Le chemin vers des tests de BMS échelonnables

Parrainé par dSPACE.

Les systèmes de gestion des batteries (BMS) dépassent désormais le cadre des véhicules électriques de grande série. Ils alimentent aujourd’hui des véhicules électriques légers, des véhicules automatisés guidés, des robots mobiles, des chariots élévateurs, des drones, des outils électriques, des systèmes de stockage fixes et d’autres applications. Le défi commun est que même un petit pack batterie a encore besoin d’un système de gestion des batteries fiable, et que ce dernier doit être testé dans des conditions réalistes, reproductibles et sûres avant de pouvoir être utilisé en situation réelle.

Dans ce marché du BMS si diversifié, les équipes travaillent aujourd’hui avec des systèmes à basse et moyenne tension, des packs plus petits, des délais plus serrés, ainsi qu’un nombre réduit d’ingénieurs spécialisés dans les tests. Elles n’ont pas toujours besoin, dès le départ, d’un système BMS Hardware-In-the-Loop (HIL) sur mesure et à grande échelle. Ce qu’elles recherchent, c’est un point de départ fiable, compact, économique à mettre en œuvre rapidement, tout en étant conçu pour pouvoir être élargi par la suite.

dSPACE propose des solutions de simulation et de validation pour le développement de systèmes connectés, autonomes et alimentés électriquement. Dans le domaine des batteries, cela inclut la simulation en temps réel, l’émulation de la tension des cellules, la simulation des capteurs de température, les interfaces de communication, l’automatisation des tests, ainsi que des modèles de batteries dans des environnements HIL évolutifs. L’objectif est de tester le BMS dans un environnement de batterie réaliste, sans avoir à recourir à un pack de batteries physique à chaque étape de validation.

Pourquoi les systèmes BMS plus petits ont encore besoin d’un test approfondi

Pour les programmes plus petits, la question pratique n’est pas de savoir si le test HIL est utile. La vraie question est de savoir comment commencer à utiliser le test HIL sans introduire de complexité. C’est précisément là que le dSPACE SCALEXIO Battery HIL – Essential entre en jeu.

SCALEXIO Battery HIL – Essential : un point d’entrée pratique

Le SCALEXIO Battery HIL – Essential a été conçu comme configuration de base pour les applications BMS plus modestes. Il s’adresse aux systèmes de l’ordre des 200 V, tels que les véhicules électriques légers, les outils électriques, les robots mobiles, les chariots élévateurs, les systèmes de transport industriel, les vélos électriques, les drones et des plateformes similaires. Ce concept se caractérise par une conception compacte, une configuration standardisée, un délai de proposition rapide, des délais de livraison courts et une architecture économique par rapport aux systèmes HIL entièrement personnalisés.

La principale valeur du SCALEXIO Battery HIL – Essential réside dans le fait qu’il élimine les barrières à l’entrée. Les petites équipes ont souvent besoin de valider d’abord le comportement fondamental du BMS : mesure de la tension des cellules, entrées de température, estimation de l’état, équilibrage, logique de relais, communication, diagnostics et réactions aux pannes sélectionnées. Elles n’ont pas nécessairement besoin, dès le début, de centaines de canaux de cellules, de plusieurs alimentations haute tension ou d’un rack fortement personnalisé.

SCALEXIO Battery HIL – Essential offre une méthode structurée pour commencer. La configuration prend en charge jusqu’à 64 canaux de tension de cellule, une tension système allant jusqu’à 200 V, des canaux de capteur de température configurables, ainsi que le fonctionnement avec un processeur temps réel dSPACE externe. Il peut également être combiné avec les modèles de batterie ASM de la suite dSPACE Automotive Simulation Models (ASM), permettant un comportement de batterie réaliste et reproductible dès le début du processus de validation.

De l’point de départ aux systèmes HIL de batterie prédéfinis et personnalisés

Au fur et à mesure que les systèmes de batteries se développent, les systèmes de test le font également. Les programmes BMS plus complexes exigent généralement des tensions système plus élevées, davantage de canaux de cellules, une simulation de température plus poussée, des interfaces supplémentaires pour la mesure du courant et l’isolation, des sources haute tension, des mécanismes d’introduction de défauts, une infrastructure de sécurité ainsi que plusieurs réseaux de communication. C’est là que les systèmes SCALEXIO Battery HIL prédéfinis et personnalisés par dSPACE deviennent pertinents.

Les systèmes SCALEXIO Battery HIL de dSPACE combinent des modèles de batteries ASM avec une émulation haute précision des cellules de batterie. Le simulateur peut représenter les tensions des cellules, les capteurs de température, la tension du groupe de cellules, le comportement des capteurs de courant, le contrôle des relais, les signaux liés à l’isolation ainsi que les interfaces de communication dans un environnement en boucle fermée. Les ingénieurs peuvent valider le BMS en fonction d’un comportement réel des cellules, sans avoir besoin d’une batterie physique pour chaque test.

