BMS专题之BMS测试
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终于，到了我们的测试环节，BMS为什么需要测试，怎么来测试它
一、关于BMS测试
首先就是应不应该对BMS进行测试，当然是应该。
然后是为什么需要测试，我们通过前两篇文章的内容，给大家讲了BMS的重要性，我们起码知道了一点，BMS不能出错，或者是尽量少出错。
那么我们怎么解决这个问题呢？就是需要进行大量的测试.
1.1 BMS测试的分类
在产品的设计和制造过程中，会按阶段对设备进行不同的检验，主要大概就分为这么几类
1.1.1 质检机构的检验
首先是质检机构的检验，这个是强制的，没办法通过就不算合格。
- 首先，BMS是一个汽车电器零部件，那就需要进行绝缘耐压性能，气候环境负荷，耐震动冲击以及电磁辐射等等测试。
- 其次呢，还要把BMS作为一个测量工具进行验证，因为BMS的工作中需要测量各种电压电流温度等数据，所以要检验它的精度等
- 再次，还要对BMS的各项功能进行验证，比如说保护功能，以及数据的预测估算等。
这是质检机构要做的事，都会有相应的标准和参考文件
1.1.2 研发人员的验证
其次呢，作为研发人员，在做研发的过程中，需要对产品进行各种验证和调试
- 首先就是各种物理量的采集精度
- 还有呢就是各种算法和策略的验证
1.1.3 采购方的验证
接下来作为采购方，一般来说整车厂什么的，也需要根据国标，行业标准，和厂标对BMS进行验证和测试.
这里主要是进行常规的验证，包括高低温环境验证，还有就是各种功能的验证，包括常规功能和一些特定的功能。
1.1.4 出厂前的验证
除了采购方，在BMS出厂的时候，也需要我们厂商自身对BMS进行一些列测试和验证，比如说抽检进行老化测试，各种精度的验证，保护功能的验证等等。
二、BMS测试中的挑战
对于BMS的测试，其实还有好多的方面比如说我们的V字型的开发流程模型中，涉及到的测试非常多，从纯软件方面到纯实物的测试都有。
总体来说，在测试中非常重要的一个角色就是电池组，BMS因为电池组而产生，最终也是作用到电池组，所以在测试中，电池组是完全不可少的一个硬件
我们之前一直在说电池组，在车上电池组是个好东西，但是在测试中却是最大的一个问题。
2.1 安全问题
首先，最大的一个问题是安全问题。
我们讲电池组可以安全工作的一个重要条件就是有BMS，那么，我们现在在测试BMS，就是说我们不知道BMS的好坏，不知道我的均衡逻辑和保护逻辑有没有漏洞，那么这个时候其实电池是工作在危险的环境中的，可能如果我们是在做小实验，拿着几节电池在哪里调试，真的出问题了可能相对还是可控，但是起码也会烧毁一些东西，如果电池一旦多了恐怕真的是要出事故，是很危险的。
2.2 电池状态问题
其次呢，我们测试的时候需要的是电池的各个状态下的数据，有充电过程，放电过程，甚至还有电池老化之后的数据。但是电池呢，是一个实打实的连续变化的量，在实际中，我们知道充放电过程都是比较慢的，然后电池老化的速度更慢，如果我们拿真的电池组来做实验，电池的状态不能随心意切换，需要频繁发充放电，那效率可以说是很低了。
2.3 参数调节问题
最后呢，就是适配问题，不同的电池组，他们的物理特性其实并不是完全一样的，这样在测试的过程中，尤其是涉及到参数的调节等，我们需要准备很多种不同的电池组来支撑测试。
2.4 解决方法-电池组仿真
所以说，测试中如果一直使用真实的电池，那必然是很不合适的。我们想要一种系统可以解决这几个问题。
基于此，我们就有了这套系统，电池组仿真器。就是使用一个模拟器，来解决上述问题所有的问题。
其实目前来说很多的硬件在环仿真系统都称自己拥有电池组模拟器，但是多数呢基本上是在模拟电池的电压行为。这个显然是不够的，我们要仿真，就要尽量的贴近实际上被仿真的物体，所以我们不止要仿真电压，还要仿真电流，甚至温度，以及电池串联起来之后的特性，只有我们的设备越是接近被仿真的设备，才能最大限度的保证测试结果。
三、BMS测试系统-电池组仿真
3.1 系统功能
我们来具体的看一下我们对于仿真系统的要求，基本功能
仿真主要参数：
- 单体电压
- 单体电流
- 总电压
- 总电流
- 温度
其他功能：
- 数字量IO
- 模拟量IO
- CAN总线通讯接口
- …
主要的仿真参数，包括单体电池的，也包括电池包的。
另外还要具备一些其他的功能。比如说时CAN通讯，以及必要的数字IO和模拟IO。
这个系统解决的问题，主要是以下的几个:
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一是安全，只有充满足够的自信时，BMS 才可以连接到一个真正的电池组上面进行测试。但是在这个之前，为了保证人员和设备的安全，还是需要使用仿真设备。
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二是高效，我们刚刚讲到了，一个真实的电池组的故障和特性是不会变化的，也就不能够用来仿真 BMS 设计用来处理的各种不同情境。尤其是类似于故障注入，在新产品的开发和推出阶段，是作为验证硬件和固件设计是否成功的关键部分。
