|工業基礎專欄|電池管理系統之HiL 驗證發展技術

作者:

黃彥翔、沈月笙

刊登日期:2020/07/30

前言
儲能系統(Energy Storage System)為純電動車(Electric Vehicle)上之關鍵零組件,如何透過電池管理系統(Battery Management System, BMS)有效管理與監控電池包(Battery Pack)是一個重要的課題,若設計稍有不慎,輕則永久性毀壞電池,重則危害到駕駛者的生命,因此電池管理系統的設計、開發與驗證相當重要。為了確保設計出來的電池管理系統能夠如預期工作,驗證、測試與發展平台扮演著相當重要的腳色,透過此平台能夠馬上驗證軟體與硬體之有效性,並且能夠在設計初期盡早排除問題,而不需要等到上實車後才發現問題,如此一來能夠縮短開發時程並且提升產品的可靠度。

本文將說明在訊號等級(Signal Level)下,如何整合相關設備並建立即時(Real-time)模擬模型,最後搭建出針對車用電池管理系統之硬體迴路(Hardware-in-the-Loop, HiL)驗證與發展平台。

驗證與發展平台架構
電池管理系統之訊號級硬體迴路驗證發展平台架構如圖1所示,系統中具備一主控台電腦(Host PC)、一即時模擬器(Real-time Target)、一PXI介面機箱(PXI Interface Chassis)、一電池芯電壓模擬器(Battery Cell Voltage Simulator)與一待測物。其中,待測物包含1組電池控制單元(Battery Control Unit, BCU)與2組電池監控單元(Battery Monitoring Unit, BMU);即時模擬器具有一PCIe轉PXI介面卡(Interface Card)、控制器區域網路卡(CAN (Controller Area Network, CAN) Card)與輸入/輸出卡(I/O Card);PXI介面機箱具有電阻式溫度模擬卡(Resistor Card)、PCIe轉PXI之介面卡(Interface Card)與錯誤注入卡(FIU (Fault Insertion Unit) Card)。

圖1 電池管理系統之訊號級硬體迴路驗證發展平台架構

一般來說,車用電子控制單元(Electronic Control Unit, ECU)都使用控制器區域網路作為溝通介面,因此在即時模擬器裡需要具備此介面才能夠跟電池管理系統溝通,另外,電池管理系統可能會需要其他輸入/輸出訊號,舉例來說,電池管理系統會輸出控制風扇之脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation, PWM)訊號,並接收風扇之轉速回饋(Frequency Generation, FG)訊號,因此若要全面性的測試電池管理系統,就需要使用輸入/輸出卡接收或模擬這些訊號。另一方面,由於即時模擬器不具備模擬電池芯電壓與電池芯溫度之功能,因此需要外掛一PXI介面機箱與一電池芯電壓模擬器以模擬這些物理訊號,這些設備都被即時模擬器控制,當模型計算出之電池芯電壓與溫度發生變化時,即時模擬器也會同步更改設備的輸出數值,此時電池監控單元就能感受到虛擬電池的物理特性變化,進而作出反應。本文中之驗證平台能夠模擬16個電池芯電壓與24個電池芯溫度。需注意的是,由於本文中之待測物為透過外掛電路模組監控電池包之電流與電壓,而外掛模組又透過控制器區域網路傳遞這些量測值給電池控制單元,因此在驗證平台中,不需要模擬實際的高電壓與高電流給電池控制單元,僅須透過控制器區域網路通訊模擬即可。

…本文未結束

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