炸)或其任意组合。所有的锂离子系统都使用易燃的电解质,并且容易发生“热失控”。加热该材料时,它将达到起始温度,在该温度下,该材料开始自热,并着火并爆炸。

严重的外伤(例如压伤,刺穿或燃烧)可能导致不受控制的能量释放,而机械安全系统和适当的物理设计可以缓解这种情况。但是,它们也可能是由于电池短路,异常高的放电速率,过多的热量累积,过度充电或持续充电而引起的,这些都会削弱电池的性能。通过适当设计和验证的电子安全和监视系统(通常称为电池管理系统)可以最好地防止这些原因。

BMS还负责跟踪电池组的确切充电状态,这对于维持其使用寿命至关重要。只需给电池组充电过多或放电深度过大,就会大大缩短可用的电池寿命。因此,BMS必须包括一个非常准确的电荷估算器。由于您无法直接测量电池的电量,因此必须根据测量的特性(例如电压,温度,电流和其他专有(取决于制造商)参数)来计算充电状态百分比。BMS是负责这些测量和计算的系统。验证BMS充电状态计算的准确性对于包装性能和寿命至关重要。

电池组仿真

具有磷酸铁锂阴极和石墨阳极的锂离子电池具有3.2 V的标称开路电压和3.6 V的典型充电电压。具有石墨阳极的锂镍锰钴(NMC)氧化锂阴极的标称电压为3.7 V最大充电电压为4.2V。典型的汽车用电池堆有96个串联的电池,能够产生超过350V的电压。与低压系统相比,高压可使能量通过更细的线和更低的损耗传递到驱动系统,但是如果要避免对电子系统造成损坏,则高压需要仔细管理。在实际的电池组上测试和验证新的BMS系统不是一个很好的解决方案,因为错误的后果很可能会严重损坏仪器,并可能伤害到测试操作员。该测试不能重复运行。只能在有相对把握时,BMS才能连接到实际电池组。第二个问题是,不能更改真实电池组电池的故障和特性以模拟BMS设计要处理的条件。注入故障(尤其是在开发和NPI中)对于成功验证硬件和固件设计至关重要。

DMC向Pickering Interfaces提出了一个电池仿真器的请求,该仿真器可用于仿真低功率电池组,以验证BMS设计的目的。电池组必须针对每个电池的输出电压进行完全编程,并且该组必须能够提供电流和吸收电流(充电状态)。

设计挑战

Pickering Interfaces在设计用于移动应用的基于单电池PXI的电池仿真器方面已经具有经验。因此,在询问之后,进行了设计可行性研究。为了保持系统的紧凑性和低成本,我们确定需要在单个模块上尽可能多地封装通道。这使得紧凑的占地面积成为了汽车行业合理的价格。
不能否认,但是PXI并不是设计高密度,多单元电池仿真器的理想平台。并非没有,但是模块化格式确实限制了某些规范。但是,PXI中所有其他模块可以满足该测试的需要以及PXI的广泛接受表明,我们需要专注于PXI解决方案。

显然,最终产品必须可靠,紧凑且使用安全。PXI机箱通常最多可支持18个PXI外围插槽,因此,要使设计紧凑,就需要一个槽宽的模块来模拟6个电池组的电池单元–机箱中需要16个模块来模拟96个电池组。这种密度对每个单元的设计施加了一些空间限制。要求是紧迫的时间表,以满足最终用户的项目时间,因此大部分组件必须现成可用。

每个单元必须能够提供高达300mA的电流,并且每个单元必须产生超过4.2V的电压,这对于机箱底板为每个插槽以及整个系统提供足够的功率是一个巨大的挑战–请记住我们还需要快速的瞬态响应来模拟电池。

PXI背板可以为5V电源上的每个模块提供高达6A的电流,这是迄今为止PXI背板上最强大的功能。但是,众所周知,从5V进行DC转换效率很低,因此在设计中必须预期会有很大的损耗,这些损耗会导致机箱的热负载。解决该问题的方法是主要通过+ 5V电源为电池供电,但以+ 12V和-12V电源为电源供电。

电池仿真器的每个电池都使用固定的隔离式DC-DC转换器来提供隔离的电源,然后由快速作用的线性稳压器对其进行调节。需要使用快速线性稳压器,以使电池能够在远离PXI电源的地方进行仿真,而又不会在输出端引入不良的电压调节,也无需使用过大的输出去耦电容器。

