La strada verso i test scalabili del BMS

Sponsorizzato da dSPACE.

I sistemi di gestione delle batterie (BMS) vanno oltre i veicoli elettrici di grande produzione. Oggi alimentano veicoli elettrici leggeri, veicoli guidati automaticamente, robot mobili, carrelli elevatori, droni, attrezzi elettrici, sistemi di stoccaggio fissi e altre applicazioni. La sfida comune è che anche un pacco batteria più piccolo richiede comunque un sistema di gestione delle batterie affidabile, e tale BMS deve essere testato in condizioni realistiche, ripetibili e sicure prima di poter essere utilizzato sul campo.

In questo mercato BMS così diversificato, i team devono ora lavorare con sistemi a bassa e media tensione, pacchetti più piccoli, scadenze sempre più strette e meno ingegneri specializzati per i test. Non hanno sempre bisogno, fin dal primo giorno, di un sistema BMS Hardware-In-the-Loop (HIL) su larga scala completamente personalizzato. Hanno invece bisogno di un punto di partenza affidabile, compatto, economico da implementare e comunque progettato per poter essere ampliato in futuro.

dSPACE offre soluzioni di simulazione e validazione per lo sviluppo di sistemi connessi, autonomi e alimentati elettricamente. Nel settore delle batterie, ciò include simulazioni in tempo reale, emulazione della tensione delle celle, simulazione dei sensori di temperatura, interfacce di comunicazione, automazione dei test e modelli di batteria in ambienti HIL scalabili. L’obiettivo è testare il BMS in un ambiente di batteria realistico, senza dover fare affidamento su un pacchetto batteria fisico per ogni fase di validazione.

Perché anche i programmi BMS più piccoli hanno comunque bisogno di test approfonditi

Un BMS più piccolo non è automaticamente un BMS semplice. Continua comunque a monitorare le tensioni e le temperature delle celle, a stimare lo stato di carica e lo stato di salute, a controllare il bilanciamento, a gestire contattori o relè, a supervisionare le condizioni di corrente e isolamento, e a reagire ai guasti. La mancata validazione può causare problemi di disponibilità, invecchiamento prematuro o un funzionamento pericoloso.

I test tradizionali su bancata dei pannelli batteria coprono solo alcune parti del problema, ma presentano difficoltà in termini di ripetibilità, inserimento di guasti, test di regressione e comportamento dinamico della batteria. I pannelli batteria reali sono lenti, costosi, hanno scenari di guasto limitati e rappresentano un rischio per i test sui casi estremi. I test HIL sostituiscono il sistema batteria fisico con una simulazione in tempo reale controllabile, mantenendo comunque il vero controller BMS sotto test.

Per i programmi più piccoli, la domanda pratica non è se il testing HIL sia utile. La vera questione è come iniziare con il testing HIL senza introdurre complessità. È proprio in questo contesto che entra in gioco il dSPACE SCALEXIO Battery HIL – Essential.

SCALEXIO Battery HIL – Essential: Un punto di ingresso pratico

Il SCALEXIO Battery HIL – Essential è progettato come configurazione di partenza per applicazioni BMS di piccole dimensioni. È rivolto a sistemi appartenenti approssimativamente alla categoria dei 200 V, tra cui veicoli elettrici leggeri, attrezzi elettrici, robot mobili, carrelli elevatori, sistemi di trasporto industriale, e-bike, droni e piattaforme simili. Il concetto si basa su un design compatto, una configurazione standardizzata, tempi di preventivo rapidi, tempi di consegna ridotti e un’architettura economica rispetto ai sistemi HIL completamente personalizzati.

Il principale vantaggio del SCALEXIO Battery HIL – Essential è che elimina le barriere all’ingresso. Le squadre più piccole spesso devono prima verificare il funzionamento fondamentale del BMS: misurazione della tensione delle celle, ingressi di temperatura, stima dello stato, bilanciamento, logica dei relè, comunicazione, diagnosi e reazioni alle anomalie selezionate. Potrebbero non aver bisogno, fin dall’inizio, di centinaia di canali per le celle, di più alimentatori ad alta tensione o di un rack fortemente personalizzato.

SCALEXIO Battery HIL – Essential offre un metodo strutturato per iniziare. La configurazione supporta fino a 64 canali di tensione delle celle, una tensione di sistema fino a 200 V, canali di sensore di temperatura configurabili e il funzionamento con un processore in tempo reale esterno dSPACE. Può anche essere abbinato ai modelli di batteria ASM presenti nella suite dSPACE Automotive Simulation Models (ASM), consentendo un comportamento della batteria realistico e ripetibile fin dall’inizio del processo di validazione.

Dal punto di partenza ai sistemi Battery HIL predefiniti e personalizzati

Con lo sviluppo dei sistemi a batteria, crescono anche i sistemi di test. I programmi BMS più complessi richiedono solitamente tensioni di sistema più elevate, un maggior numero di canali per le celle, una simulazione della temperatura più approfondita, interfacce aggiuntive per corrente e isolamento, sorgenti ad alta tensione, funzionalità per l’inserimento di guasti, infrastrutture di sicurezza e reti di comunicazione multiple. È in questi contesti che i sistemi SCALEXIO Battery HIL predefiniti e personalizzabili di dSPACE diventano fondamentali.