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三是可扩展，就是说我们的系统可以随时调整，用来适应不同的测试需求。
3.2 电池组仿真功能图
这是我们的系统结构
- 我们选择了PXI平台，这个平台呢结构上集成度较高，同时产品的种类又很丰富，并且具有统一的接口，开发起来很友好。
- 紧接着就是各种功能模块通过PXI总线进行控制和通讯，
包括了单体电芯的电压电流仿真模块，是可以串联的，温度仿真模块，同时还有CAN总线通讯卡，有必要的数字IO和模拟IO，当然这些都是功率比较小的模块。所以我们还需要总电压电流的仿真模块来提供超大的电压电流来驱动电机或者是大功率的负载。 - 同时，我们要保证BMS在线路或者是通讯出故障的时候有足够的应对策略，因此我们在系统中加入故障注入的功能。
- 然后我们通过海量互联接口这样的结局完成跟BMS的连接。
这个整体下来是一个闭环，首先能够产生信号给到BMS，让BMS正常工作，又可以利用CAN接口和多功能IO采集BMS做出的反应，充当执行器的相关功能，所以在这一个系统上就可以完成测试。
3.3 测试系统核心设备
下面我们来看一下我们选择的核心设备
3.3.1 电芯仿真器
首先第一个核心设备就是我们的电芯仿真器，采用的是Pickering的电芯仿真卡，集成度较高的，单块卡可以仿真6个电芯，这个在PXI平台上还是比较少见的。
这是产品的一个结构图，是一个四端输出的设备，，直接从机箱背板取电，每一个电芯都可以独立控制，同时可以设置一些一键保护的功能
电压范围： 0-7V
电压步进： <0.5mV
电压精度： 0.2%
输出电流： <300mA
可堆叠： 上限750V
这里比较重要的一个环节是电芯之间支持串联堆叠，就是可以像真实电池一样一节一节的串联起来，一百多个单体叠到一起，总电压可以到750V，一般来说我们是96节电池堆叠，到三百多伏特，这套系统还留有足够的裕量，来仿真总电压。这个功能在这种模块化的板卡上相对来说还是比较少见，因为这样就意味着需要更高的绝缘等级和防护等级。但是这样也可以更加真实的仿真出电池包的特性。当然，还有一种偷懒和节省成本的办法，就是用高压源串联部分的这个卡，可以做到部分电池可调节。yi’ba//但是这个总电压是没有办法来驱动电机或者超大功率的负载的。
3.3.2 温度仿真器
第二个设备是温度传感器的仿真，我们采用的同样是Pickeirng的程控电阻卡，这是很有特色的一款产品，目前来说Pickering做的是最好的，还没有人可以超越他们。
一般来说我们测温常用的是电阻型的传感器，NTC,PTC的都有，例如PT100,PT500,PT100等等，
这种传感器对于控制器来说，就是一个不断变化的电阻值，我们的控制器通过采集传感器的电阻值来感知环境，就是某一个确定的电阻值就代表某一个确定的温度。
我们使用程控电阻来将温度对应的电阻值仿真出来，这样就可以快速的调节到确定的温度值，在正常和异常，高温和低温之间的切换都是很快的。与之对应的就是把实际的传感器放入温箱中，通过调节温箱的温度与来达到在实验室中让传感器采集不同的数据，但是这个过程变化缓慢，我们知道温度是一个缓慢变化的量，没办法突变，另外就是一个温箱只能设置一个温度，要是想要不同的温度得多几个温箱。当然，也有人使用电阻箱来实现，电阻箱最大的问题就是一个是体积过大，另外一个是无法程控。所以用这种程控电阻还是仿真温度最优化的一种方式。
这是这种卡的结构
这个卡根据传感器的不同，单块支持4-24个传感器的仿真，温度范围非常的广，覆盖了所有的实际中遇到的环境温度
分辨率和精度也相当的高
单块卡仿真数量：4-24个
温度范围：-150°C to >+850°C
温度分辨率：<0.03°C
电阻精度： 0.1%
3.3.2 电流仿真器
接下来是电流仿真器，因为目前来说测电流的方式不止一种，有的是使用霍尔型电流传感器，有的是使用分流器，都是把电流转换成电压信号来测量。
对于分流器呢，其实就是一个很小的线阻串到通路中，通过测量两端的电压 计算电流，因为是串联，所以电阻必须很小，才能有很小的压降，从而不影响正常工作，压降小了，所以输出就会很小，因此我们要仿真这种特性，就需要使用输出范围很小但是很精确的电压源。
这个产品是一个比较新的产品，它本来设计出来的用途是用于热电偶仿真，热电偶大家都知道，就是利用金属的热电效应，通过两种不同的金属连接，然后热端和冷端因为温差就会形成一个电压输出，当然这个电压是很小的，而我们的这款产品主要就是用来仿真这种小而精确的电压，达到仿真热电偶探测到的温度这种效果。但是我们发现这款产品的用途不止于此，再测试中需要这种小范围高精度的电压源的地方有很多，在遇到分流器的时候，我们就顺理成章的想到了这款产品。其电压范围有20，50，100毫伏，并且通道之间是隔离度的。
