使用数字孪生实现电池管理系统 (BMS) 测试自动化

电池管理系统 (BMS) 监控和控制电动飞机和电动汽车等车辆中的电池。它需要在正常和极端条件下进行严格测试，以证明其质量和完整性。

使用模拟电池进行测试非常有益，因为可以快速、反复地安全地测试各种条件，而不会冒着宝贵硬件的风险。这种硬件在环测试简化了质量保证并跟上了创新的步伐。

电池对于车辆的电气化传动系统或飞机和船舶的执行器至关重要，而 BMS 则是控制和监控电池组的关键部分。BMS 可确保电池安全运行、有效利用其容量并延长使用寿命。

BMS 用于汽车、飞机、储能系统和消费电子产品等。它通常包括电池管理单元 (BMU)、电池监控单元 (CMU) 和配电单元 (PDU)。

电池管理单元是主控制器；它连接到电池监控和配电单元，监控整体充电状态 (SOC) 以及电池电压和电池温度信息。电池监控单元与电池单元相连；这些模块组成电池组 - 每个电池组都有一个 CMU 来调节各个电池的充电和放电、温度和电压。

配电单元连接到从电池组获取电力或将电力反馈回的所有组件 - 例如，在电动汽车 (EV) 中，这可能是充电系统和电动机。

测试电池管理系统 (BMS)

严格的测试可确保 BMS 满足其要求，例如在充电期间以方式在电池之间分配电流。BMS 在标称范围和极端情况下进行检查，例如当电池过热、信号故障或发生短路时。这样，就可以测试 BMS 在这种情况下如何反应并确保正常运行。

测试 BMS 面临各种挑战，是一项复杂的任务。BMS 包含各种控制器，处理来自分布式传感器的信号，并与动力传动系统等众多系统相连。测试所有功能、配置和状态需要付出很多努力，而这在实际电池中几乎无法实现。

随着电池的老化，反复重现条件以测试关键算法（例如电池平衡和充电状态或健康状态 (SoH) 估计）也至关重要。此外，在开发过程中，不同的团队通常负责各个组件，而他们的工程师并不总是可用。

电池、BMS 和基础设施也在不断发展，因此系统提供商必须跟上这一步伐，并迅速应对新要求。，使用真实硬件进行测试可能会很危险；在坏的情况下，电池可能会因过压或极端温度而爆炸。

使用数字孪生进行 BMS 测试

这些挑战可以通过使用电池的数字孪生来解决。电池单元模拟器可以通过模拟电压、电流水平和温度来模拟电池的行为。它可以表示各种电池组架构并与标准测试框架无缝集成。

图 2电池单元模拟器 (BCE) 通过模拟电压、电流水平和温度来模拟电池的行为。来源：Speedgoat GmbH

考虑到电池技术和化学性质、使用年限和工作温度，电池单元模拟器可适应各种电池型号。可在正常运行条件和故障条件下快速安全地进行测试。

与实际电池接口时使用相同的通信协议。使用数字孪生进行测试还有助于测试系统的其余部分，例如配电和充电组件、电机驱动器和燃料电池。

必须能够在测试中重现相同的条件，以可靠地检查控制器的行为。此外，灵活的测试基础设施至关重要，它允许工程师在开发过程中不断测试功能和变化以满足新的要求。此外，测试许多场景（包括复杂性）对于实现完整的测试覆盖至关重要。

测试用例通常在软件中定义和跟踪。自动化测试程序对于重复测试和有效比较结果非常重要。需求通常在 Simulink 的专用工具箱（例如 Simulink Test）或与 ASAM XIL 兼容的第三方软件工具中进行管理。

数字化测试的优势

为了测试 BMS 控制器及其与各种组件的交互，可以使用数字孪生模拟实际电池的行为。许多见解都是早期获得的，使工程师能够在更改仍然易于实施时调整设计和功能。此外，电池的数字孪生能够适应快速变化的趋势——它比硬件更灵活。它可以无缝配置以适应新条件。

此外，借助数字孪生，可以在组装之前测试组件。这可以节省时间，并且可以在开发过程的早期发现复杂情况或设计错误，从而提高开发质量和速度。同样，由于在早期阶段而不是在开发后期进行更正，因此可以节省开发和测试成本。，在碰撞、电池故障或过压等极端事件中，可以对 BMS 进行无风险测试。

因此，使用电池数字孪生进行测试非常适合测试和验证电池管理系统并追求连续自动化工作流程的工程师。对用户来说，一个有吸引力的特点是他们可以在一个软件环境（Simulink）中执行所有测试。

电池模型是在 Simulink 中开发的。之后，可以使用同一模型在后台使用硬件进行测试。灵活的测试基础设施和工具箱可以根据定义的要求进行连续、自动化的测试。

 
图 3所有自动化 BMS 测试均可在单一软件环境 (Simulink) 中执行。来源：Speedgoat GmbH