利用模擬技術改善EV電力電子設計

作者 : Nate Holmes,NI動力傳動測試主管

使用基於CPU的系統進行即時模擬面臨諸多侷限,導致模型迴路(MIL)和硬體迴路(HIL)等基於模擬的方法無法應用於產品開發早期階段,也無法避免成本高昂又耗時的電動馬力機(e-dynos)實體測試。

電動車(EV)的動力傳動架構各式各樣,包括純電動車(BEV)、插電式混合動力車輛(PHEV)和各種串聯或並聯式混合動力車輛(HEV);不過車輛都有一個共同點──都是採用電力電子元件來控制、轉換系統中的電能。

電力電子測試面臨全新挑戰

高速

EV電力電子元件的開關速度在2kHz到20KHz之間,業界希望使用基於碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN)的新設計來進一步提高開關頻率。要對開關行為進行準確的建模,模擬時間步長(simulation timesteps)對應的頻率要遠遠高於剛才所說的開關頻率;而且在很多情況下,該頻率要比基於CPU的標準模擬系統高許多倍。

複雜行為

電機表現出複雜的非線性行為,例如磁飽和(magnetic saturation)與頓轉扭矩(cogging torque)。此類行為很難建模,而且運算量非常大。線性模型可用於測試基本的嵌入式控制器功能,但是要進行調整和優化,則需要準確地表示更複雜的系統行為。

使用基於CPU的系統進行即時模擬面臨諸多侷限,導致模型迴路(model in the loop,MIL)和硬體迴路(hardware in the loop,HIL)等基於模擬的方法無法應用於產品開發早期階段,也無法避免成本高昂又耗時的電動馬力機(e-dynos,馬達測試台)實體測試。

因應方法

借助FPGA進行高速模擬

為了達到足夠的模擬速度,以對EV電力電子元件進行MIL和HIL測試,就需要以短於1s的週期來執行模擬模型,同時提供夠高的傳真度,以準確再現這些複雜系統的行為。要實現上述高速閉迴路模擬,就需要摒棄傳統基於CPU的系統,轉向以FPGA為基礎的方法來模擬電力電子元件和馬達。

但是,基於FPGA的模擬也存在諸多挑戰。在FPGA上開發複雜的電力電子和馬達模型通常需要專業的FPGA編程知識。此外,整個編譯過程需要不斷重複編程、編譯和測試,而且需要等待較長時間才能完成。

 

EV動力傳動設計的重點在於管理動力流程、優化動力轉換。

 

解決方案

NI透過PXI和CompactRIO硬體提供了靈活的測試、量測和控制功能。兩種系統都將即時CPU與使用者可編程的FPGA和模組化I/O結合在一起。它們還透過VeriStand軟體將模型與I/O整合在一起,配置和執行即時測試。

PXI和CompactRIO都提供了實現基於FPGA模擬方法所需的系統架構。借助這些系統,能夠以次微秒(submicrosecond)等級的迴路速率執行複雜的電力電子和馬達模型,確保所需的模擬傳真度,從而取得準確的測試結果並在設計流程中儘早完成更多測試。

即時測試軟體

有一款即時測試軟體VeriStand可幫助實現即時目標主機通訊(target-to-host communication)、資料紀錄(data logging)、激勵生成(stimulus generation),以及預警檢測和回應。

此外,VeriStand可以從模擬測試快速過渡到HIL測試,而且測試設定檔、預警、步驟和分析程式等測試元件也可以直接重複使用。模型的參數也會重新匹配到對應的硬體通道和真實I/O。因此,回歸測試所需的時間將大幅縮短,而且還可以結合TestStand等測試執行軟體來實現測試自動化。VeriStand還具備開放式的框架,可透過整合外掛程式來為特定應用提供所需的功能,這為測試系統提供了最大的靈活性。

電力電子外掛程式

NI與合作夥伴OPAL-RT聯手,為VeriStand提供基於FPGA的電力電子外掛程式。該外掛程式可直接與VeriStand整合,並且透過LabVIEW軟體開發套件進行擴充,是一款基於FPGA、功能強大的電力電子和馬達模擬工具,包括以下元件:

˙OPAL-RT的電子硬體求解器(eHS),這是一個功能強大的浮點求解器,可用於在FPGA上類比電路,無需編寫數學方程式。來自MathWorks Simscape Electrical專用電源系統庫、Plexim PLECS、Powersim PSIM和NI Multisim等各種常見的電路圖編輯器的模型可以直接導入eHS,以進行電力電子模擬。根據電力電子拓撲的複雜性和大小(系統狀態的數量、開關數量以及測量和控制訊號的數量),可選擇eHSx64或eHSx128。

機器模型求解器,包括永磁同步馬達和感應馬達配置以及位置回饋元件(如分解器和編碼器)。

  • 多個2D和3D求解器,可以從有限元素分析(finite element analysis)或實驗資料中以表格形式導入機器特性。
  • 訊號生成引擎,例如正弦波、脈衝寬度調變(PWM)和正弦波PWM,直接內建於FPGA設計中,用於生成開路或閉路測試所需的控制訊號。
  • 能夠使用客製化的測試場景和參數集在模擬過程中更改參數,可以生成故障並自動執行測試,而無需重新載入或重新編譯模型。

結語

新一代的解決方能在FPGA上實現基於模型的次微秒電力電子和馬達模擬,進行精準的MIL設計研究,並將模型連結到基於FPGA的高性能I/O,從而開發高性能的HIL測試系統。

借助模組化硬體和開放軟體,就可針對每個特定的應用量身訂做測試系統,同時在各個系統之間保持一致的測試架構,還可在之後升級系統,以便於滿足不斷變化的測試要求。這樣的解決方案可幫助設計人員在設計過程中儘早轉變測試方法,以便更快地發現問題、優化性能,盡可能擴大測試範圍,同時縮短測試時間並降低測試總成本。

本文由NI供稿

 

 

 

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