BMS HIL 테스트 시스템, Jaguar Land Rover 하이브리드 및 전기 자동차의 시장 출시 시간 단축 지원

저자:

전기 및 컴퓨터 공학 교수이자 Miguel A. Gama - Jaguar Land Rover
Peter Blume - Bloomy
Steven Hoenig - Bloomy
Sue Slater - Jaguar Land Rover
Duncan Holden - Vayon Energy Storage

Bloomy Controls, Inc. 소개

Bloomy Controls, Inc. (Bloomy)는 배터리 테스트 및 시뮬레이션, 전자기기 기능 테스트 및 항공 전자 리얼타임 테스트를 위한 제품 및 서비스를 제공합니다. 우리는 또한 세계 최고 수준의 LabVIEW, TestStand 및 VeriStand 어플리케이션 개발을 제공합니다. 배터리 관리 시스템 (BMS) 제품 수명 주기 모든 단계에서의 성공을 바탕으로 우리는, OEM, 계약 제조업체, 연구원 및 테스트 실험실을 포함하는 하이브리드 및 전기 자동차 (xEV), 전력 그리드 에너지 저장 및 배터리 제조업체를 위한 기업 솔루션을 제공했습니다. 우리는 NI 임베디드 제어 및 전자 설계를 전문으로 하는 NI 플래티넘 얼라이언스 파트너입니다.

정확한 첨단 BMS 펌웨어 알고리즘

자동차 제조업체가 고성능의 제로 또는 저배출 하이브리드 및 전기 자동차 (xEV)를 통해 운송 산업을 혁신하고 미래를 바꾸기 위해 경쟁하면서, BMS 펌웨어 알고리즘은 리튬 이온 (li-ion) 배터리의 안전을 보장하면서 이동 거리를 확장하고, 충전 시간을 최소화하고, 배터리 수명을 극대화하기 위해 매우 중요해졌습니다. 또한 프리미엄 럭셔리 및 스포츠 유틸리티 차량 제조업체로서, Jaguar Land Rover (JLR)는 거리와 효율성을 저하하지 않고 업계가 JLR 브랜드에서 기대하는 주행 성능을 보장해야 합니다. BMS 알고리즘을 개발하는 것은 지루한 과정이며, 개발자는 실제 주행 조건에서 BMS의 성능을 평가해야 합니다. 그러나 리튬 이온 배터리는 비싸고, 충전 및 방전에 시간과 에너지가 필요하며, 시간이 지나면서 성능이 떨어지고, 제품 개발 과정에서 안전 위험도를 가중시킵니다. 과전압, 과전류, 과열 응답은 BMS 테스트의 일반적인 조건이며, 대응하는 안전 인터록 테스트를 위해 실제 배터리에 이러한 오류 조건을 강제하는 것은 위험합니다. 오히려 BMS 알고리즘 개발에는 그 반복적인 특성 때문에 안전하고 구성 가능하며, 반복 가능한 BMS 테스트 플랫폼이 필요합니다.

JLR and R&D Vehicle Systems (RDVS)는 안전하고 편리하며 재구성 가능한 방식으로 24개의 개별 배터리 셀, CAN 통신, 릴레이 입력 및 온도 센서를 포함한 모든 배터리 I/O를 동시에 시뮬레이션하는 BMS 테스트 플랫폼을 제공하기 위해 Bloomy와 계약했습니다. 시뮬레이션된 신호는 BMS가 xEV의 실제 배터리에 연결된 것처럼 작동하도록 현실적이어야 합니다. 시스템은 시뮬레이션을 실제 셀의 타이밍과 응답을 적절히 에뮬레이션하도록 타이밍 결정성이 있게 실시간으로 실행해야 합니다. 또한 시스템은 과전압, 저전압, 과전류, 과열, 셀 불균형과 같은 오류 시나리오를 재현할 수 있어야 합니다. 또한 변화하는 BMS 요구사항에 따라 테스트 시스템을 성장시키려면, 새로운 배터리 및 드라이브 트레인 구성과 모델로 쉽게 업데이트할 수 있어야 합니다. 특히 시스템은 하이브리드부터 완전 전기 자동차까지 광범위한 xEV 프로그램에 사용되는 매우 다양한 BMS 하드웨어 아키텍처를 수용할 수 있어야 합니다. 여기에는 중앙 집중식과 다양한 수의 슬레이브 보드를 사용하는 마스터-슬레이브 BMS 토폴로지를 모두 사용하는 다양한 고전압 버스, 릴레이, 전류 센서 및 전압 모니터가 포함됩니다.

