自動車の電動化に関する競争の激しい環境の中で、OEM (自動車メーカー) 各社が妥協できないもののひとつは、ハイブリッド車や電気自動車の安全性と信頼性です。

自動車のバッテリ管理システム (BMS) は、以下の点で安全性と信頼性を実現するために不可欠です。

• セル障害を防止する。
• セルと環境センサの監視を通じて、迅速に障害の検知と応答を行う。
• 自動車の高電圧システム内で絶縁を継続的に監視する。
• 車両の航続可能距離を推定する。
• 充電または駆動の最大電力を評価する。
• バッテリパック容量に基づいて航続可能距離を延長する。
• バッテリパックの交換またはリサイクルが必要になるまでのバッテリサイクル数を増やす。

BMS の信頼性を向上させる要求が高まる一方で、開発サイクルの短縮の必要性も高まっています。これらのシステムの複雑さを考慮すると、OEM は開発を効率化するために、システム開発者、半導体企業、サードパーティーのパートナーとのこれまで以上に緊密な連携を求めています。図 1に、電気自動車 (EV) の BMS の例を示します。

こうした協力関係は、BMS 開発中に使用されるソフトウェアベースのシミュレーション機能で明らかです。この間、コンポーネントとシステムは、物理的なハードウェアや高価なテスト環境のない開発サイクルの初期段階で、通常および過剰な条件下でテストされます。ハードウェアインザループ (HIL) シミュレータなどのツールは、バッテリモジュールやパックをエミュレートすることができ、開発の加速化、コンパクトなテスト環境のセットアップ、仮想プロトタイピング、自動テスト、物理的なバッテリパックなしで BMS 用ソフトウェアの開発が可能になります。

テストプロセスを簡素化することで、エミュレータは BMS 分野におけるイノベーションの加速化において重要な役割を果たすことができます。

車載 BMS を開発する際にエミュレータを使用する利点

ハードウェアインザループ (HIL) ソリューションは、バッテリセル、モジュール、またはパックの 2 極動作を安全にシミュレーションする方法を提供します。すべてのセルに対する実際の高精度電圧の出力は、電圧レベルのハードウェアインザループ (HIL) テストと呼ばれます。

また、BMS のメインコントローラを信号レベルでテストし、バッテリセルとセル監視ユニット (CSU) をシミュレーションすることも可能です。このアプローチの焦点は、実際の高電圧を使用せずに、BMS コントローラの機能と車両ネットワーク (またはその他の環境) との相互作用をテストすることです。これにより、最終的なハードウェアに対するより詳細な説明が可能となり、エミュレータと呼ばれます。

バッテリパック全体 (またはモジュール) およびセルモニタとパックモニタの両方をエミュレートすることで、詳細なテストを繰り返し行うことが可能となります。たとえば、BQ79616-Q1バッテリモニタのようなシミュレーションされたIC (集積回路) を使用し、ごく初期の開発段階でテストを行うことができます。信号レベルで BMS コントローラをテストする場合に想定される別の使用事例は、モーターコントローラやオンボードチャージャなど、他の制御ユニットとの統合テストです。

BMS エミュレータの機能

dSPACE セルフコントローラ仮想化 (CCV) は、完全なハードウェアや高電圧の安全装置を必要とせずに、セルコントローラ機能の包括的な信号レベルの BMS テストを実行することができます (図 2を参照)。

dSPACE CCV などの BMS テストエミュレータの利点の 1 つは、高価で予約を取りにくい高電圧ラボ環境の外でテストを実施できることです。高電圧 BMS テストに比べ、信号レベルのアプローチには、価格効率とよりコンパクトな試験システムのフットプリントという利点があります。信号レベルテストでは実際のセル電圧を必要としないため、テストシステムの複雑さが抑えられ、安全設備の要件も少なくなります。

また、信号レベルテストは設計の柔軟性を高めます。システム機能を早期にテストすることで、実際のバッテリまたは CSU などのバッテリパックの監視用ハードウェアが利用可能になる前であっても、設計者は最適化に集中することができます。また、セルコントローラをシミュレーションするだけでなく、dSPACE ソリューションはメイン BMSコントローラ、車両の電子制御ユニット、リアルタイムテスト用コンピュータ、または車両のハードウェアとの通信をエミュレートすることもできます。

dSPACE CCV ソリューションの一般的な使用事例には、メイン BMS コントローラで統合テストを実行して、ハイブリッド車や電気自動車のEモータコントローラ (インバータ) やオンボードチャージャなど、他の車両制御ユニットとの通信を検証することが含まれます。また、障害の検出と応答に関する充電状態 (SOC) と健全性 (SOH) のアルゴリズムをテストし、システムまたは自動車のハードウェアインザループシミュレータ全体で統合テストを実行することもできます。

これらのエミュレータは、強力なフィールドプログラマブルゲートアレイをベースにしており (図 3を参照)、厳しいタイミング要件にも対応可能です。また、高速、安全、絶縁型の通信を実現するために、幅広い通信プロトコルをサポートしています。これにより、エミュレートしたバッテリパックをハイブリッド型エミュレーションまたはリアルハードウェア環境でバッテリ管理ユニットに接続するなど、より柔軟なテスト機能が可能になります。

まとめ

20 年以上にわたる車載BMSの革新の中で、エミュレーションソリューションが対応して進歩していく様を目にするのは非常に興味深いことです。dSPACE セルコントローラ仮想化 (CCV) ソリューションは、TI のバッテリ管理 IC をエミュレートすることにより、設計プロセスの初期段階からシステム開発を促進します。迅速化されたプロセスにより、ハードウェアが利用可能になる前にソフトウェアの開発を進め、現実的または極端な動作条件をテストすることで、システムの安全性と信頼性の向上に貢献します。

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