Tesztplatform fejlesztése akkumulátorkezelő rendszerekhez
„A LabVIEW fejlesztői környezet és az NI PXI-platform együttese ideális összeállítás egy olyan akkumulátorfelügyeleti rendszereket vizsgáló platform megépítéséhez, amely elegendően rugalmas többféle termék vizsgálatához, és kellően pontos ahhoz, hogy teljesítse vagy túlteljesítse tesztelési követelményeinket.” –
Grant Gothing (Bloomy Controls).
A feladat jelentősége
A hibrid elektromos járművek iparágának gyors növekedése számos új igényt támaszt az újszerű termékek vizsgálatára és mérésére. Ehhez gyakran gyors tervezést, nagy pontosságot és nagy megbízhatóságot nyújtó, tömeggyártásban használható tesztrendszerek szükségesek. Az egyik ilyen terület a hálózatról tölthető, hibrid elektromos járművek (Plug-in Hybrid Electric Vehicle – PHEV) lítiumionos akkumulátorait kezelő felügyeleti rendszerek (BMS, battery management system) minőségvizsgálata.
A kihívás
A feladat rugalmas, költséghatékony minőség-ellenőrző rendszer megtervezése különböző konstrukciójú akkumulátorfelügyeleti áramkörök vizsgálatához. Ennek követelményei többek között a – legfeljebb 12 cellás – lítiumionos (Li-ion) akkumulátorok szimulációja, nagypontosságú feszültség- és árammérés, valamint kommunikáció a vizsgált eszközzel soros és/vagy CAN-hálózaton keresztül.
A megoldás
A fejlesztők a gyors eredmény, a flexibilitás és a költséghatékonyság szempontjait is figyelembe véve egy NI PXI-platformon és az NI LabVIEW fejlesztői környezeten alapuló általános tesztrendszer kidolgozása mellett döntöttek. Ebben hat darab NI PXI-4110 típusú tápegység található, amelyek segítségével a rendszer akkumulátorokat is képes szimulálni, valamint elegendően rugalmas és pontos többféle termék vizsgálatához is.
Az akkumulátorfelügyeleti rendszerek látják el az akkumulátoregységek és vezérlőrendszereik összes felügyeleti és vezérlési feladatát, és tartalmazzák a biztonságos üzemeltetéshez szükséges áramköröket. Feladataik közé tartozik a cellatöltés pontos figyelése, az akkumulátoregységek állandó feszültségét garantáló cellafeszültség-kiegyenlítés, a töltés és kisütés kezelése, valamint az akár 12 cellát tartalmazó akkumulátoregységek túlfeszültség- és túláramvédelme. Az akkumulátorfelügyeleti rendszer ezenkívül figyeli a rendszer hőmérsékletét, kezeli az áramfelvételt csökkentő energiatakarékos üzemmódokat, illetve a külső vezérlőkkel kommunikálva rendszervisszajelzéseket ad. Bár a legkülönbözőbb megoldású – többek között céláramkörrel megoldott – akkumulátorfelügyeleti, kiegyenlítő, figyelő és rendszervezérlő áramkör létezik – a jelen cikkben mindegyiket egységesen akkumulátorfelügyeleti rendszernek nevezzük.
Az akkumulátorfelügyeleti rendszert (BMS) vizsgáló alapösszeállítás
Az akkumulátorfelügyeleti rendszerek jellemzői és követelményei
A PHEV-akkumulátorok biztonsága, viselkedése és élettartama szempontjából fontos az akkumulátorcellák egyes paramétereinek nagy pontosságú ismerete. A cellafeszültségeket millivolt pontossággal kell figyelniük, az esetleges hibákat biztonságos keretek közt kell kezelni, és a megfelelő cellákból felvett árammal ki kell egyenlíteniük a cellák közötti feszültségkülönbségeket. A funkcióik teszteléséhez rendkívül pontos, rugalmas és üzembiztos tesztrendszerek szükségesek, amelyek szimulálják az akkumulátorcellákat, rendszerfeszültségeket állítanak elő, cella- és rendszerszinten mérik a feszültség- és áramértékeket, valamint kommunikálnak a vizsgált eszközzel.
