实现可扩展电池管理系统测试的路径

由 dSPACE 赞助。

电池管理系统（BMS）的应用已不再局限于大批量生产的电动汽车，如今还被用于轻型电动车、自动引导车辆、移动机器人、叉车、无人机、电动工具、固定式储能系统以及其他各类应用中。一个共同的挑战是，即便规模较小的电池组也需要可靠的电池管理系统，而且该系统必须在真实、可重复且安全的条件下经过测试，才能在实际应用中得到信赖。

在这个多元化的电池管理系统市场中，团队如今需要处理低压和中等电压系统、更小的电池组、更为紧凑的时间表，以及更少的专职测试工程师。他们并不一定从一开始就需要一套完全定制的大规模电池管理系统硬件在环测试系统。他们需要的是一个可靠、紧凑、成本效益高、能快速部署，同时还能逐步扩展的起点。

dSPACE提供了用于开发互联、自主及电动系统的仿真与验证解决方案。在电池领域，这些方案包括实时仿真、电芯电压模拟、温度传感器模拟、通信接口处理、测试自动化，以及可在可扩展的硬件在环环境中使用的电池模型。其目标是在无需每次验证都依赖实体电池组的情况下，让电池管理系统在真实的电池环境中接受测试。

为何较小的BMS程序仍需严格测试

体积较小的BMS并不等同于简单的BMS。它依然需要监测电芯的电压与温度，估算充电状态及健康状况，控制电量平衡，管理接触器或继电器，监控电流与隔离状态，并对故障作出响应。若缺乏充分验证，可能会导致设备可用性问题、过早老化或不安全运行。

传统的电池组台架测试只能解决部分问题，且在重复性测试、故障注入、回归测试以及电池动态行为模拟方面存在局限。实际电池组测试速度慢、成本高，可模拟的故障场景有限，且进行极端情况测试风险较大。HIL测试则用可控的实时仿真替代物理电池系统，同时仍能让真实的BMS控制器参与测试。

对于规模较小的系统而言，实际问题并非HIL测试是否有用，而是如何在不增加复杂性的情况下开始使用HIL测试。而这正是dSPACE SCALEXIO Battery HIL – Essential所能解决的。

SCALEXIO Battery HIL – Essential：实用的入门方案

SCALEXIO Battery HIL – Essential专为小型电池管理系统应用设计，作为其初始配置使用。它适用于电压等级在200伏左右的系统，包括轻型电动车、电动工具、移动机器人、叉车、工业运输系统、电动自行车、无人机以及类似平台。与完全定制的HIL系统相比，该方案的优势在于结构紧凑、配置标准化、报价周期短、交货速度快，且成本更低。

SCALEXIO Battery HIL – Essential 的核心价值在于降低了入门门槛。规模较小的团队通常首先需要验证电池管理系统的主要功能，包括电芯电压检测、温度输入处理、状态估算、电量平衡、继电器逻辑控制、通信功能、诊断机制以及特定的故障响应策略。他们一开始并不一定需要数百个电芯检测通道、多个高压电源，或是高度定制的测试架。

SCALEXIO Battery HIL – Essential为项目启动提供了结构化的方法。该配置支持最多64个电池单元电压通道、最高200伏的系统电压、可配置的温度传感器通道，还能与外部dSPACE实时处理器配合使用。此外，它还可以与dSPACE汽车仿真模型（ASM）套件中的ASM电池模型结合使用，从而从验证过程一开始就实现真实且可重复的电池行为模拟。

从入门级方案到预定义及定制化电池HIL系统

随着电池系统规模的扩大，测试系统也随之发展。规模更大的电池管理系统通常需要更高的系统电压、更多的电芯通道、更复杂的温度模拟功能、额外的电流及隔离接口、高压电源、故障注入装置、安全防护机制以及多套通信网络。正是在这种背景下，dSPACE预定义及可定制的SCALEXIO电池硬件在环系统显得尤为重要。

dSPACE SCALEXIO电池硬件在环系统将ASM电池模型与高精度的电芯仿真技术相结合。该模拟器能够在闭环环境中实现电芯电压、温度传感器、电池组电压、电流传感器行为、继电器控制、隔离相关信号以及通信接口的模拟。工程师无需在每次测试时都使用真实的电池组，即可根据实际电芯行为来验证电池管理系统的性能。

