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建模与仿真如何推动电动车电池管理系统更安全发展
随着全球电动车销量持续攀升，全球电池需求不断增长。锂离子电池作为电动车的主力电源，其高能量密度虽然带来了续航优势，但一旦运行环境偏离设计参数，就可能引发失效甚至热失控。因此，电池安全成为电动汽车发展的重中之重。为了有效控制电池运行状态、提升整车安全性，电池管理系统（BMS）的作用愈发重要。MathWorks 高级产品经理Danielle Chu 分享了借助建模与仿真开发BMS的过程和价值。
计算机硬件系统图
中国工业和信息化部将在2026年7月1日正式实施全球首个强制性电动车电池安全标准，明确要求即使发生内部热失控，电池也不得起火或爆炸。这一规定体现了对电动车安全性的高度关注。锂电池若过充、过放或温度异常，极易引发热失控反应，造成不可逆的破坏。而BMS正是预防这一风险的关键技术。
BMS的核心功能包括：监测电压、电流和温度，防止电池过充/过放；对电芯电量进行均衡；估算电池的荷电状态（SOC）和健康状态（SOH）；以及控制电池组温度。这些功能直接影响电池性能、使用寿命及整车安全。例如，防止电池电压超限可避免加速老化，从而保障整车长期运行的可靠性。
仿真技术在BMS开发中的价值
在开发早期，工程师通过行为建模，在桌面端模拟电池系统模型、外部环境和BMS算法。借助仿真，他们可以在无需实体原型的情况下探索不同的架构方案，例如测试多种电芯均衡策略，评估其适用性和权衡利弊；还可在仿真中验证安全故障下的系统响应，如隔离故障场景下接触器行为是否符合规范。这种方式不仅降低了测试成本，也避免了实际硬件可能出现的风险。
在完成模型验证后，工程师可将BMS算法模型自动生成C代码或HDL代码，部署至快速原型平台或硬件在环（HIL）系统中，进行实时测试。快速原型中，模型生成的代码被加载至实时计算平台，模拟量产控制器的功能；在hil测试中，则是将电池系统模型生成代码，模拟真实电池系统、负载、充电器和电路组件，从而测试BMS算法在“虚拟实车”环境下的性能。这种闭环仿真方式可大幅提升测试效率，缩短开发周期。
印度电动车初创公司 Altigreen Propulsion Labs 就利用仿真技术对SOC估算方法进行了深入探索，如卡尔曼滤波和库仑计数法，并最终设计出适用于其系统的算法。Altigreen 控制系统负责人 Prathamesh Patki 表示：“借助自动代码生成工具，我们的开发效率提升了一倍，几乎可以实现模型构想后即刻在硬件上运行测试。”
实际应用案例：从建模到优化
在BMS开发流程中，电芯建模是一项基础性工作。准确的电芯模型有助于算法设定关键控制参数，例如卡尔曼滤波器的参数调整，或根据SOC与温度动态设定放电功率限制。随着开发进程推进，该模型还能被用于系统级的闭环仿真和实时测试。
快充优化是另一个关键应用场景。尽管快速充电是消费者关注的核心指标之一，但高功率充电也会加剧电池材料的老化，影响电池寿命。借助建模与优化算法，工程师可以在保证电池安全的前提下，制定最优充电功率曲线，实现最快速度和最小应力之间的平衡。
在汽车功能安全认证方面，仿真工具也扮演了重要角色。例如，LG化学（现为LG能源解决方案）在为沃尔沃XC90插电混动开发BMS时，需要满足Autosar标准。他们通过仿真建模完善BMS算法流程，不仅减少了软件版本发布中的Bug数量（从平均22个降至不足9个），还成功通过ISO 26262 ASIL C级别的功能安全认证。
结语
建模与仿真在BMS开发中的引入，不仅提高了开发效率、降低了测试成本，更重要的是保障了电动车在真实环境中的安全表现。工程师可以在虚拟环境中对BMS算法进行充分验证，覆盖各种工况和故障情景，避免依赖昂贵的物理测试。随着行业标准不断提高，这种开发方式将帮助厂商构建更安全、性能更优的电动车系统，满足未来市场与监管的双重期待。
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