C-HILの例 - Orion Jr 2のバッテリー管理

導入

バッテリー管理システム（BMS）は、バッテリーまたはバッテリーパックを監視・管理し、安全動作領域外（過電圧、低電圧、過熱、低温など）での動作から保護するシステムです。BMSのもう一つの重要な機能は、バッテリーセルのバランス調整を行うことで、各セルの寿命を延ばし、バッテリーパック全体の容量を向上させることです。制御および監視機能は、バッテリーパック内の個々のバッテリーセルに適用されます。

このアプリケーションノートの主な目的は、市販のOrion Jr 2 BMSをTyphoon HILツールチェーンを用いてリアルタイムテストする方法を示すことです。このBMSは、最大公称電圧48Vのリチウムイオンバッテリーパック用に設計されており、最大16個の直列接続セルをサポートします。

モデルの説明

回路図を図 1に示します。電力ステージには、充電器と、12 個のバッテリー セルコンポーネントが直列に接続されたバッテリー パックの簡略化されたモデルも含まれています。バッテリー セル コンポーネントは、拡散プロセス、電圧ヒステリシス、バランス回路など、非常に詳細なバッテリー セルの表現を提供します。すべてのバッテリーはリチウムイオンとして均等に設定され、Orion Jr 2 BMS で設定された構成に従ってパラメーター化されます。さらに、すべてのバッテリーの温度 (バッテリー セル コンポーネントの入力) は同じで、専用の SCADA 入力を使用してシミュレーションで変更できます。バッテリー パックの電圧の公称値は 48 V です。バッテリー セル コンポーネントは、ソース ライブラリ カテゴリから直接使用されます。コンポーネントの詳細については、ドキュメントを参照してください。

Orion IOブロックには、Orion Jr 2 BMSとTyphoon HILデバイス間のインターフェースが含まれています。CANバスサブシステムは、BMSから充電状態（SOC）、健全性状態（SOH）、電圧、電流、バランス電流に関するメッセージを受信するために使用されます。

充電器サブシステムについては、簡略化されたモデルに制御電流源が含まれており、その値はBMSからアナログ入力を介して受信した充電および放電電流制限を考慮して設定されます。バッテリーパックの電流とバッテリーセルの電圧はシミュレーションで測定され、BMSに送信されます。BMSは、シミュレーションで測定されたセル電圧からバッテリーパックの電圧を計算します。

オリオンBMSの操作

Orion Jr 2 BMSは、48Vリチウム電池パックで使用することを目的としています。電池パックの電流、セル電圧、セル温度、内部抵抗の測定値を取得し、それらに基づいてSOCとSOHを推定します。BMSの役割は、電池が最適な安全条件下で動作し、個々のセル間で電荷が適切にバランスされていることを保証することです。また、BMSはセルの状態と温度に応じて、現在利用可能なエネルギーと最大充電電流を計算します。HILシミュレーションでは、BMSはシミュレートされた電池システムと、そのシミュレートされた電流センサーに接続されます。シミュレーション中の電池情報は、HILデバイスからCAN通信を介してOrion Jr 2 BMSに送信されます。この情報を使用して、シミュレーション値とOrionの測定値が同等であるかどうかを確認します。

Orion Jr 2 BMS には独自のソフトウェア ( Orion Jr 2 ソフトウェア ユーティリティ) があり、BMS 設定を構成してシミュレーション結果と BMS によって推定された結果を比較できるようにするには、これをダウンロードする必要があります。

シミュレーション

このサンプルには、図2に示すような、あらかじめ構築されたSCADAパネルが付属しています。ルートパネルには、実行中にシミュレーションを監視および操作するための最も重要なユーザーインターフェース要素が用意されています。ニーズに合わせて自由にカスタマイズできます。

SCADA パネルでは、さまざまなウィジェットとスコープを通じて、BMS の動作とバッテリー パックの動作を観察できます。

SCADAパネルの左側には、充電器に接続された12個のセルが表示され、パックを流れる電流の方向が示されています。また、バッテリーパックの電圧と電流の測定値も表示されます。右上には、シミュレーションで計算されたSOC測定値が表示されます。

CANサブパネルには、BMSによるSOC推定値、SOH、故障フラグなど、CAN通信を介してBMSから受信した情報が表示されます。一般故障サブパネルでは、高温、低温、電流センサー故障などの故障を有効化できます。

