工業基礎專欄 | 國產自主化功率級HiL 設備技術開發

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。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。
當完成電池管理系統的訊號級硬體迴路(Hardware-in-the-Loop, HiL)測試後，想更進一步的測試更多電池管理系統元件時，將會需要模擬真實的電池包電壓與電池包電流，有了這些實際的物理量才能夠更真實的貼近現實運作狀況。本文將說明在功率等級(Power level)下，如何整合相關設備並建立自動化測試程序，最後搭建出針對車用電池管理系統之硬體迴路驗證與發展平台。
驗證與發展平台架構
電池管理系統之功率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)、一低壓直流電池模擬器(LV DC Battery Simulator)、一高電壓模擬器(High Voltage Simulator)、一高電流模擬器(High Current 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)、錯誤注入卡(FIU (Fault Insertion Unit) Card)與絕緣阻抗模擬卡(Insulation Card)。

圖1 電池管理系統之功率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、電池芯溫度與電池包絕緣阻抗之功能，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32個電池芯電壓、30個電池芯溫度與2個電池包絕緣阻抗。