BMS HIL 테스트 시스템

Bloomy의 BMS HIL 테스트 시스템은 PXI 섀시와 리얼타임 OS와 VeriStand 소프트웨어를 실행하는 컨트롤러로 구성됩니다. PXI I/O 및 버스 통신 모듈과 함께 PXI 섀시는 두 개의 Bloomy Battery Simulator 1200 유닛과 한 개의 EtherCAT 확장기에 연결되어 배터리 셀, 릴레이 입력, 써미스터 및 버스 통신을 포함하는 완전한 시뮬레이션 신호 세트를 제공합니다. VeriStand는 Bloomy가 The MathWorks, Inc. Simulink® 개발 환경을 활용해 개발한 24개의 비동기 셀 모델을 실행합니다. 고속 CAN 인터페이스는 Battery Simulator 1200 유닛이 시뮬레이션 셀 전압을 생성하도록 명령합니다. Bloomy의 Battery Simulator 1200는 안전하고 효율적인 BMS 테스트를 위해 특별히 제작된 상용 기성 계측기입니다. 각 유닛에는 지정된 셀 전압을 생성하는 사용자 정의된 Mezzanine 보드가 탑재된 단일 보드 RIO 디바이스가 포함되어 있습니다. 단일 보드 RIO FPGA는 BMS에 연결되는 케이블 하네스의 끝에서 신속하면서 타이밍 결정성을 보장하도록 출력 전압 레벨을 제어하므로 매우 높은 정확도와 빠른 응답 시간을 얻을 수 있습니다. 특별히 제작된 전력 전자 기기를 갖춘 새로운 설계 덕분에 Battery Simulator 1200은 테스트 BMS의 제어 하에 전류를 싱킹하고 소싱할 수 있습니다. BMS HIL 테스트 시스템의 모든 I/O는 CPC 커넥터를 통해 접근할 수 있습니다. 이 표준 커넥터 인터페이스는 테스트 BMS의 신속한 전환을 용이하게 합니다.

Bloomy는 HIL 어플리케이션에 필수적인 하드웨어와 소프트웨어 사이의 긴밀한 통합을 NI 제품에서 찾아 활용했습니다. 예를 들어, VeriStand와 함께 PXI 섀시를 사용한 덕분에 JLR은 Simulink 환경에서 자체 모델을 쉽게 배포, 실행할 수 있었으며, 다양한 화학 물질의 셀 모델을 실행하기 위해, 필요한 경우 모델을 즉시 업데이트 할 수 있었습니다. 마찬가지로 JLR는 VeriStand Stimulus Profile Editor를 사용하여 업계 표준과 사용자 정의 드라이브 사이클 모두를 구현했습니다. PC, RT, FPGA 레벨에서 동일한 프로그래밍 언어와 환경 (LabVIEW)을 사용할 수 있었던 덕분에 개발과 디버깅이 빨라졌습니다.

이 어플리케이션에서 우리가 직면한 가장 큰 과제는 24 채널의 셀 시뮬레이션이었습니다. 여기에 셀 밸런싱을 수행하려면 싱크 앤 소스 기능이 필요하고 셀 카운트의 확장성을 위해서는 고전압 절연 기능까지 있어야 했습니다. 시장에 이러한 요구사항을 충족하는 제품은, Bloomy의 Battery Simulator 1200가 유일했습니다. 제품에는 단일 보드 RIO 임베디드 컨트롤러가 포함되어 있는데, 이는 매우 신속한 제품 개발을 촉진하여 맞춤형 실시간 및 FPGA 회로를 개발할 필요가 없게 하기 때문에 제품 초기에 선택한 것입니다. 셀 전압 및 밸런싱 전류 시뮬레이션 외에도 이 장치는 1,000V의 셀 대 셀, 셀 대 그라운드 절연, 전압 및 전류 리드백, 계측기 레벨 안전성을 제공하며 FCC 및 CE 인증을 받았습니다. 이 글을 쓰는 시점에는 3개 대륙의 에너지 저장 장치 회사들에 의해 배터리, xEV 및 전력망 BMS 테스트 어플리케이션용으로 많은 Battery Simulator 1200 장치가 배치된 상태입니다.