各セルのサブパネル（図3 ）には、セル端子電圧や内部抵抗などの測定値が表示されます。また、短絡セル、断線セル、弱点セルなどの故障を挿入することもできます。

短絡セル障害は選択されたセルに 0 V を適用しますが、切断セル障害は対応するデジタル出力を 0 に設定することで特定のセルが切断されていることを BMS に示します。

• 特定の事前プログラムされた条件が満たされると、BMS で弱いセル障害がトリガーされますが、これは必ずしもセルの死を示すものではありません。

充電器のサブパネルでは、実際の電流値だけでなく、充電電流制限と放電電流制限も読み取ることができます。

OrionソフトウェアとTyphoon HIL SCADAの結果を比較するには、まずOrion Jr 2 BMSがHILデバイスと適切にインターフェースされていることを確認します。次に、HIL SCADAでシミュレーションを実行し、Orionソフトウェアで「BMSに接続」をクリックします。これで、この例用に用意されたBMS設定をインポートできます。これを行うには、「ファイル」→「ディスクからプロファイルをロード」をクリックし、 bmsdefault.j2bmsファイルを選択します。このファイルは、サンプルモデルと同じフォルダにあります。図4に示すように、「バッテリープロファイル」タブを使用して、最大セル電圧、最小セル電圧、バランス調整の有効化/無効化、バランス調整設定などの一般的な設定を指定できます。

ここで示す最初のテストケースは、特定のセル電圧がOrionソフトウェアで定義された制限値を超えた場合にトリガーされるバランス調整機能のデモンストレーションです。この例では、最大セル電圧は4.1V、最小セル電圧は2.5Vに設定されています。Typhoon HIL SCADAでは、特定のセルのサブパネルにアクセスし、電圧を手動で指定して「VT Override」をクリックすることで、そのセルのバランス調整をトリガーできます。図5では、セル1の電圧がオーバーライドされ、4Vに設定されています。

その結果、数秒後、SCADAルートパネルのセル1のLEDが赤に点灯し、そのセルのパッシブバランス調整がアクティブになったことが確認できます。Orionソフトウェアを開き、「ライブセルデータ」タブを選択すると、すべてのセルの電圧値を確認できます。この場合、セル1の電圧値が赤くマークされ、値が範囲外であり、そのセルのバランス調整がアクティブになっていることが確認できます。

電圧オーバーライド チェックボックスをオフにするか、セル電圧を定義されたセル電圧制限内の値に設定すると、SCADA でバランス調整を無効にすることができます。

図6と図7は、短絡セル障害が発生した場合のBMSの動作を示しています。障害を強制的に発生させるには、セルサブシステム内の「短絡セル」チェックボックスをクリックします。これにより、このセルの端子電圧が0Vに設定されます。その結果、図6に示すように、Typhoon HIL SCADAでは短絡したセルが赤でマークされます。Orionソフトウェアでは、障害の可能性を通知するメッセージが表示され、このセルの電圧が0であることを確認できます。「診断」タブをクリックすると、障害が検出されたことと、そのセルを確認できます（図7 ）。

弱いセル障害は、[弱いセル] チェックボックスをクリックすることでトリガーされ、SOH が公称値よりも大幅に低い値に設定されます。

テスト自動化

このモデルには、事前に構築された自動テストが用意されています。SCADAで手動で実行されたアクションは、Typhoon Testを通じて自動的にテストできます。

この自動テストでは、次のテスト ケースがカバーされます。

• 電圧パック
• セルバランス
• 短絡したセル
• 弱い細胞
• 断線故障

電圧パックテストでは、HILシミュレーションとOrion Jr 2 BMSの電圧測定値を比較しました。結果を図9に示します。

セルバランステストは、セル電圧が規定範囲外となった場合にバランス調整が正しく作動するかどうかを検証します。このケースでは、セル電圧は4.3Vに設定されていますが、最大許容電圧は4.2Vに設定されています。同様に、残りのテストでは、短絡セル故障、弱電セル故障、断線配線故障に対するBMSの応答をテストできます。

TyphoonTest IDE からテストを実行すると、完全なテスト レポートを取得できます (簡単にアクセスするには、サンプル エクスプローラーの [テスト実行] ボタンを押します)。

要件の例

表1は、モデルをリアルタイムで実行するためのファイルの場所とハードウェア要件に関する詳細情報と、この最小限のハードウェア構成でモデルを実行した場合のHILデバイスのリソース使用率を示しています。この情報は、モデルの実行とカスタマイズを必要に応じて行う際に役立ちます。

著者

[1] ヨヴァナ・マルコビッチ