Les configurations prédéfinies et entièrement personnalisables sont conçues pour des domaines de test tels que les tests de livraison, l’intégration système, la validation liée à la sécurité, les tests de régression et des architectures de pack complexes. Les systèmes prédéfinis peuvent gérer un plus grand nombre de canaux et des classes de tension supérieures, tandis que les systèmes personnalisés peuvent être adaptés aux topologies de batterie spécifiques au client, aux concepts de sécurité, aux interfaces électriques, aux fonctions de diagnostic et aux exigences en matière d’automatisation.

Cela est important car la validation du BMS progresse rarement de manière linéaire. Un projet peut commencer avec des algorithmes de base, passer à l’intégration matérielle, s’étendre à la gestion des pannes, ajouter des fonctionnalités d’automatisation, puis relier les éléments de validation entre les workflows logiciel-in-the-loop (SIL) et matériel-in-the-loop (HIL). Une approche scalable permet aux équipes de réutiliser des modèles, des cas de test, des ressources d’automatisation et des connaissances techniques au fur et à mesure que le projet se développe.

Virtualisation du contrôleur de cellule : tests au niveau du signal

La virtualisation du contrôleur de cellule (CCV) transfère l’intégralité ou une partie des fonctions du contrôleur de cellule dans la simulation HIL. Au lieu d’émuler physiquement chaque entrée de la cellule dans du matériel réel de contrôleur de cellule, le simulateur fournit l’interface de communication isolée attendue par le contrôleur BMS. Cela est utile lorsque les contrôleurs de cellule ne sont pas disponibles, lorsque le contrôleur BMS est l’objet principal des tests, ou lorsque l’émulation complète des cellules haute tension ajouterait une complexité inutile. Ainsi, cela permet d’accélérer les tests préliminaires du contrôleur BMS tout en réduisant la dépendance vis-à-vis de la disponibilité du matériel.

Le rôle de l’automatisation des batteries et des tests ASM

Le matériel seul ne suffit pas. Un environnement de test BMS fiable nécessite un modèle de batterie qui se comporte de manière crédible face à des variations de niveau de charge, de température, de courant, d’équilibrage et de topologie. Les modèles de simulation automobile (ASM) pour batteries fournissent des modèles en temps réel concernant le comportement électrique et thermique spécifique aux cellules, les structures de pack/module/stack, ainsi que des topologies de batterie paramétrables. Les algorithmes BMS réagissent aux tendances, aux déséquilibres, aux délais, aux problèmes de communication et aux pannes – et non seulement à des valeurs statiques. Comme ces modèles sont intégrés dans l’environnement de test dSPACE, les ingénieurs peuvent utiliser la même base de modélisation et de validation pour différentes étapes de test et configurations de système.

Avec l’automatisation des tests, les ingénieurs peuvent transformer ces scénarios en outils de validation reproductibles. Ils peuvent effectuer des tests de sous-tension et de surtension, des tests d’équilibrage, des tests de précharge, des vérifications de communication, des scénarios de température ainsi que des tests de réaction aux pannes de manière cohérente. L’avantage commercial est supérieur à celui de simplement détecter une seule erreur en laboratoire : il s’agit de repérer les régressions, de documenter les résultats et de réduire le travail manuel sur banc d’essai.

Une stratégie de tests scalable, et non une simple acquisition ponctuelle

Le argument en faveur du système SCALEXIO Battery HIL – Essential ne réside pas simplement dans sa taille plus petite. Il offre aux équipes un point de départ pratique. Pour les applications batterie naissantes, le risque est souvent de créer un environnement de test soit trop limité pour être utile, soit trop volumineux pour être justifié. SCALEXIO Battery HIL – Essential trouve un équilibre : des capacités suffisantes pour une validation pertinente du BMS, une standardisation adéquate pour réduire les obstacles, ainsi que des connexions suffisantes avec l’écosystème dSPACE pour éviter les impasses.

À partir de là, les équipes peuvent passer à des systèmes HIL pour batteries SCALEXIO prédéfinis ou personnalisés, à mesure que la classe de tension, le nombre de cellules, les exigences de sécurité, le niveau d’automatisation et l’étendue de l’intégration augmentent. Elles peuvent également recourir à la virtualisation des contrôleurs de cellules lorsque les tests au niveau du signal constituent l’option la plus judicieuse, en particulier pour une validation précoce des contrôleurs BMS ou dans des architectures où l’intégration d’un contrôleur de cellule physique ajouterait une complexité inutile.

C’est là le véritable sens des tests de systèmes de gestion de batterie évoluables. Il ne s’agit pas seulement d’ajouter des canaux, mais aussi de choisir le bon niveau d’abstraction, la profondeur du matériel, la fidélité de la simulation et la stratégie d’automatisation pour chaque phase du développement. SCALEXIO Battery HIL – Essential constitue le point de départ. Les systèmes SCALEXIO Battery HIL prédéfinis et personnalisés offrent la voie pour l’expansion. Le CCV apporte de la flexibilité pour la validation au niveau des signaux. Ensemble, ils fournissent aux équipes d’ingénierie un moyen pratique de tester les systèmes de gestion de batterie, depuis la première configuration de laboratoire compacte jusqu’à la validation à grande échelle.

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