电池管理系统(BMS)监控和控制电动飞机和电动车等车辆的电池。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。
使用电池仿真进行测试有助于快速且反复地安全地测试各种条件，而不至于危及宝贵的硬件。这种硬件回路(HIL)测试简化了质量保证，并持续与创新进展并驾齐驱。
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。电池监控单元连接至电池单元，这些模块共同组成了电池组——每个电池组都有一个CMU来调节各个电池的充电、放电、温度和电压。
配电单元连接到从电池组获取电力或反馈电力的所有组件，例如，在电动汽车(EV)中可能是指充电系统和电机。
图1：BMS确保电池安全运作、有效利用其容量并延长使用寿命。
严格的测试可确保BMS满足其要求，例如充电期间在电池之间优化电流分配。让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，而且是一项复杂的任务。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，而这几乎无法在实际电池上实现。
随着电池的老化，反复重现条件以测试诸如电池平衡和充电状态或健康状态(SOH)估计等关键算法也至关重要。此外，在开发过程中，不同的团队通常负责不同组件，而其工程师并不一定随时都有空配合测试。
电池、BMS和基础设施也在不断发展，因此系统供应商必须跟上这一步伐，并迅速满足新的要求。最后，使用实际硬件进行测试可能会很危险，在最糟的情况下，电池可能会因过压或极端温度而爆炸。
使用电池的数字孪生(digital twin)可以解决这些挑战。电池单元模拟器可以精确地模拟电压、电流水平和温度，来仿真电池的行为。它可以表示各种不同的电池组架构，并与标准测试架构无缝集成。
图2：电池单元模拟器(BCE)精确地模拟电压、电流级和温度，以仿真电池的行为。
考虑到电池技术、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，在正常运行和故障情况下快速安全地进行测试。
与实际电池连接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。
在测试中必须能够重现相同的条件，才能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，它让工程师得以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。
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的电池行为。这可以在早期得到许多见解，让工程师能够在设计和功能变化时仍然可以很简单的进行调整。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，可以适应新的条件无缝配置。
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，而且可以在开发过程的早期发现复杂情况或设计错误，从而提高开发的质量和速度。同样地，由于在早期阶段(而不是在开发后期)就进行更正，因此可以节省开发和测试成本。最后，针对像是碰撞、电池故障或过压等极端事件，则可以进行BMS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的工程师，协助加速其追求连续且自动化的工作流程的目标。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。
(原文刊登于EDN美国版，参考链接：Automate battery management system (BMS) test with a digital twin，由Susan Hong编译)
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