预定义配置和完全定制化的配置适用于各种测试场景，包括发布测试、系统集成、与安全相关的验证、回归测试以及复杂的电池包架构测试。预配置的系统能够支持更多通道数量和电压等级，而定制化系统则可根据客户的特定电池拓扑结构、安全要求、电气接口、诊断功能以及自动化需求进行量身设计。

这一点非常重要，因为电池管理系统（BMS）的验证工作几乎不会停滞不前。一个项目可能从基本算法开始，逐步过渡到硬件集成，再扩展到故障处理功能，加入自动化元素，最后还将各种验证成果整合到软件在环（SIL）和硬件在环（HIL）测试流程中。采用可扩展的方法，团队便能在项目发展过程中重复利用模型、测试用例、自动化工具以及工程知识。

电池控制器虚拟化：信号级测试

电池控制器虚拟化（CCV）将电池控制器的全部或部分功能移至HIL仿真环境中。无需在真实的电池控制器硬件上模拟每一个电池输入，仿真器可直接提供BMS控制器所需的隔离式通信接口。当电池控制器不可用、测试重点为BMS控制器，或完全模拟高压电池会带来不必要的复杂性时，这种方案尤为有用。因此，它有助于加快BMS控制器的早期测试进度，同时降低对硬件可用性的依赖。

ASM电池与测试自动化的作用

仅有硬件是不够的。一个完善的BMS测试环境需要一种能够在充电状态、温度、电流、平衡机制以及拓扑结构变化时仍能表现稳定的电池模型。汽车仿真模型（ASM）电池可提供针对单节电池电压与温度特性的实时模型、电池组/模块/堆叠结构模型，以及参数化的电池拓扑结构模型。BMS算法能够响应各种趋势、不平衡现象、时间延迟、通信问题以及故障，而不仅仅是静态数值。由于这些模型已集成到dSPACE测试环境中，工程师便能在不同的测试阶段和系统配置中运用相同的建模与验证方法。

通过测试自动化，工程师可以将这些场景转化为可重复使用的验证工具。他们能够持续地执行欠压测试、过压测试、平衡测试、预充电测试、通信检查、温度场景测试以及故障响应测试。其价值不仅在于在实验室中发现单个缺陷，更在于捕捉功能退化问题、记录测试结果以及减少人工测试工作量。

可扩展的测试策略，而非一次性采购

选择SCALEXIO Battery HIL – Essential系统并不仅仅是因为它的体积更小。它为团队提供了一个实用的起点。对于新兴的电池应用而言，常见的风险在于构建的测试环境要么功能过于有限而无法发挥作用，要么规模过大而不具备实用性。SCALEXIO Battery HIL – Essential系统则找到了折中方案：具备足够的能力以进行有效的电池管理系统验证，拥有足够的标准化程度以减少操作障碍，并且能与dSPACE生态系统良好衔接，避免陷入发展困境。

随着电压等级、电池单元数量、安全要求、自动化程度以及集成范围的提升，团队可以逐步升级到预定义或定制的SCALEXIO电池硬件在环系统。当信号级测试更为合适时，他们还可以采用电池单元控制器虚拟化技术，尤其是在早期进行BMS控制器验证，或是在物理电池单元控制器集成会带来不必要的复杂性的架构中。

这就是可扩展电池管理系统测试的真正含义。它不仅仅关乎增加测试通道，而是要为开发的每个阶段选择合适的抽象层次、硬件复杂度、仿真精度以及自动化策略。SCALEXIO Battery HIL – Essential是起点，而预定义及定制化的SCALEXIO电池HIL系统则为后续扩展提供了路径。CCV则为信号级验证带来了灵活性。二者结合，为工程团队提供了一种实用的方法，从最初的紧凑型实验室测试到全规模验证，都能对电池管理系统进行有效测试。

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