｜工業基礎專欄｜電池管理系統之HiL 驗證發展技術

前言
儲能系統（Energy Storage System）為純電動車（Electric Vehicle）上之關鍵零組件，如何透過電池管理系統（Battery Management System, BMS）有效管理與監控電池包（Battery Pack）是一個重要的課題，若設計稍有不慎，輕則永久性毀壞電池，重則危害到駕駛者的生命，因此電池管理系統的設計、開發與驗證相當重要。為了確保設計出來的電池管理系統能夠如預期工作，驗證、測試與發展平台扮演著相當重要的腳色，透過此平台能夠馬上驗證軟體與硬體之有效性，並且能夠在設計初期盡早排除問題，而不需要等到上實車後才發現問題，如此一來能夠縮短開發時程並且提升產品的可靠度。

本文將說明在訊號等級（Signal Level）下，如何整合相關設備並建立即時（Real-time）模擬模型，最後搭建出針對車用電池管理系統之硬體迴路（Hardware-in-the-Loop, HiL）驗證與發展平台。

驗證與發展平台架構
電池管理系統之訊號級硬體迴路驗證發展平台架構如圖1所示，系統中具備一主控台電腦（Host PC）、一即時模擬器（Real-time Target）、一PXI介面機箱（PXI Interface Chassis）、一電池芯電壓模擬器（Battery Cell Voltage Simulator）與一待測物。其中，待測物包含1組電池控制單元（Battery Control Unit, BCU）與2組電池監控單元（Battery Monitoring Unit, BMU）；即時模擬器具有一PCIe轉PXI介面卡（Interface Card）、控制器區域網路卡（CAN （Controller Area Network, CAN） Card）與輸入/輸出卡（I/O Card）；PXI介面機箱具有電阻式溫度模擬卡（Resistor Card）、PCIe轉PXI之介面卡（Interface Card）與錯誤注入卡（FIU （Fault Insertion Unit） Card）。

圖1 電池管理系統之訊號級硬體迴路驗證發展平台架構

一般來說，車用電子控制單元（Electronic Control Unit, ECU）都使用控制器區域網路作為溝通介面，因此在即時模擬器裡需要具備此介面才能夠跟電池管理系統溝通，另外，電池管理系統可能會需要其他輸入/輸出訊號，舉例來說，電池管理系統會輸出控制風扇之脈衝寬度調變（Pulse Width Modulation, PWM）訊號，並接收風扇之轉速回饋（Frequency Generation, FG）訊號，因此若要全面性的測試電池管理系統，就需要使用輸入/輸出卡接收或模擬這些訊號。另一方面，由於即時模擬器不具備模擬電池芯電壓與電池芯溫度之功能，因此需要外掛一PXI介面機箱與一電池芯電壓模擬器以模擬這些物理訊號，這些設備都被即時模擬器控制，當模型計算出之電池芯電壓與溫度發生變化時，即時模擬器也會同步更改設備的輸出數值，此時電池監控單元就能感受到虛擬電池的物理特性變化，進而作出反應。本文中之驗證平台能夠模擬16個電池芯電壓與24個電池芯溫度。需注意的是，由於本文中之待測物為透過外掛電路模組監控電池包之電流與電壓，而外掛模組又透過控制器區域網路傳遞這些量測值給電池控制單元，因此在驗證平台中，不需要模擬實際的高電壓與高電流給電池控制單元，僅須透過控制器區域網路通訊模擬即可。