从系列:验证、验证和测试电池管理系统
是帕特尔MathWorks
本视频演示了如何使用Simulink金宝app®、Simscape™、Si金宝appmulink Real-Time™和Speedgoat实时系统,以执行硬件在环(HIL)模拟,以验证和测试电池管理系统(BMS)。针对所有操作和故障场景测试一个实际的BMS是非常耗时的,您可能会发现在所有情况下执行BMS是很困难的。使用Simulink和Simscape进行系统级建模,金宝app可以模拟BMS控制算法和电池组模型的行为。从这个系统模型,您可以从控制算法和电池组模型生成C代码,然后您可以分别部署到一个微控制器和一个HIL实时系统。
当你观看这个视频时,你将学习如何:
(边境部分)
在本节中,我们将更深入地了解电池管理系统的硬件在环测试。
需要对电池管理系统进行广泛的端到端测试,包括所有可能的故障条件,以确保系统的行为符合预期。
对电池管理系统进行这种类型的测试是非常耗时的。例如,在开始测试充电模式功能之前,必须将电池组放电到适当的充电状态。
测试一个典型电动汽车电池组的完整充放电循环需要数小时。当我们包括温度、电荷状态和其他参数的不同操作条件时,我们谈论的是几天的测试值。
此外,再现设计问题和故障条件可能是困难的,涉及安全考虑。
在使用实际单元进行测试时,实现测试自动化、测试排序和报告生成可能非常昂贵,需要大量资源,特别是涉及许多测试设备时。
在最终的系统集成测试和功能测试中,需要使用实际的电池组进行广泛的测试。但是,对每个软件修订或设计迭代都进行这种类型的测试是没有意义的。
在你的设计迭代中获得高可信度的一个方法是通过模拟电池组测试BMS控制器和电子元件。这种实时测试真实控制器和模拟设备模型的方法称为“硬件在环”测试。
在HIL测试中,我们从电池组的工厂模型开始。这是您可以用于测试桌面模拟中的BMS算法的模型。
接下来,我们从电池模型生成c代码,编译成一个实时应用程序,由专用的实时目标计算机实时部署和执行。
该目标计算机必须具有所需的外设将数值转换为物理信号,例如电池电压和温度。我们使用BMS控制器连接实时计算机的外设,以执行闭环测试。
通过将实际的电池组替换为可编程的电池组,我们现在可以更有效、更安全地执行软件和电子产品的端到端测试。
现在,在对BMS控制器进行HIL测试之前,我们需要注意一些事情。
首先,我们需要在BMS控制器所需的步骤时间实时运行大型电池网络的模型。
对于最常见的电池应用,BMS算法在100Hz到500Hz之间执行。因此,以1kHz实时执行我们的电池厂模型对于HIL测试来说是绰绰有余的。如果您的电池组在系列中有少于50个电池,实现所需的步长可以很简单。
第二个挑战与硬件有关。由于我们想要模拟电池的电行为,我们需要有方法来产生孤立的电压,并能够将它们串联或并联,就像实际的电池一样。此外,您还需要温度传感器仿真和故障仿真。
为了理解我们如何在Simulink中解决第一个挑战,让我们看一个示例模型。金宝app
在这里,我们有一个电池模型,有16个电池模块,每个模块有6个电池串联,总共有96个电池串联。每个电池块模拟电学和热行为。我们使用可控电流源对电池组进行充放电。最后,测量单个单元的电压、温度、封装电流和封装电压,并发送给BMS控制器。
从桌面模拟到实时测试的第一步是选择正确的固定步长求解器。这通常是一个迭代的过程,在本次网络研讨会中我们不会深入讨论细节。
相反,我建议您访问这个主题为“使用Simscape实时模拟物理系统”的专门网络研讨会。
按照本次网络研讨会中描述的步骤,我们已经为Simscape网络选择了一个Local-Solver,并确定了一致性迭代次数为1。这些求解器设置产生1mS步长的预期结果。
我们还注意到,对于特定的拓扑,“分区”求解器通过减少模拟的计算成本来提高性能。这有助于为桌面模拟和实时测试实现更快的模拟速率。分块求解器将附加Simscape网络的整个方程组转换成几个较小的切换线性方程组,这些方程组通过非线性函数连接。计算成本降低了,因为计算几个小方程组的解比计算一个大方程组的解更有效。金宝搏官方网站
求解器的名字" Partitioning "可能会引起一些混淆。为了说明这一点,Partitioning求解器并不对模型进行分区。分区求解器将不允许您分割模型并在多核处理器上运行。还有其他方法可以实现这一点。金宝app在默认情况下,只要有可能,Simulink real会自动利用多核处理器。
