从系列:验证,验证和测试电池管理系统
Chirag Patel,Mathworks
此视频演示了如何使用Simulink金宝app®,的Simscape™,S金宝appimulink的实时™和的Speedgoat实时系统进行硬件在环(HIL)仿真来验证和测试电池管理系统(BMS)。测试实际BMS所有操作及故障场景是耗时的,你可能会发现很难行使BMS的所有条件。与Simulink和的Simscape系统级建模可以模金宝app拟的BMS的控制算法和电池组模型的行为。从该系统模型,可以产生从控制算法和电池组模型,然后可以分别部署到一个微控制器和一个HIL实时系统中,两个C代码。
当您观看此视频时,您将学习如何:
[HIL部分]
在本节中,我们将仔细研究电池管理系统的硬件环路测试。
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。
这样做型式试验的电池管理系统可以非常耗时。例如,您开始测试收费模式功能之前,必须将电池组放电的充电水平适当的状态。
测试完整的充放电循环为一个典型的电动车辆电池组需要数小时。我们谈论的是天值得测试的时候,我们包括温度不同的操作条件,充电状态等参数。
此外,再现设计问题和故障条件可能很困难,并且涉及安全考虑因素。
虽然这样做实际测试的细胞,实现测试自动化,测试排序和报告生成是非常昂贵的,并且需要大量的资源,尤其是当有牵涉到很多的测试设备。
对最终系统集成测试和功能测试需要使用实际电池组进行广泛测试。但这对于每个软件修订或设计迭代进行这种类型的测试并没有意义。
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。这是您可能在桌面模拟中用于测试BMS算法的模型。
接下来,我们从电池模型生成C代码并编译成实时应用程序,该应用程序通过专用的实时目标计算机实时部署和实时执行。
这台目标计算机必须有外设来将数值转换成物理信号,如电池电压和温度。我们将实时计算机外设与BMS控制器连接,进行闭环测试。
通过使用可编程的电池组更换实际的电池组,我们现在可以更有效和安全地对软件和电子设备进行端到端测试。
现在,在我们可以为BMS控制器进行HIL测试之前,我们需要注意的事情很少。
首先,我们需要在BMS控制器所要求的步长时间内实时运行大型小区网络模型。
对于最常见的电池应用,BMS算法在100Hz到500Hz之间执行。因此,在1KHz实时执行我们的电池设备模型比HIL测试足够。如果电池组串联的电池组少于50个单元,则实现所需的步骤时间可以是简单的。
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。
要了解我们如何在Simulink中解决第一个挑战,请查看一个示例模型。金宝app
在这里,我们有一个电池型号,具有16个单元模块,每个电池模块串联连接6个单元,使其总共有96个单元串联连接。每个电池单元块模拟电气和热行为。我们使用受控电流源充电和放电电池组。最后,测量各个电池电压,温度,包装电流和包装电压并发送到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,我建议您访问这个专用网络研讨会上的主题“使用物理系统的实时仿真的Simscape。”
以下在此网络研讨会中描述的步骤后,我们已经选择了本地-求解器对的Simscape网络,并确定一致性的迭代数量为1。这些解算器的设置产生的1mS的步骤时所需的结果。
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
现在,求解器名称“分区”可能会导致一些混乱。刚刚明确,分区求解器不会分区模型。分区求解器不会允许您拆分模型并在多核处理器上运行。有其他方法可以实现这一目标。金宝appSimulink Real-Time在可能的情况下,默认情况下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。
这种模拟是只有10秒长。一旦它已经结束了,我们可以检查,如果目标计算机能够在1millisecond期望的采样时间来执行模式。
通过检查目标对象,我们可以注意到在模型执行期间没有报告CPU过载,最大任务执行时间(TET)在1毫秒之内。这为我们未来的模型增长提供了足够的空间。
当你在模型中加入更多的复杂性和细节,这是非常可能的,你可能不能够仅仅通过选择合适的求解器以达到所需的采样时间。在这种情况下,具体到电池的造型,你有几个选项,你可以考虑一下。
第一个选项是选择电池块的正确变型。在这里,您可以注意到通过选择具有较低保真度的变体,您可以轻松获得任务执行时间的10倍。
另一种选择是选择电池的低阶动力学。这也有助于显著减少任务执行时间。这种性能的提高来自于保真度的降低。
现在,如果你的模型复杂度较低,或者串联电池的数量小于50,很有可能你不需要做任何优化来实现任务执行时间小于1毫秒。
正如我们之前讨论的那样,对BMS应用的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,我们需要温度传感器模拟卡和故障插入卡来完成BMS HIL设置。的Speedgoat提供了温度传感器仿真器卡和故障插入各种选项。
在我们的演示中,我们只使用IO991进行电池电压仿真。
现在,让我们看一个BMS HIL测试的现场演示。
我们从测试模型开始,这使我们能够模拟电池单元并生成故障方案。
在此测试模型中,我们有一个小电池组,其中6个单元串联连接。为了模拟故障,我们添加了一个开关,它允许我们短两个单元终端,而没有任何真实的物理后果并测试控制器的响应。我们使用切换开关块以交互方式注入故障。
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卡的输出端子板你在这里的背景下,这使得单元电压的物理测量和通信的信息发送到BMS控制器,在这种情况下是德州仪器控制器板看到被连接到电子设备。
上的电池电压BMS控制器进行诊断,并产生在过压或欠压故障或短路的两个端子之间的情况下的故障状态。在这种情况下,在任何故障,并输出它的数字输出端口上的状态的情况下的LED BMS控制器匝。
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。
截至上执行实时这个模型,我们可以一路改变目前的10安培至检查任何的过压故障或-10安培检查来自控制器的任何欠压故障。
我们没有看到任何的错呢。当我们注入了短路故障,我们可以立即通知LED发光控制器板上也看到我们的灯模型从绿色改变颜色为红色,说明有控制器上的故障。
让我们来看看在仿真数据检查的结果对整个实验。我们可以看到在电池电压由于电流变化的微小变化。而电池电压的一个显著下降,因为我们所触发的故障,并查看故障状态的相应变化。
在本演示文稿中,我们演示了如何快速设计和测试BMS算法的大型系统级模型,以及电气,软件等不同域的工程师可以使用Simulink作为公共设计平台进行协作。金宝app我们还讨论了不同的方法,实时运行大电池型号,以进行硬件环路测试。最后,我们展示了如何为BMS应用程序设置HIL测试以及如何帮助您对电池管理系统的设计带来更多的信心。
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