隨著全球電動(dòng)車銷量持續(xù)攀升，全球電池需求不斷增長(zhǎng)。鋰離子電池作為電動(dòng)車的主力電源，其高能量密度雖然帶來(lái)了續(xù)航優(yōu)勢(shì)，但一旦運(yùn)行環(huán)境偏離設(shè)計(jì)參數(shù)，就可能引發(fā)失效甚至熱失控。因此，電池安全成為電動(dòng)汽車發(fā)展的重中之重。為了有效控制電池運(yùn)行狀態(tài)、提升整車安全性，電池管理系統(tǒng)（BMS）的作用愈發(fā)重要。MathWorks 高級(jí)產(chǎn)品經(jīng)理Danielle Chu 分享了借助建模與仿真開(kāi)發(fā)BMS的過(guò)程和價(jià)值。

計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)圖

中國(guó)工業(yè)和信息化部將在2026年7月1日正式實(shí)施全球首個(gè)強(qiáng)制性電動(dòng)車電池安全標(biāo)準(zhǔn)，明確要求即使發(fā)生內(nèi)部熱失控，電池也不得起火或爆炸。這一規(guī)定體現(xiàn)了對(duì)電動(dòng)車安全性的高度關(guān)注。鋰電池若過(guò)充、過(guò)放或溫度異常，極易引發(fā)熱失控反應(yīng)，造成不可逆的破壞。而B(niǎo)MS正是預(yù)防這一風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵技術(shù)。

BMS的核心功能包括：監(jiān)測(cè)電壓、電流和溫度，防止電池過(guò)充/過(guò)放；對(duì)電芯電量進(jìn)行均衡；估算電池的荷電狀態(tài)（SOC）和健康狀態(tài)（SOH）；以及控制電池組溫度。這些功能直接影響電池性能、使用壽命及整車安全。例如，防止電池電壓超限可避免加速老化，從而保障整車長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性。

仿真技術(shù)在BMS開(kāi)發(fā)中的價(jià)值

在開(kāi)發(fā)早期，工程師通過(guò)行為建模，在桌面端模擬電池系統(tǒng)模型、外部環(huán)境和BMS算法。借助仿真，他們可以在無(wú)需實(shí)體原型的情況下探索不同的架構(gòu)方案，例如測(cè)試多種電芯均衡策略，評(píng)估其適用性和權(quán)衡利弊；還可在仿真中驗(yàn)證安全故障下的系統(tǒng)響應(yīng)，如隔離故障場(chǎng)景下接觸器行為是否符合規(guī)范。這種方式不僅降低了測(cè)試成本，也避免了實(shí)際硬件可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)。

在完成模型驗(yàn)證后，工程師可將BMS算法模型自動(dòng)生成C代碼或HDL代碼，部署至快速原型平臺(tái)或硬件在環(huán)（HIL）系統(tǒng)中，進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)試?？焖僭椭?，模型生成的代碼被加載至實(shí)時(shí)計(jì)算平臺(tái)，模擬量產(chǎn)控制器的功能；在HIL測(cè)試中，則是將電池系統(tǒng)模型生成代碼，模擬真實(shí)電池系統(tǒng)、負(fù)載、充電器和電路組件，從而測(cè)試BMS算法在“虛擬實(shí)車”環(huán)境下的性能。這種閉環(huán)仿真方式可大幅提升測(cè)試效率，縮短開(kāi)發(fā)周期。

印度電動(dòng)車初創(chuàng)公司 Altigreen Propulsion Labs 就利用仿真技術(shù)對(duì)SOC估算方法進(jìn)行了深入探索，如卡爾曼濾波和庫(kù)侖計(jì)數(shù)法，并最終設(shè)計(jì)出適用于其系統(tǒng)的算法。Altigreen 控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)人 Prathamesh Patki 表示：“借助自動(dòng)代碼生成工具，我們的開(kāi)發(fā)效率提升了一倍，幾乎可以實(shí)現(xiàn)模型構(gòu)想后即刻在硬件上運(yùn)行測(cè)試。”

實(shí)際應(yīng)用案例：從建模到優(yōu)化

在BMS開(kāi)發(fā)流程中，電芯建模是一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作。準(zhǔn)確的電芯模型有助于算法設(shè)定關(guān)鍵控制參數(shù)，例如卡爾曼濾波器的參數(shù)調(diào)整，或根據(jù)SOC與溫度動(dòng)態(tài)設(shè)定放電功率限制。隨著開(kāi)發(fā)進(jìn)程推進(jìn)，該模型還能被用于系統(tǒng)級(jí)的閉環(huán)仿真和實(shí)時(shí)測(cè)試。

快充優(yōu)化是另一個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用場(chǎng)景。盡管快速充電是消費(fèi)者關(guān)注的核心指標(biāo)之一，但高功率充電也會(huì)加劇電池材料的老化，影響電池壽命。借助建模與優(yōu)化算法，工程師可以在保證電池安全的前提下，制定最優(yōu)充電功率曲線，實(shí)現(xiàn)最快速度和最小應(yīng)力之間的平衡。

在汽車功能安全認(rèn)證方面，仿真工具也扮演了重要角色。例如，LG化學(xué)（現(xiàn)為L(zhǎng)G能源解決方案）在為沃爾沃XC90插電混動(dòng)開(kāi)發(fā)BMS時(shí)，需要滿足Autosar標(biāo)準(zhǔn)。他們通過(guò)仿真建模完善BMS算法流程，不僅減少了軟件版本發(fā)布中的Bug數(shù)量（從平均22個(gè)降至不足9個(gè)），還成功通過(guò)ISO 26262 ASIL C級(jí)別的功能安全認(rèn)證。

結(jié)語(yǔ)

建模與仿真在BMS開(kāi)發(fā)中的引入，不僅提高了開(kāi)發(fā)效率、降低了測(cè)試成本，更重要的是保障了電動(dòng)車在真實(shí)環(huán)境中的安全表現(xiàn)。工程師可以在虛擬環(huán)境中對(duì)BMS算法進(jìn)行充分驗(yàn)證，覆蓋各種工況和故障情景，避免依賴昂貴的物理測(cè)試。隨著行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，這種開(kāi)發(fā)方式將幫助廠商構(gòu)建更安全、性能更優(yōu)的電動(dòng)車系統(tǒng)，滿足未來(lái)市場(chǎng)與監(jiān)管的雙重期待。

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