El camino hacia pruebas escalables de BMS
Patrocinado por dSPACE.
Los sistemas de gestión de baterías (BMS) van más allá de los vehículos eléctricos de gran volumen. Actualmente alimentan a vehículos eléctricos ligeros, vehículos guiados automáticamente, robots móviles, carretillas elevadoras, drones, herramientas eléctricas, sistemas de almacenamiento fijo y otras aplicaciones. El desafío común es que incluso un conjunto de baterías más pequeño sigue necesitando un sistema de gestión de baterías fiable, y ese BMS debe ser probado en condiciones realistas, reproducibles y seguras antes de que se pueda confiar en él en el campo.
En este mercado diverso de BMS, los equipos ahora trabajan con sistemas de baja y media tensión, baterías más pequeñas, plazos más ajustados y menos ingenieros especializados en pruebas. No siempre necesitan un sistema HIL (Hardware-In-the-Loop) de BMS a gran escala y completamente personalizado desde el primer día. Lo que necesitan es un punto de partida fiable que sea compacto, económico, rápido de implementar y que, al mismo tiempo, esté diseñado para poder escalarse.
dSPACE ofrece soluciones de simulación y validación para el desarrollo de sistemas conectados, autónomos y propulsados por energía eléctrica. En el ámbito de las baterías, esto incluye simulación en tiempo real, emulación de la tensión de las celdas, simulación de sensores de temperatura, interfaces de comunicación, automatización de pruebas y modelos de baterías en entornos HIL escalables. El objetivo es probar el BMS en un entorno de batería realista sin depender de una batería física en cada paso de validación.
Por qué los programas de BMS más pequeños aún necesitan pruebas rigurosas
Un BMS más pequeño no es automáticamente un BMS sencillo. Sigue monitoreando las tensiones y temperaturas de las celdas, estimando el estado de carga y el estado de salud, controlando el equilibrio, gestionando contactores o relés, supervisando las condiciones de corriente y aislamiento, y reaccionando ante fallos. La falta de validación puede provocar problemas de disponibilidad, envejecimiento prematuro o operación insegura.
Las pruebas tradicionales en banco de baterías abarcan solo partes del problema, pero tienen dificultades con la repetibilidad, la inserción de fallos, las pruebas de regresión y el comportamiento dinámico de las baterías. Las baterías reales son lentas, caras, tienen escenarios de fallo limitados y representan un riesgo para las pruebas en casos extremos. Las pruebas HIL sustituyen al sistema de batería físico por una simulación en tiempo real controlable, manteniendo al mismo tiempo el controlador del BMS real bajo prueba.
En el caso de programas más pequeños, la pregunta práctica no es si las pruebas HIL son útiles. La verdadera cuestión es cómo comenzar con dichas pruebas sin introducir complejidad. Aquí es donde encaja perfectamente el dSPACE SCALEXIO Battery HIL – Essential.
SCALEXIO Battery HIL – Essential: Un punto de entrada práctico
El SCALEXIO Battery HIL – Essential está diseñado como configuración inicial para aplicaciones BMS de menor tamaño. Está orientado a sistemas de aproximadamente 200 V, como vehículos eléctricos ligeros, herramientas eléctricas, robots móviles, carretillas elevadoras, sistemas de transporte industrial, bicicletas eléctricas, drones y plataformas similares. Su concepto se centra en un diseño compacto, una configuración estandarizada, ciclos de cotización rápidos, tiempos de entrega más cortos y una arquitectura económica en comparación con los sistemas HIL completamente personalizados.
El valor principal del SCALEXIO Battery HIL – Essential es que elimina las barreras de entrada. Los equipos más pequeños suelen necesitar primero validar el comportamiento básico del BMS: medición de voltaje de las celdas, entradas de temperatura, estimación del estado, equilibrio, lógica de relés, comunicación, diagnóstico y reacciones ante fallos seleccionados. Puede que no necesiten cientos de canales para las celdas, múltiples fuentes de alimentación de alta tensión ni un rack altamente personalizado desde el principio.
SCALEXIO Battery HIL – Essential ofrece una forma estructurada para comenzar. La configuración admite hasta 64 canales de voltaje de celdas, un voltaje de sistema de hasta 200 V, canales de sensores de temperatura configurables y operación con un procesador en tiempo real externo de dSPACE. También se puede combinar con los modelos de batería ASM del conjunto dSPACE Automotive Simulation Models (ASM), lo que permite un comportamiento de la batería realista y reproducible desde el inicio del proceso de validación.
Desde el punto de partida hasta los sistemas Battery HIL predefinidos y personalizados
A medida que crecen los sistemas de baterías, lo mismo ocurre con los sistemas de prueba. Los programas BMS más complejos suelen requerir voltajes de sistema más altos, más canales de celda, mayor simulación de temperatura, interfaces adicionales para corriente y aislamiento, fuentes de alta tensión, capacidad de inserción de fallos, infraestructura de seguridad y múltiples redes de comunicación. Es aquí donde resultan relevantes los sistemas SCALEXIO Battery HIL predefinidos y personalizables de dSPACE.
