O caminho para testes escaláveis de BMS

Patrocinado pela dSPACE.

Os sistemas de gerenciamento de baterias (BMS) estão se expandindo para além dos veículos elétricos em grande escala. Eles agora alimentam veículos elétricos leves, veículos guiados automaticamente, robôs móveis, empilhadeiras, drones, ferramentas elétricas, sistemas de armazenamento estacionários e outras aplicações. O desafio comum é que até mesmo um conjunto de baterias menor ainda precisa de um sistema de gerenciamento confiável, e esse BMS deve ser testado em condições realistas, repetíveis e seguras antes de poder ser confiado em campo.

Neste mercado diversificado de BMS, as equipes trabalham agora com sistemas de baixa e média tensão, pacotes menores, prazos mais apertados e menos engenheiros especializados em testes. Elas nem sempre precisam, desde o início, de um sistema BMS Hardware-In-the-Loop (HIL) totalmente personalizado e em grande escala. O que elas precisam é de um ponto de partida confiável, compacto, econômico, rápido de implementar e que ainda permita escalonamento.

A dSPACE oferece soluções de simulação e validação para o desenvolvimento de sistemas conectados, autônomos e movidos a eletricidade. No campo das baterias, isso inclui simulação em tempo real, emulação da tensão das células, simulação de sensores de temperatura, interfaces de comunicação, automação de testes e modelos de baterias em ambientes HIL escaláveis. O objetivo é testar o BMS em um ambiente de bateria realista, sem depender de um pacote de baterias físico em cada etapa de validação.

Por que os programas de BMS menores ainda precisam de testes rigorosos

Um BMS menor não é automaticamente um BMS simples. Ele ainda monitora as tensões e temperaturas das células, estima o estado de carga e o estado de saúde, controla o balanceamento, gerencia contatos ou relés, supervisiona as condições de corrente e isolamento e reage a falhas. A falta de validação pode causar problemas de disponibilidade, envelhecimento prematuro ou operação insegura.

Os testes tradicionais em bancada de baterias abrangem apenas partes do problema, mas apresentam dificuldades com repetibilidade, inserção de falhas, testes de regressão e comportamento dinâmico das baterias. As baterias reais são lentas, caras, têm cenários de falha limitados e representam risco para testes em casos extremos. Os testes HIL substituem o sistema físico de bateria por uma simulação em tempo real controlável, mantendo o controlador do BMS real sob teste.

Para programas menores, a questão prática não é se os testes HIL são úteis. A verdadeira pergunta é como começar a utilizar os testes HIL sem introduzir complexidade. É exatamente aqui que o dSPACE SCALEXIO Battery HIL – Essential se encaixa.

SCALEXIO Battery HIL – Essential: Um ponto de entrada prático

O SCALEXIO Battery HIL – Essential foi desenvolvido como configuração inicial para aplicações BMS menores. Ele é voltado para sistemas da faixa de aproximadamente 200 V, incluindo veículos elétricos leves, ferramentas elétricas, robôs móveis, empilhadeiras, sistemas de transporte industrial, bicicletas elétricas, drones e plataformas semelhantes. O conceito se baseia em um design compacto, configuração padronizada, ciclo rápido de orçamentação, prazos de entrega mais curtos e uma arquitetura econômica em comparação com sistemas HIL totalmente personalizados.

O principal valor do SCALEXIO Battery HIL – Essential é que ele elimina as barreiras de entrada. Equipes menores costumam precisar validar primeiro o comportamento básico do BMS: medição da tensão das células, entradas de temperatura, estimativa de estado, balanceamento, lógica de relé, comunicação, diagnóstico e reações a falhas selecionadas. Elas podem não precisar de centenas de canais de célula, múltiplos fontes de alta tensão ou um rack altamente personalizado desde o início.

SCALEXIO Battery HIL – Essential oferece uma maneira estruturada para começar. A configuração suporta até 64 canais de tensão de célula, tensão de sistema de até 200 V, canais de sensor de temperatura configuráveis e operação com um processador em tempo real da dSPACE. Ele também pode ser combinado com os modelos de bateria ASM do conjunto dSPACE Automotive Simulation Models (ASM), permitindo um comportamento da bateria realista e repetível desde o início do processo de validação.

Do ponto de partida aos sistemas Battery HIL pré-definidos e personalizados

Conforme os sistemas de bateria se tornam maiores, os sistemas de teste também o fazem. Programas BMS mais complexos geralmente exigem tensões de sistema mais altas, mais canais de célula, maior simulação de temperatura, interfaces adicionais de corrente e isolamento, fontes de alta tensão, inserção de falhas, infraestrutura de segurança e múltiplas redes de comunicação. É aí que os sistemas SCALEXIO Battery HIL pré-definidos e personalizados da dSPACE se tornam relevantes.

