验证、验证和测试电池管理系统,第9部分:电池管理系统的硬件在环仿真
从系列中:验证、验证和测试电池管理系统
本视频演示如何使用Simulink万博1manbetx®、Simscape™、Si万博1manbetxmulink Real-Time™和Speedgoat实时系统执行硬件在环(HIL)仿真,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是很耗时的,而且您可能会发现很难针对所有条件执行BMS。使用Simulink和Simscape进行系统级建模,万博1manbetx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微控制器和HIL实时系统。
当你观看本视频时,你将学习如何:
- 配置您的系统模型并选择正确的模拟求解器
- 选择正确的电池动态水平,以实现实时行为
- 使用电池,热,和故障仿真卡作为HIL系统的一部分
- 使用HIL系统在一系列条件下测试BMS软件
(边境部分)
在本节中,我们将深入研究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情况,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可能非常耗时。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水平。
测试一个典型的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价值。
此外,再现设计问题和故障条件可能很困难,涉及到安全考虑。
在使用实际的单元进行测试时,实现测试自动化、测试排序和报告生成可能非常昂贵并需要大量资源,特别是当涉及到许多测试设备时。
对于最终的系统集成测试和功能测试,需要使用实际电池组进行大量测试。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。
在设计迭代中获得高信任度的一种方法是通过模拟电池组测试BMS控制器和电子设备。这种针对模拟植物模型实时测试实控制器的方法被称为“硬件在环”测试。
在HIL测试中,我们从电池组的工厂模型开始。这是您可能用于在桌面模拟中测试BMS算法的模型。
接下来,我们从电池模型生成c代码并编译成一个实时应用程序,该应用程序由专用的实时目标计算机实时部署和执行。
这台目标计算机必须有将数值转换为物理信号(如电池电压和温度)的外围设备。我们将实时计算机的外设与BMS控制器连接,进行闭环测试。
通过用可编程的电池组取代实际的电池组,我们现在可以更有效、更安全地执行软件和电子设备的端到端测试。
现在,在我们可以为BMS Controller进行HIL测试之前,有几件事我们需要注意。
首先,我们需要按BMS控制器要求的步进时间实时运行大型单元网络模型。
对于最常见的电池应用,BMS算法在100Hz到500Hz之间执行。因此,实时以1kHz的频率执行我们的电池厂模型对于HIL测试来说已经足够了。如果你的电池组的串联单元少于50个,实现所需的步进时间可以很简单。
第二个挑战与硬件有关。因为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,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,让我们看一个例子模型。万博1manbetx
在这里,我们有一个有16个电池模块的电池模型,每个模块有6个电池串联,总共96个电池串联。每个电池单元模型电和热行为。我们使用控制电流源来充放电电池组。最后,单个电池电压、温度、电池组电流和电池组电压被测量并发送到BMS控制器。
从桌面模拟到实时测试的第一步是选择一个正确的固定步骤求解器。这通常是一个反复的过程,我们不会在这次网络研讨会中深入讨论细节。
相反,我建议您访问这个专门的网络研讨会,主题是“使用Simscape对物理系统进行实时仿真”。
在遵循本次网络研讨会中描述的步骤之后,我们为Simscape网络选择了Local-Solver,并确定了一致性迭代的数量为1。这些求解器设置产生所需的1mS步进时间结果。
我们还注意到,对于某些拓扑结构,“分区”求解器通过减少模拟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。分区求解器将附加的Simscape网络的整个方程组转换为几个较小的开关线性方程组集合,这些线性方程组通过非线性函数连接起来。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。万博 尤文图斯
现在,求解器名称“Partitioning”可能会导致一些混淆。为了更清楚,分区求解器并不对模型进行分区。分区求解器将不允许您拆分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。万博1manbetx在可能的情况下,Simulink Real-Time自动利用默认的多核处理器。
接下来,让我们实时执行电池模型。
为了节省时间,我已经通过单击Build按钮构建了应用程序并将其部署到目标计算机。在目标对象中,我们可以注意到部署到目标计算机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。在模拟过程中,我们可以观察到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采样时间(1毫秒)内执行模型。
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,并且最大任务执行时间(TET)完全在1毫秒之内。这为我们未来的车型增长提供了足够的空间。
当您在模型中添加更多的复杂性和细节时,您很可能无法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,您有更多的选项可以考虑。
第一个选择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,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的低阶动力学。这还有助于显著减少任务执行时间。这种性能上的提升来自于保真度的降低。
现在,如果您的模型复杂性较低,或者串联的电池单元数量少于50个,那么您很有可能不需要进行任何这种优化,就可以实现任务执行时间少于1毫秒。
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提供了电池模拟器卡IO991-06。每个电池模拟器卡提供6个隔离通道。每个通道可以提供高达7V,这允许我们模拟不同的细胞化学。此外,每个通道的源电流可达300毫安,下沉电流可达100毫安。此外,多个I/O模块可以串联或并行组合,以实现所需的功率水平。
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为温度传感器仿真卡和故障插入提供了多种选择。
在我们的演示中,我们只使用IO991进行电池电压模拟。
现在,让我们来看看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单体并生成故障场景。
在这个测试模型中,我们有一个小型电池组,6个电池组串联在一起。为了模拟故障,我们添加了一个开关,它允许我们在没有任何实际物理后果的情况下缩短两个单元终端,并测试控制器的响应。我们使用Toggle Switch Block进行故障交互注入。
控制电流源块是用来模拟充电或放电电流与滑块的帮助。为了对电池进行诊断,我们测量两个电池终端之间的电压。
测量到的电池电压值被输入IO991块,它将这些数值转换成电隔离的电压,每个与单个电池有关。
IO991-06卡的输出终端连接到一个电子板,你可以在背景中看到,它进行电池电压的物理测量,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控制器对单元电压进行诊断,并在两个终端之间发生过压或欠压故障或短路的情况下生成故障状态。在这种情况下,BMS控制器在发生任何故障时打开LED,并将其状态输出到数字输出端口。
我们通过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,让我们继续并连接到目标机器。
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,以检查任何过压故障或-10安培,以检查来自控制器的任何欠压故障。
我们还没有发现任何问题。当我们注入一个短路故障时,我们可以立即注意到控制器板上的LED发光,也可以看到我们的灯在模型中从绿色变为红色,表明控制器有故障。
让我们看看整个实验的模拟数据检查器的结果。由于电流的变化,我们可以注意到电池电压的微小变化。当我们触发故障时,其中一个电池电压显著下降,并看到相应的故障状态的变化。
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,来自电气、软件和热工等不同领域的工程师可以使用Simulink作为公共设计平台进行协作。万博1manbetx我们还讨论了实时运行大型电池模型以进行硬件在环测试的不同方法。最后,我们演示了如何为BMS应用程序设置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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