接下来,让我们继续在Real-Time中执行电池模型。
为了节省时间,我已经通过单击Build按钮构建并将应用程序部署到目标计算机。在目标对象中,我们可以注意到部署到目标机器上的应用程序的名称、应用程序状态、示例时间和其他有用的调试信息。
让我们开始在目标计算机上执行应用程序。在模拟的过程中,我们可以观察我们感兴趣的信号并调整参数。
这个模拟只有10秒长。一旦结束,我们可以检查目标计算机是否能够在期望的1毫秒的采样时间内执行模型。
通过检查目标对象,我们可以在此处注意到在模型执行期间报告的CPU过载,并且最大任务执行时间(TET)在1毫秒内。这为我们提供了足够的利润,以便未来的模型增长。
当您在模型中添加更多的复杂性和细节时,您很可能无法仅通过选择正确的求解器来实现所需的采样时间。在这种情况下,具体到电池建模,你有更多的选择,你可以考虑。
第一个选项是选择一个正确的电池块的变体。在这里,您可以注意到,通过选择保真度较低的变体,您可以轻松地将任务执行时间减少10倍。
另一种选择是选择电池单元的较低订单动态。这也有助于显着减少任务执行时间。这种性能的增益来自降低的保真度。
现在,如果您的模型复杂性较低或串联电池单元的数量小于50,则非常可能您不必执行任何此优化以实现小于1毫秒的任务执行时间。
如前所述,为BMS应用程序进行HIL测试的第二个重要方面是模拟传感器信号和传感器故障。
为了模拟电池电压,Speedgoat提供了电池仿真卡IO991-06。每个电池仿真卡提供6个隔离通道。每个通道可以提供高达7V的电压,这让我们可以模拟不同的细胞化学。此外,每个通道可以源达300毫安和汇达100毫安。此外,多个I/O模块可以串联或并行组合,以达到所需的功率水平。
除了电池电压仿真,我们还需要温度传感器仿真卡和故障插入卡来完成BMS HIL设置。Speedgoat为温度传感器模拟器卡和故障插入提供了各种选项。
在我们的演示中,我们只使用IO991进行电池电压仿真。
现在,让我们看看BMS HIL测试的现场演示。
我们从一个测试模型开始,它允许我们模拟电池并生成故障场景。
在这个测试模型中,我们有一个6芯串联的小型电池组。为了模拟故障,我们添加了一个开关,使我们可以在没有任何实际物理后果的情况下缩短两个小区终端,并测试控制器的响应。我们使用Toggle Switch Block来交互注入故障。
在滑动块的帮助下,一个受控电流源块用于模拟充电或放电电流。为了对电池进行诊断,我们测量了两个电池端子之间的电压。
测量的电池电压值输入到IO991块,它将这些数值转换成与单个电池有关的电气隔离电压。
IO991-06卡的输出端子连接到你在背景中看到的电子板,它对电池电压进行物理测量,并将信息传递给BMS控制器,在这种情况下,BMS控制器是德州仪器的控制器板。
BMS控制器对电池电压进行诊断,并在发生过、欠压故障或两端短路时产生故障状态。在这种情况下,BMS控制器在发生任何故障时打开LED,并在数字输出端口上输出其状态。
我们使用IO133的数字输入端口从BMS控制器读取故障状态,检查控制器逻辑是否按照要求执行。
现在,让我们连接目标机器。
在实时执行这个模型时,我们可以将电流一直改变到10安培来检查任何过压故障或-10安培来检查控制器的任何欠压故障。
我们还没看出任何错误。当我们注入短路故障时,我们可以立即注意到控制板上的LED发光,也可以看到模型中的Lamp从绿色变成红色,说明控制器有故障。
让我们在模拟数据检查器中查看整个实验的结果。我们可以注意到由于电流的变化而引起的电池电压的微小变化。当我们触发故障时,其中一个电池电压明显下降,并看到故障状态的相应变化。
在本次演示中,我们演示了如何创建大型系统级模型来快速设计和测试BMS算法,来自不同领域(如电气、软件和热学)的工程师可以使用Simulink作为通用设计平台进行协作。金宝app我们还讨论了实时运行大型电池模型进行硬件在环测试的不同方法。最后,我们演示了如何为BMS应用建立HIL测试,以及它如何帮助您在电池管理系统的设计中获得更多的信心。
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