Los sistemas SCALEXIO Battery HIL de dSPACE combinan modelos de batería ASM con emulación de celdas de alta precisión. El simulador puede representar los voltajes de las celdas, sensores de temperatura, voltaje del conjunto de celdas, comportamiento de los sensores de corriente, control de relés, señales relacionadas con el aislamiento e interfaces de comunicación en un entorno de bucle cerrado. Los ingenieros pueden validar el BMS con base en un comportamiento realista de las celdas sin necesidad de utilizar un conjunto de baterías real en cada prueba.
Las configuraciones predefinidas y completamente personalizables están destinadas a ámbitos de pruebas que incluyen pruebas de lanzamiento, integración de sistemas, validación relacionada con la seguridad, pruebas de regresión y arquitecturas de paquetes complejas. Los sistemas preconfigurados pueden soportar un mayor número de canales y clases de voltaje, mientras que los sistemas personalizados pueden adaptarse a topologías de batería específicas del cliente, conceptos de seguridad, interfaces eléctricas, sistemas de diagnóstico y requisitos de automatización.
Esto es importante porque la validación del BMS rara vez se detiene. Un proyecto puede comenzar con algoritmos básicos, pasar a la integración de hardware, expandirse hacia el manejo de fallos, agregar automatización y luego conectar los artefactos de validación en flujos de trabajo de software-in-the-loop (SIL) y hardware-in-the-loop (HIL). Un enfoque escalable permite a los equipos reutilizar modelos, casos de prueba, recursos de automatización y conocimientos técnicos a medida que el proyecto madura.
Virtualización del controlador de celdas: pruebas a nivel de señal
La virtualización del controlador de celdas (CCV) traslada toda o parte de la funcionalidad del controlador de celdas a la simulación HIL. En lugar de emular físicamente cada entrada de la celda en el hardware real del controlador, el simulador proporciona la interfaz de comunicación aislada que espera el controlador del BMS. Esto es útil cuando los controladores de celdas no están disponibles, cuando el controlador del BMS es el foco principal de las pruebas, o cuando una emulación completa de celdas de alto voltaje añadiría complejidad innecesaria. Como resultado, ayuda a acelerar las pruebas iniciales del controlador del BMS al tiempo que reduce la dependencia de la disponibilidad del hardware.
El papel de la automatización de baterías y pruebas ASM
El hardware por sí solo no es suficiente. Un entorno de pruebas sólido para BMS necesita un modelo de batería que se comporte de manera fiable bajo condiciones cambiantes de estado de carga, temperatura, corriente, equilibrio y topología. Los Modelos de Simulación Automotriz (ASM) para baterías ofrecen modelos en tiempo real del comportamiento eléctrico y térmico específico de cada celda, así como de las estructuras de paquete/módulo/stack y topologías de batería parametrizadas. Los algoritmos del BMS reaccionan a tendencias, desequilibrios, aspectos temporales, comunicaciones y fallos, y no solo a valores estáticos. Dado que los modelos están integrados en el entorno de pruebas dSPACE, los ingenieros pueden utilizar la misma base de modelado y validación en diferentes etapas de pruebas y configuraciones del sistema.
Con la automatización de pruebas, los ingenieros pueden convertir estos escenarios en recursos de validación reutilizables. Pueden realizar pruebas de voltaje bajo y alto, pruebas de equilibrio, pruebas de precarga, verificaciones de comunicación, escenarios de temperatura y reacciones ante fallos de manera consistente. La ventaja comercial es mayor que encontrar un solo error en el laboratorio; se trata de detectar regresiones, documentar los resultados y reducir el trabajo manual en los bancos de pruebas.
Una estrategia de pruebas escalable, no una compra única
El argumento a favor del sistema SCALEXIO Battery HIL – Essential no radica simplemente en que es más pequeño. Ofrece a los equipos un punto de partida práctico. En el caso de las aplicaciones de baterías emergentes, el riesgo suele ser crear un entorno de pruebas que sea demasiado limitado para resultar útil o demasiado grande como para justificarse. SCALEXIO Battery HIL – Essential aborda el punto intermedio: cuenta con la capacidad suficiente para una validación significativa del BMS, con la estandarización necesaria para reducir las complicaciones, y con suficientes conexiones al ecosistema dSPACE como para evitar atascos.
A partir de ahí, los equipos pueden escalar a sistemas HIL de baterías SCALEXIO predefinidos o personalizados a medida que aumentan la clase de voltaje, el número de celdas, los requisitos de seguridad, el nivel de automatización y el alcance de integración. También pueden utilizar la virtualización del controlador de celdas cuando las pruebas a nivel de señal son la opción más adecuada, especialmente para la validación inicial del controlador BMS o en arquitecturas donde la integración de un controlador físico de celdas añadiría complejidad innecesaria.
Ese es el verdadero significado de las pruebas escalables de sistemas BMS. No se trata solo de añadir canales, sino de elegir el nivel adecuado de abstracción, la profundidad del hardware, la fidelidad de la simulación y la estrategia de automatización para cada fase del desarrollo. SCALEXIO Battery HIL – Essential es el punto de partida. Los sistemas SCALEXIO Battery HIL predefinidos y personalizados ofrecen la vía para la expansión. CCV aporta flexibilidad para la validación a nivel de señal. Juntos, brindan a los equipos de ingeniería una forma práctica de probar sistemas de gestión de baterías, desde la primera configuración de laboratorio compacta hasta la validación a escala real.
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