어플리케이션 장점

최근에는 자동차 산업의 전자 제어 장치 (ECU) 테스트에 HIL 기술이 널리 보급되었습니다. 오늘날 자동차 제조업체는 HIL 시스템의 유연성, 반복성 및 편의성을 활용하여 그 어느 때보다 더 빠르고 경제적으로 차세대 xEV를 개발하고 있습니다. 또한 HIL 시스템은 HIL 시뮬레이터가 리튬 이온 배터리와 같이 다루기 어렵고 위험한 하드웨어를 대체할 때 특히 유용합니다. 앞서 언급했듯이, 배터리는 충전 및 방전에 상당한 시간과 에너지가 필요하며, 시간이 지나면 성능이 저하되고, 잘못 관리하면 위험할 수 있습니다.

JLR은 Bloomy의 BMS HIL 테스트 시스템을 사용하여 BMS 펌웨어를 보다 신속하게 개발하고 테스트하여 xEV의 성능을 향상하고 시장 출시 시간을 앞당깁니다. 이 시스템을 사용하면 JLR은 단순히 배터리 모델 및 자극 프로파일을 업데이트하여 셀 화학 특성, 배터리 구성 및 드라이브 프로파일과 같은 변화하는 요구사항에 보다 쉽게 응답할 수 있습니다. 실제로 JLR은 이 시스템 사용을 한 지 얼마 되지 않아 셀 화학식을 신속하게 평가하고 선택했습니다. 현재 JLR는 이 시스템으로 새로운 드라이브 사이클을 평가하고, 실험실 환경에서 트랙 동작을 재현하며, 업계 표준보다 훨씬 엄격한 JLR의 예상 드라이버 사용례에 따라 배터리 성능을 검증하고 있습니다. 또한 JLR은 BMS HIL 테스트 시스템의 모듈성과 표준 커넥터 인터페이스를 사용하여 다양한 xEV 프로그램을 타겟으로 하는 여러 BMS 하드웨어 플랫폼을 테스트합니다. 가장 중요한 것은 BMS HIL 테스트 시스템이 펌웨어의 어느 측면에라도 변경 사항이 있을 때마다 모든 BMS 기능을 종합적으로 다시 테스트하는 종합적 회귀 테스트를 용이하게 한다는 것입니다. 회귀 테스트는 BMS 펌웨어의 변경 사항이 의도하지 않게 다른 기능에 영향을 미치지 않도록 합니다. JLR의 모든 펌웨어 버전은 배포 전에 BMS HIL 테스트 시스템에서 포괄적으로 테스트됩니다. NI 소프트웨어와 하드웨어의 유연성과 긴밀한 통합 덕분에 이러한 강력한 구성이 가능하게 된 것입니다.

결론

BMS HIL 테스트 시스템은 BMS 펌웨어의 신속한 설계 및 테스트를 지원하여 JLR의 프로토타입 하이브리드 및 완전 전기 자동차의 개발을 가속화하는 유연한 테스트 플랫폼을 제공합니다. JLR은 시스템을 사용하여 상당한 차이가 있는 고전압 아키텍처를 사용하는 중앙 집중식 토폴로지와 마스터-슬레이브 토폴로지를 모두 포함하는 4개의 서로 다른 BMS 하드웨어 아키텍처를 검증했습니다. JLR는 표준 커넥터 인터페이스를 사용하여 테스트 스탠드를 신속하게 전환하여 하루에 여러 xEV 프로그램을 테스트할 수 있습니다. 리얼타임 PXI의 성능과 연결된 EtherCAT 확장 기능, FPGA의 속도, LabVIEW와 VeriStand의 유연성을 결합하여 JLR은 성능 및 구성 유연성 요구사항을 모두 충족하는 플랫폼을 구현합니다. 게다가, 단일 보드 RIO 및 LabVIEW FPGA Module을 기반으로 하는 Battery Simulator 1200은 필요한 셀 시뮬레이션 기능을 고전압 절연과 함께 제공하여 더 많은 셀 수로의 향후 확장성도 놓치지 않습니다. 결과적으로 JLR은 첫 적절 성능을 더 빨리 달성할 수 있습니다.

Bloomy는 하드웨어 및 펌웨어의 초기 설계 및 프로토타이핑부터 환경 및 성능 스펙의 포괄적인 검증뿐만 아니라 최종 라인 제조 테스트까지 전체 BMS 개발 수명 주기를 포괄하는 BMS 테스트 시스템을 제공합니다.

Simulink®는 The MathWorks, Inc.의 등록상표입니다.

저자 정보:

Peter Blume
Bloomy

전기 및 컴퓨터 공학 교수이자 Miguel A. Gama
Jaguar Land Rover