A rendszer áramköri moduljainak összeállítása
A Bloomy Controls vállalat (az NI Platinum Alliance partnere) PXI-alapú, univerzális vizsgálórendszeréből kiindulva olyan rugalmas, rendkívül pontos alapplatform valósult meg, amelynek szabványos csatlakozóegységeivel, cserélhető befogóival többféle akkumulátorfelügyeleti áramkört lehetett vizsgálni. A rendszer hat darab NI PXI-4110 típusú, háromkimenetű, programozható, egyenfeszültségű tápegységet tartalmazott. Ezek szimuláltak egy akár 12 lítiumionos cellából álló akkumulátort.
A kívánt, mV-pontosságú mérésekhez NI PXI-4071 digitális multimétert használtak multiplexelt kialakításban, továbbá egy NI PXI-6221M-sorozatú adatgyűjtő modul valósította meg az analóg kimenetek, a TTL-jelszintű digitális be-/kimenetek, valamint a nagyobb sebességű analóg bemeneti méréseket. A kapcsolók leolvasásához és az eszközfogadó relék működtetéséhez egy NI PXI-6514 ipari kivitelű digitális be-/kimeneti modult alkalmaztak. A PXI-egységeken felül fix feszültségű tápegységek, valamint programozható, nagyfeszültségű és nagyáramú tápegységek állították elő a vizsgálati követelményekben előírt, nagyobb rendszerteljesítményt. A befogókon USB-csatlakozókkal oldották meg, hogy a vizsgálatot modellenként rugalmasan lehessen kiegészíteni más – eszközspecifikus – adatátvitellel, illetve perifériákkal. Valamennyi modul szabványos, 19”-es műszerszekrényben kapott helyet. Ebbe a szekrénybe kerültek a méréshez szükséges tápegységek, műszerek és egyéb eszközök is. Szabványos befogórögzítőt alkalmaztak annak érdekében, hogy ugyanazon a tesztelőberendezésen többféle akkumulátorfelügyeleti rendszert lehessen vizsgálni. Mindegyik befogótípus elektronikusan kódolt, ami garantálja, hogy a csatlakoztatott befogónak és mérendő eszköznek megfelelő vizsgálati program fusson le. A cserélhető befogóknak köszönhetően jelentősen csökkenteni lehetett a rendszer költségét és az átfutási időket, mivel a különböző vizsgálandó eszközökhöz ugyanazt a műszerezési alaphardvert tudtuk használni. Az alaprendszer megépítése után már gyorsan meg lehetett tervezni és építeni az új befogókat, illetve elkészíteni azok vizsgálati szoftverét.
Soros cellák szimulálása PXI-4110 tápegységek segítségével
Egy tizenkét cellás lítiumion-akkumulátoregység szimulálásához a hat PXI-4110 tápegység szigetelt ±20 V-os kivezetéseit sorba kellett kapcsolni. Mindegyik kivezetés az akkumulátoregység egy-egy celláját szimulálta. A cellafeszültség vizsgálatakor a tápegységek 2…4 V közötti cellafeszültségeket, azaz maximum 46 V-os teljes akkumulátorfeszültséget adtak le. A vizsgálandó eszköz pontosságát úgy határozták meg, hogy a szoftver lekérdezte a vizsgált egység által az egyes cellákon mért feszültségeket, majd ezeket összehasonlították a mérőrendszer digitális multiméterével mért értékekkel. Az egyes cellák kiegyenlítő áramának vizsgálatánál kulcsfontosságú volt a PXI-4110 tápegységek 16 bites felbontása, mert így nem kellett külső söntöt használni vagy Hall-áramokat mérni. Összességében a kis feszültséghullámzású, gyors válaszidejű, nagy felbontású és könnyen vezérelhető PXI-4110 kiváló választás volt ehhez az alkalmazáshoz.