要求线性稳压器在最坏情况下的负载条件下要消耗大量功率,但是很明显,模块上的每个电池在空间上都非常有限,这反过来又限制了可用于冷却稳压器的散热量。解决此问题的方法是使用专门为汽车设计的稳压器,该稳压器可以承受高温,内置热保护并使用PCB铜表面进行冷却。PXI机箱中的高效冷却系统确保了这些铜质区域的通风良好– PXI标准的一个方面对于这种类型的应用非常有效,特别是当有源设备放在PXI模块的下方时。

安全和隔离也带来了重大的设计挑战。在一个电池组中,96个电池串联连接,如果每个电池设置为其标称的4.2V输出电压,则可能会导致致命的输出电压。隔离栅必须设计成能承受每个电池上的公共电压的两倍以上,并且仍具有对电池单元的编程控制。提议的设计使用数字隔离器为PXI背板提供控制接口,并定义了安全互锁系统,该系统允许用户以如下方式连接模块:如果该用户从PXI模块的正面断开了电缆组件的连接,该模块或系统中的所有模块都将关闭。

BMS还必须模拟正在充电的电池。简单的电源是单向的,它们既可以提供源电流也可以提供吸收电流,而不能同时提供两者。BMS必须能够同时执行这两种操作,但是所需的灌电流可能比拉电流小得多。通过在设计中集成可编程电流负载可以解决此问题,该负载可以预加载电源,当BMS“充电”时,电流负载将确保电源仍在供应电流。

评估了所有这些挑战和解决方案,并提出了一个建议,由Pickering Interfaces设计并提供给DMC的新型6信道电池仿真器。在交换了有关设计修改的想法和问题以阐明预期的性能后,订购了完整的电池组仿真器。

Pickering在测试系统中的设计与实现

Pickering Interfaces快速实现了设计和构建第一个模块的过程,从而成为 41-752型PXI电池仿真器模块。挑战不仅限于硬件设计。要测试和使用41-752,需要与硬件设计团队并行工作的软件支持团队的支持,以便首先生产能够测试模块硬件的软件,其次要生产包括手动软面板在内的软件,用户可以使用这些软件来进行测试。控制每个模块中的每个单元。

一旦证明该模块具有令人满意的性能,其余模块便被制造并运送到DMC。DMC将解决方案集成到他们的测试系统中,以便继续向最终用户发货。经过成功的试验和对设计的一些很小的调整,用户接受了模块的交付,并且41-752投入商业运行。

尽管使用PXI作为平台给该应用带来了许多困难的挑战,但是PXI的设计进度如何证明了PXI可能的设计灵活性和速度。背板电源,PCI控制总线,机箱通风系统和基于PC的软件都使设计能够以较高的进度进行。以41-752为例,从下达订单到发送第一个系统仅用了八周的时间,这在其他硬件平台上是不可能实现的。

汽车BMS电池管理测试系统插图(2)

41-752现已上市,它提供6个电池仿真信道,电压高达7V,电流高达300mA。额定值为750V的高隔离栅允许在D型用户连接器上串联放置许多电池。灵活的安全互锁系统允许连接使用本质安全的系统。显示 用于支持大功率模块的Pickering 40-923 PXI机箱能够提供功率和电流,以模拟多达108个电池的电池组。

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                                              PXI电池仿真器模块(41-752型)的功能图

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PXI机箱支持的16节电池仿真器型号(型号40-923)

其他使用PXI的测试:

除电池仿真器外,PXI模块还支持温度传感器的仿真,仿真和数字I / O,电池组输出的高压切换以及通过CAN端口与BMS的通信。该系统由两个PXI机箱和一些外部电路组成。整个系统是一个紧凑的装置,安装在1.5米深的机架中,可以满足所有客户的期望。

结论:

在未来几年中,我们将看到越来越多的电动汽车,无论是混合动力还是全电动汽车。为了确保较长的电池寿命并保护系统免受伤害,BMS将是一个非常智能的组件。测试对于确保满足客户期望至关重要。为了轻巧的尺寸,成本和灵活性,PXI测试系统可以帮助应对这些挑战。

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