Os sistemas SCALEXIO Battery HIL da dSPACE combinam modelos de bateria ASM com emulação de células de bateria de alta precisão. O simulador consegue representar tensões das células, sensores de temperatura, tensão do conjunto de células, comportamento dos sensores de corrente, controle de relés, sinais relacionados ao isolamento e interfaces de comunicação em um ambiente de loop fechado. Os engenheiros podem validar o BMS com base no comportamento realista das células, sem precisar de um conjunto de baterias físico para cada teste.

Configurações predefinidas e totalmente personalizadas são destinadas a cenários de teste, incluindo testes de lançamento, integração de sistemas, validação relacionada à segurança, testes de regressão e arquiteturas de pacotes complexas. Sistemas pré-configurados podem suportar um maior número de canais e classes de tensão, enquanto sistemas personalizados podem ser adaptados às topologias de bateria específicas do cliente, conceitos de segurança, interfaces elétricas, recursos de diagnóstico e requisitos de automação.

Isto é importante porque a validação do BMS raramente fica parada. Um projeto pode começar com algoritmos básicos, avançar para integração de hardware, expandir-se para tratamento de falhas, adicionar automação e, em seguida, conectar os artefatos de validação entre fluxos de trabalho de software-in-the-loop (SIL) e hardware-in-the-loop (HIL). Uma abordagem escalável permite que as equipes reutilizem modelos, casos de teste, recursos de automação e conhecimentos técnicos à medida que o projeto amadurece.

Virtualização do Controlador de Célula: Testes no Nível de Sinal

A virtualização do controlador de célula (CCV) transfere toda ou parte da funcionalidade do controlador de célula para a simulação HIL. Em vez de emular fisicamente todas as entradas da célula no hardware real do controlador, o simulador fornece a interface de comunicação isolada esperada pelo controlador do BMS. Isso é útil quando os controladores de célula não estão disponíveis, quando o foco principal dos testes é o controlador do BMS, ou quando a emulação completa das células de alta tensão adicionaria complexidade desnecessária. Como resultado, isso ajuda a acelerar os testes iniciais do controlador do BMS, reduzindo a dependência da disponibilidade de hardware.

O Papel da Automação de Baterias e Testes ASM

O hardware por si só não é suficiente. Um ambiente de teste robusto para BMS requer um modelo de bateria que se comporte de maneira confiável sob condições variáveis de estado de carga, temperatura, corrente, balanceamento e topologia. Os Modelos de Simulação Automotiva (ASM) para baterias fornecem modelos em tempo real para o comportamento de tensão e térmico específico de cada célula, estruturas de pacote/módulo/empilhamento e topologias de bateria parametrizadas. Os algoritmos do BMS reagem a tendências, desequilíbrios, questões de temporização, comunicação e falhas – e não apenas a valores estáticos. Como os modelos estão integrados ao ambiente de teste da dSPACE, os engenheiros podem utilizar a mesma base de modelagem e validação em diferentes fases de teste e configurações de sistema.

Com a automação de testes, os engenheiros podem transformar esses cenários em recursos de validação repetíveis. Eles podem executar testes de subtensão e sobretensão, testes de balanceamento, testes de pré-carga, verificações de comunicação, cenários de temperatura e reações a falhas de maneira consistente. O benefício comercial é maior do que encontrar um único erro em laboratório; trata-se de detectar regressões, documentar resultados e reduzir o trabalho manual em bancos de teste.

Uma estratégia de testes escalável, não uma compra única

O argumento a favor do sistema SCALEXIO Battery HIL – Essential não se resume simplesmente ao fato de ser menor. Ele oferece às equipes um ponto de partida prático. Para aplicações de baterias em desenvolvimento, o risco costuma ser criar um ambiente de teste que seja ou muito limitado para ser útil, ou muito grande para ser justificado. O SCALEXIO Battery HIL – Essential busca um equilíbrio: capacidade suficiente para uma validação significativa do BMS, padronização adequada para reduzir obstáculos e conexões suficientes com o ecossistema dSPACE para evitar impasses.

A partir daí, as equipes podem escalar para sistemas HIL de bateria SCALEXIO predefinidos ou personalizados, à medida que aumentam a classe de tensão, o número de células, os requisitos de segurança, o nível de automação e o escopo de integração. Elas também podem utilizar a virtualização do controlador de célula quando os testes em nível de sinal são a opção mais adequada, especialmente para a validação inicial do controlador BMS ou em arquiteturas nas quais a integração física de um controlador de célula adicionaria complexidade desnecessária.

Esse é o verdadeiro significado dos testes escaláveis de BMS. Não se trata apenas de adicionar canais, mas também de escolher o nível adequado de abstração, a profundidade do hardware, a fidelidade da simulação e a estratégia de automação para cada fase do desenvolvimento. O SCALEXIO Battery HIL – Essential é o ponto de partida. Os sistemas SCALEXIO Battery HIL pré-definidos e personalizados oferecem o caminho para a expansão. O CCV proporciona flexibilidade para a validação em nível de sinal. Juntos, eles fornecem às equipes de engenharia uma maneira prática de testar sistemas de gerenciamento de baterias, desde a primeira configuração compacta em laboratório até a validação em escala real.

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