I sistemi SCALEXIO Battery HIL di dSPACE combinano modelli di batteria ASM con un’emulazione ad alta precisione delle celle stesse. Il simulatore è in grado di rappresentare le tensioni delle celle, i sensori di temperatura, la tensione dell’intera batteria, il comportamento dei sensori di corrente, il controllo dei relè, i segnali legati all’isolamento e le interfacce di comunicazione in un ambiente a circuito chiuso. Gli ingegneri possono verificare il funzionamento del BMS in base a un comportamento reale delle celle, senza dover utilizzare una batteria effettiva per ogni test.

Le configurazioni predefinite e completamente personalizzabili sono destinate a scenari di test che includono i test di rilascio, l’integrazione dei sistemi, la validazione legata alla sicurezza, i test di regressione e architetture di pacchetti complesse. I sistemi preconfigurati possono supportare un maggior numero di canali e classi di tensione, mentre i sistemi personalizzati possono essere adattati alle topologie delle batterie specifiche del cliente, ai concetti di sicurezza, alle interfacce elettriche, ai sistemi di diagnosi e alle esigenze di automazione.

Questo è importante perché la validazione del BMS raramente rimane ferma. Un progetto può iniziare con algoritmi di base, passare all’integrazione hardware, ampliarsi alla gestione degli errori, aggiungere elementi di automazione e infine collegare i risultati delle verifiche nei flussi di lavoro software-in-the-loop (SIL) e hardware-in-the-loop (HIL). Un approccio scalabile permette ai team di riutilizzare modelli, casi di test, risorse per l’automazione e conoscenze ingegneristiche man mano che il progetto matura.

Virtualizzazione del Cell Controller: Test a livello di segnale

La virtualizzazione del Cell Controller (CCV) sposta l’intera funzionalità del cell controller o una parte di essa nella simulazione HIL. Invece di emulare fisicamente ogni input del cell controller in hardware reale, il simulatore fornisce l’interfaccia di comunicazione isolata richiesta dal controller BMS. Questo approccio è utile quando i cell controller non sono disponibili, quando il controller BMS è l’oggetto principale dei test, o quando un’emulazione completa a alta tensione aggiungerebbe complessità non necessaria. Di conseguenza, permette di accelerare i test iniziali del controller BMS riducendo la dipendenza dalla disponibilità dell’hardware.

Il ruolo di ASM Battery e dell’automazione dei test

Il solo hardware non è sufficiente. Un efficace ambiente di test per BMS richiede un modello di batteria in grado di comportarsi in modo credibile in condizioni variabili di stato di carica, temperatura, corrente, bilanciamento e topologia. I modelli di simulazione automobilistica (ASM) per batterie forniscono modelli in tempo reale relativi al comportamento di tensione e termico specifico delle celle, alle strutture di pacco/modulo/stack, nonché a topologie di batteria parametrizzate. Gli algoritmi BMS reagiscono a tendenze, squilibri, tempi di risposta, problemi di comunicazione e guasti – e non soltanto a valori statici. Poiché i modelli sono integrati nell’ambiente di test dSPACE, gli ingegneri possono utilizzare la stessa base di modellazione e validazione in diverse fasi di test e configurazioni del sistema.

Grazie all’automazione dei test, gli ingegneri possono trasformare questi scenari in strumenti di validazione ripetibili. Possono eseguire test di sottovoltaggio e sovratensione, test di bilanciamento, test di precaricamento, controlli di comunicazione, scenari legati alla temperatura e reazioni a guasti in modo coerente. Il vantaggio economico risiede nel poter individuare regressioni, documentare i risultati e ridurre il lavoro manuale in laboratorio, piuttosto che semplicemente trovare un singolo bug.

Una strategia di test scalabile, non un acquisto one-time

Il vantaggio del sistema SCALEXIO Battery HIL – Essential non risiede semplicemente nel suo dimensionamento ridotto. Esso fornisce alle squadre un punto di partenza pratico. Per le nuove applicazioni legate alle batterie, il rischio è spesso quello di creare un ambiente di test troppo limitato per essere utile o troppo grande da giustificare. SCALEXIO Battery HIL – Essential offre una soluzione intermedia: capacità sufficienti per una validazione efficace del BMS, standardizzazione adeguata per ridurre gli ostacoli, e connessioni sufficienti all’ecosistema dSPACE per evitare situazioni senza via d’uscita.

Da lì, le squadre possono passare a sistemi SCALEXIO Battery HIL predefiniti o personalizzati man mano che aumentano la classe di tensione, il numero di celle, i requisiti di sicurezza, il livello di automazione e l’ambito di integrazione. Possono inoltre utilizzare la virtualizzazione dei controller delle celle quando i test a livello di segnale rappresentano l’opzione più appropriata, soprattutto per la validazione iniziale dei controller BMS o in architetture in cui l’integrazione di controller fisici delle celle aggiungerebbe complessità non necessaria.

Questo è il vero significato dei test scalabili per i sistemi di gestione delle batterie. Non si tratta soltanto di aggiungere canali, ma di scegliere il livello di astrazione appropriato, la profondità hardware, la fedeltà della simulazione e la strategia di automazione per ciascuna fase dello sviluppo. SCALEXIO Battery HIL – Essential rappresenta il punto di partenza; i sistemi SCALEXIO Battery HIL predefiniti e personalizzabili offrono la base per l’espansione. Il metodo CCV conferisce flessibilità nella validazione a livello di segnale. Insieme, questi strumenti forniscono ai team ingegneristici un modo pratico per testare i sistemi di gestione delle batterie, dalla prima configurazione di laboratorio compatta fino alla validazione su larga scala.

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