A rendszer szoftvere
A vizsgálószoftvert LabVIEW-környezetben írták meg. Minden vizsgálati paramétert egy konfigurációs fájlban helyeztek el annak érdekében, hogy a specifikációk megváltoztatásához ne kelljen módosítani a programot. Az összes adatgyűjtő csatornához és feladathoz rendelt paramétereket is külön konfigurációs fájlban tárolták, ezért a hardver vagy a kábelezés megváltoztatásához nem kellett módosítani az alapszoftveren. Mivel a kezelőfelület gyártási környezethez készült, használata alig igényel kezelői beavatkozást: a vizsgálótechnikus egyszerűen felnyitja a befogó biztonsági fedőlapját, leolvassa a vizsgálandó egység vonalkódos sorozatszámát, majd lezárja a fedőlapot, ami elindítja a vizsgálatot a szokásos üzemmódban. A tesztelés végén a rendszer megjeleníti az eredményt, a vizsgálat adatait naplóállományban tárolja, illetve jelzi a technikusnak, ha a teszt sikertelen.
Minden szoftverhez hibaelhárítási és diagnosztikai üzemmódot is társítottak, megkönnyítve a mérnökök számára a rendszer kézi beállítását. A hibaelhárítási üzemmód bekapcsolásával futtathatók a vizsgálószoftver egyes részei, amelyek által leszűkíthető a hiba lehetséges okainak köre. A diagnosztikavezérlő képernyőn keresztül elérhető a rendszer minden olyan adata, amely a csatlakoztatott befogóra vonatkozik. Ezáltal tehát kézi vezérléssel kiolvashatók a rendszerfeszültségek és -áramok, vezérelhető az összes tápegység, működtethetők a relék és kommunikálni lehet a vizsgált eszközzel.
Az alapplatform rendszerének blokkvázlata
Pontos és rugalmas vizsgálati megoldás
A Bloomy Controls akkumulátorfelügyeleti funkciókat vizsgáló rendszeréhez használt moduláris NI-eszközök és a LabVIEW -szoftver kulcsfontosságú volt egy pontos, könnyen használható, rugalmas rendszer megtervezéséhez. A hat PXI-4110 típusú programozható, egyenfeszültségű tápegység ideális választásnak bizonyult a lítiumionos cellákból álló akkumulátorok szimulálásához. Eddig három alaprendszert és kilenc befogót – köztük két egyedi befogómodellt – szállítottak le. Két alaprendszert közvetlenül bérgyártóknak adtak el, amelyek egyike jelenleg Kínában működik.
Az akkumulátorvezérlő rendszerek terén szerzett tapasztalatok alapján gyorsan, kis kockázattal és rövid átfutási idővel lehetett új, tesztelő rendszereket kifejleszteni. A moduláris szemlélet alkalmazásának és csereszabatos összetevők felhasználásának köszönhetően az alaprendszer az akkumulátorvezérlő rendszerek széles körét képes vizsgálni. Ezzel a módszerrel olcsóbb és gyorsabb az új befogók kifejlesztése, továbbá költséghatékonyan lehet vizsgálni kis darabszámú sorozatokat – például kutatási-fejlesztési célú prototípusokat is. Összefoglalva: a LabVIEW-fejlesztői környezet és az NI PXI-platform együttese ideális összeállítás egy olyan akkumulátorfelügyeleti rendszereket vizsgáló platform megépítéséhez, amely elegendően rugalmas több termék vizsgálatához, továbbá megfelelő pontosságú ahhoz, hogy teljesítse a tesztelési követelményeket.
A jelen esettanulmánnyal kapcsolatosan további információk:
Robert Cornwell
Bloomy Controls, Inc.
257 Simarano Drive,
Marlborough, MA 01752
Tel: +1(508) 281-8288
Fax: (508) 281-8295
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
www.bloomy.com
National Instruments
Hungary Kft.
1117 Budapest
Neumann J. u. 1/E 2. em.
(Infopark E ép.)
Tel.: +36 1 481 1400
Fax: +36 1 203 3490
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
http://hungary.ni.com
Még több National Instruments
Címkék: akkumulátor | mérőautomata