对于霍尔型传感器，基本上都是封装好的产品，所以输出的电压会相对较高一些，我们使用电压范围为5V的板卡来仿真。
分流器：
- 单块卡通道：8-32个
- 电压范围：±20，50，100mV
霍尔型传感器：
- 电压范围：±5V
- 分辨率：16位
3.2.4 故障注入器
接着有一个比较值得一说的是我们的故障注入系统，我们做过HIL的都知道故障注入是很重要的一环，通过仿真各种故障，来判断极限情况下控制器的算法逻辑是否合理以及动作是否到位。
传统的故障注入一般使用人工接插线来实现，但是我们是自动测试系统，肯定会比较高级一些，我们使用了拥有特殊结构的故障注入板卡，可以比较轻松的模拟各种物理层和电气层的故障，比如说短路，断路，对地对电源的开短路等等。
这是一个故障注入卡的原理图，一端连接的是我们的各种模拟器，另一端连接的是BMS，我们通过动作中间的继电器，就可以制造不同的故障。比如说开路，短路这些。
同时这个故障注入卡还配备了BOB的引出方式，不需要另外接线，直接插上去就好。
3.4 系统结构
还比如说CAN卡，也是基于PXI模块的，不止可以提供CAN接口，还可以提供IIC，232，485等其他的串口。多功能IO卡，可以同时提供数字IO和模拟IO，再加上前边的电芯仿真器，温度仿真器，电流仿真器所有的这些，都可以放入PXI模块化机箱，进行统一的控制。
当然，除了这些设备，还有一些是PXI设备确实办不到的，比如说一些超大功率的电压源，因为功率的限制无法放入机箱内，所以我们选用了台式设备，还有就是连接方面，因为我们的线束较多，为了方便连接，同时保证稳定性，我们选取了一些有保障的海量互联方案，同时保证便捷性和稳定性。
最后呢当然还有人机交互的接口，键盘鼠标和屏幕，当然如果需要，我们也可以开放远程接口，通过互联网实现远程测试。
所有的这些，我们会集中在一个机柜里边。
3.5 系统优势
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首先，是完全不需要真实的电池，我们通过高性能的模拟器，构建出了一个虚拟的电池组，却又有着实际电池组的所有对外表现的特性。
这里有个很有意思的理论，就是鸭子定律。
就是说如果一个东西，走路像鸭子、叫起来像鸭子、长得像鸭子、啄食也像鸭子，那它就是一只鸭子。
对于我们人来说，我们看到了，听到了，就是说我们感受到的东西表明它是一只鸭子，那么我们就认为它是。
其实对于我们的控制器，不止是BMS，可以扩大到所有的控制器，也是一样的，控制器是使用传感器来感受外界，如果它接收到的数据是一切都复合预设的模型，那么它就认为自己工作在了一个实际的情况中，至于到底是不是，只有我们知道。
说个题外话，如果我们把大脑当成控制器，把我们的眼睛耳朵等等这些感受器官当成传感器，那么我们是不是有一天也可以制造出以假乱真的仿真器，让我们完全生活在虚拟的环境中而不自知呢？ -
其次是测试效率，我们解决了之前我们说的测试效率低的问题，没有了长时间的充放电等待时间，可以直接调节，同时也没有了等待升温和降温的过程。
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然后是安全性，因为不存在真实的电池，所以不会有电池起火爆炸的情况，最多最多了也就是烧了设备上的某一部分，但是这个情况在系统本身的保护逻辑下也是比较难出现的。
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接下来是通用性，因为我们的系统是模块化的，由多个仪器组合成的，并且可编程，因此我们不仅能仿真不同种类的电池，还能适配不同类型的BMS
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准确性，因为一切都是可调可校准的，因此准确性较高
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复现性，对于一些只能在特定情况下出现的错误，我们的系统有着很高的复现性，这个是真实电池组没办法比的
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单体可控性，我们系统里96节单体电池每一节都是可控的，使得电池组的模型更加精细
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同时所有的设备都有着开发接口，可以进行二次开发，也可以在上边跑自己的电池组模型
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最后呢是数据管理，因为我们是基于PC的上位机，对于各种数据的管理十分到位，包括模型数据，测试报告，日志等多种数据。
四、结语
至此，BMS专题暂时告一段落，我们从动力电池，BMS的分类与功能，BMS的测试系统对系能源汽车的BMS测试系统的实现进行了一个简单的介绍，接下来有机会我会跟大家分享一些更加深入的方案。