INTELLISCANDE14-1064NM SCANLAB 为什么建模和仿真对电池管理系统设计如此重要

　　为什么建模和仿真几乎成为电池管理系统设计中高效设计流程的必备条件?

　　简单看一下例子，我们就可以突出建模和仿真的重要性和好处，BMS(电池管理系统)就是一个很好的例子，因为它对于监控和管理电池组的性能和健康状况至关重要。如果没有有效的BMS，可能会出现一些负面结果。例如，过度充电会导致产生过多的热量，可能会导致热失控，从而导致火灾或爆炸。传统的BMS开发方法经常面临冗长的原型开发和高昂的材料费用。然而，建模和模拟可以加速开发和降低成本。

　　图片由提供Adobe股票

　　这对一名为车辆设计BMS的工程师的日常生活意味着什么?

　　工程师使用仿真工具进行系统级多领域建模，以了解组件交互并评估设计选择——例如，不同的电池组配置如何影响车辆续航里程和能耗。像Altigreen Propulsion Labs这样的公司建立了车辆的系统级仿真模型，用它来测试不同部件如何协同工作，并在开发周期的早期验证设计。模拟可以让他们快速、轻松地测试概念，从而优化BMS设计。

　　图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　此外，工程师使用模拟来开发和测试电池厂模型的不同BMS算法。BMS的一项功能是电池平衡，确保电池组中的所有电池具有相同的充电状态(SOC)。如果没有平衡，一些电池可能会比其他电池退化得更快，从而降低电池组的容量和行驶里程。Green Tiger Mobility的工程师模拟真实环境，选择合适的平衡电阻进行电池平衡，并确定相关的放电电流。他们提到，模拟简化了电池组开发和强大的BMS设计，从而节省了时间和成本。

　　你是否也有一个例子来说明建模和仿真是如何缩短开发时间的，可能也是通过提供一些品质因数?

　　这是一个重要的问题，因为电动汽车市场需要更快的开发时间，以跟上技术进步和消费者的期望。因此，工程师使用模拟软件，该软件允许在虚拟环境中对组件和系统进行早期验证、简单调试、快速原型制作和测试，以减少物理原型所需的时间。例如，一家名为Exponent Energy的公司通过从模型生成代码来加速产品原型开发，而不是为应用程序和驱动程序调试C代码。工程师们能够在仅仅10天内完成400 V快速充电器，尽管他们都不是固件专家。他们将整个解决方案的开发、测试和验证速度至少提高了五倍。

　　工程师可能会在模拟上花更多的时间，但在实际硬件上的测试可能会更成功、更快。最终缩短了开发周期，降低了成本。

　　桌面模拟以何种方式支持需要验证BMS设计等功能方面的工程师?

　　工程师使用行为模型在台式计算机上模拟电池厂模型、环境和BMS算法。桌面模拟使工程师能够验证BMS设计的功能方面，并尽早发现潜在问题，从而减少开发时间和成本。一些具体的好处包括逻辑验证、针对要求的基准、设置控制参数、探索不同的设计选择、故障模拟、确保通过功能安全和符合标准以及整个车辆系统的整体模拟。

　　让我们更深入地了解这些模拟方面…

　　工程师使用开环桌面仿真来验证BMS算法的逻辑，然后再将其部署到现实应用中。一个典型的方面是当电池电压不平衡时检查电池平衡算法是否被激活;达到阈值了吗?充电控制逻辑是否正确实现?当达到阈值时，BMS会主动降低或停止充电电流以保护电池免受损坏吗?

　　此外，BMS设计需要满足一系列要求，如各种条件下充电状态(SOC)估计的准确性、过充电和过热保护等。工程师可以使用闭环桌面模拟和电池厂模型来测试BMS算法，以确保BMS设计满足所有性能要求。

　　在设计过程的某个阶段，工程师需要调整BMS算法中的控制参数，即用于SOC估算的扩展卡尔曼滤波器协方差。桌面模拟为调整BMS算法参数提供了快速反馈。

　　但是工程师也使用桌面模拟来探索不同的设计选择，并在承诺硬件原型之前评估它们之间的权衡。例如，他们可以评估不同的平衡配置，如主动平衡与被动平衡，或者确定被动平衡的最佳电阻值。

　　功能安全和合规性方面呢?

　　如果电动汽车电池出现故障，可能会很危险。故障模拟有助于识别潜在的安全风险，并在BMS中制定策略以更有效地检测、响应和缓解这些风险。例如，工程师可以在电池内部注入非侵入性故障，如由于缺陷焊接和断开导致的开路、短路和热失控。在设计阶段早期了解和解决潜在故障有助于降低与召回、维修和保修索赔相关的成本。

　　电动汽车必须符合功能安全和合规标准，如ISO 26262。Simulink等软件支持自动代码生成，确保模型中测试的内容与硬件上运行的内容一致。生成的代码可以配置为符合汽车编码标准，如符合ISO 26262标准的MISRA C。

　　我们应该永远记住，BMS只是电动汽车的一部分;还有牵引电机、冷却系统等。工程师运行车辆级模拟来研究电动汽车的不同组件，如电池、电动机、电力电子设备和BMS如何相互作用。它有助于在开发过程的早期识别集成问题，减少昂贵的重新设计的风险。最重要的是，工程师可以模拟不同的驾驶场景，以优化能源效率和车辆的范围。

　　工程师如何利用电池特性来使电池模型符合实验数据?

　　电池表征是开发反映真实性能的精确电池模型的关键步骤。通过遵循结构化的数据收集、模型选择、参数拟合和验证方法，工程师可以创建高度精确的模型，从而增强BMS的设计。然而，为了成功的细胞表征，工程师应该遵循结构化的五步方法。这对于确保电池模型正确反映实验数据非常重要——从通过电池模型选择和参数拟合收集数据到验证和迭代改进。

　　你提到了五个步骤，请简单解释一下…

　　对于数据收集，工程师需要决定在电池测试实验室进行哪些测试，然后他们需要在充电和放电周期中收集电压、电流、温度和充电状态(SOC)的数据。对于测试，典型地，电流曲线需要充分激励电池系统，以便有足够的信息来识别电池模型参数。这些通常由脉冲电流分布构成。一个例子可以是HPPC(混合脉冲功率特性)轮廓。

　　在选择电池型号时，工程师选择合适的电池型号，该型号可以参数化，以符合实验数据。电池型号的选择会影响仿真的复杂性和精度，因此必须与预期应用和可用数据保持一致。常见的模型包括电池等效电路模型、电化学模型和数据驱动模型。电池等效电路模型通常用于BMS设计，因为它简单、保真度高且计算效率高。

　　另一个重要步骤是参数拟合:使用曲线拟合、优化算法或机器学习等技术，工程师调整模型参数，以最小化模型预测和实验数据之间的差异。精确的参数拟合确保了模型可以在广泛的条件下准确预测电池行为。

　　接下来，工程师通过将其预测与拟合过程中未使用的其他实验数据集(可能是驱动循环电流曲线)进行比较，来验证拟合的模型。

　　最后一步是迭代改进:基于验证结果，工程师可以通过调整参数或加入额外的数据来提高精度，从而迭代改进模型。