在電動(dòng)汽車開發(fā)過程的驗(yàn)證階段會(huì)用到模擬系統(tǒng)(Hardware in the Loop Simulation，以下簡(jiǎn)稱 HILS)。在沒有電池管理系統(tǒng)(BMS)監(jiān)控電池包單個(gè)電芯的情況下，或是在通過模擬電動(dòng)汽車的駕駛環(huán)境來檢驗(yàn)每個(gè)電芯的充放電控制時(shí)，都會(huì)結(jié)合電池實(shí)體和模擬系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)。這種檢測(cè)要求將每個(gè)電芯的電壓和溫度測(cè)量數(shù)據(jù)高速并實(shí)時(shí)地傳輸至模擬系統(tǒng)。本文以使用數(shù)據(jù)采集儀測(cè)量每個(gè)電芯的電壓和溫度并將獲取的數(shù)據(jù)與 HILS 相結(jié)合為例進(jìn)行介紹。
該檢測(cè)所需的數(shù)據(jù)采集儀性能
為了精確掌握電池電芯充放電過程中電壓變化的微觀細(xì)節(jié)，必須在毫秒(ms)級(jí)別的極短時(shí)間段內(nèi)完成數(shù)據(jù)采集工作。而當(dāng)我們面臨要求極高實(shí)時(shí)性的控制仿真HILS系統(tǒng)時(shí)，則需要在系統(tǒng)中快速采集大量電芯的測(cè)量數(shù)據(jù)。因此，數(shù)據(jù)采集儀必須具備在多通道運(yùn)作環(huán)境下的高精度采樣能力，以及低延遲的高速輸出功能。在測(cè)量高壓電池電芯時(shí)，我們還必須對(duì)電芯實(shí)施絕緣測(cè)試，以確保測(cè)試過程的安全性。
用于這些測(cè)量的數(shù)據(jù)采集儀需要具備以下三項(xiàng)性能要求：
● 能實(shí)時(shí)輸出高速采樣測(cè)量的數(shù)據(jù)
● 具備高絕緣性
● 可支持電池測(cè)量的通道數(shù)量
與 HILS 搭配的理想之選
HIOKI 的數(shù)據(jù)采集儀 LR8102是對(duì)實(shí)體電池進(jìn)行充放電控制模擬的理想之選。它與電壓·溫度模塊 M7100 組合成一個(gè)測(cè)量系統(tǒng), 可以測(cè)量電池每個(gè)電芯的電壓和溫度，并將測(cè)量數(shù)據(jù)高速輸出到實(shí)時(shí)模擬系統(tǒng)。(采樣速度受測(cè)量參數(shù)和所用通道數(shù)量的限制)。
數(shù)據(jù)采集儀 LR8102 和電壓·溫度模塊 M7100 是與 HILS 搭配的理想選擇，原因有以下3個(gè)。
1. 能實(shí)時(shí)輸出高速采樣測(cè)量的數(shù)據(jù)：最高采樣速度 5 ms
對(duì)于數(shù)量龐大的電芯數(shù)據(jù)， LR8102 可以通過 UDP(User Datagram Protocol)實(shí)時(shí)輸出每次采樣。
一般數(shù)據(jù)采集儀的測(cè)量和數(shù)據(jù)輸出時(shí)序
一般而言，數(shù)據(jù)采集儀所獲取的數(shù)據(jù)通過通訊指令上傳至上位系統(tǒng)。每個(gè)數(shù)據(jù)獲取的過程可能需要耗費(fèi)數(shù)十或數(shù)百毫秒(ms)。上位系統(tǒng)接收數(shù)毫秒(ms)級(jí)采樣數(shù)據(jù)的時(shí)間，可能會(huì)與其實(shí)際測(cè)量時(shí)間產(chǎn)生較大偏差。圖1 展示了典型的數(shù)據(jù)采集儀在測(cè)量與數(shù)據(jù)輸出方面的時(shí)序。電壓值在t7前便已超出閾值，然而直到t9之前，卻無法獲取數(shù)據(jù)。為確保上位系統(tǒng)在不損失數(shù)據(jù)的前提下獲取至0.1ms的測(cè)量數(shù)據(jù)，必須在同一時(shí)間內(nèi)獲取多個(gè)數(shù)據(jù)。然而，在實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)、反饋計(jì)算結(jié)果的HILS環(huán)境中，即便同時(shí)獲取多個(gè)數(shù)據(jù)，也只能采用其中最新生成的數(shù)據(jù)。
圖1
使用 HIOKI 的數(shù)據(jù)采集儀 LR8102 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速實(shí)時(shí)輸出
數(shù)據(jù)采集儀 LR8102 可通過 UDP 實(shí)時(shí)輸出每次采樣的測(cè)量數(shù)據(jù)。通過新設(shè)計(jì)的高速差分通訊，每個(gè)模塊測(cè)量的數(shù)據(jù)都會(huì)被收集到所連接的數(shù)據(jù)采集儀主機(jī)中。副儀器與主儀器之間的數(shù)據(jù)傳輸采用高速光纖通信。所有測(cè)量數(shù)據(jù)會(huì)在 5 ms 內(nèi)匯總到主儀器。匯總的數(shù)據(jù)使用Real-time OS系統(tǒng)通過LAN輸出。如此，從測(cè)量源頭至輸出環(huán)節(jié)的硬件配置可以提供充足的帶寬以實(shí)施實(shí)時(shí)處理，進(jìn)而達(dá)到對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)采集時(shí)間的低延遲要求，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)采集時(shí)間的低延遲。數(shù)據(jù)采集儀通過 UDP 向系統(tǒng)輸出高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可將測(cè)量數(shù)據(jù)連接到 HILS 控制路。
圖 2 顯示了對(duì) LR8102 的 UDP 輸出通訊周期的演示測(cè)試結(jié)果：通過 UDP 每 5 ms輸出一次測(cè)量數(shù)據(jù)，并觀察延遲情況。發(fā)現(xiàn)即使經(jīng)過超過 14萬次重復(fù)繪制，在 5 ms ± 600 μs的范圍內(nèi)通訊周期也非常穩(wěn)定。因周期內(nèi)穩(wěn)定性高，即使在數(shù)據(jù)高速輸出到模擬系統(tǒng)的情況下，也能確保穩(wěn)定地獲取測(cè)量數(shù)據(jù)。(圖中顯示的是通過交換 HUB 接收一個(gè)數(shù)據(jù)包的結(jié)果。)
圖2：LR8102 的 UDP 輸出通訊周期
2. 高絕緣性能：DC1500 V CAT II
高絕緣性能對(duì)于安全測(cè)量高壓電池包中的電芯電壓至關(guān)重要。例如，測(cè)量總電壓為 800 V 的電池包的電芯電壓，要求模塊與模塊之間的絕緣性能達(dá)到 800 V，模塊與大地之間的絕緣性能達(dá)到 800 V。根據(jù) EN IEC 61010 安全標(biāo)準(zhǔn)，電壓?溫度模塊 M7100 的絕緣性能達(dá)到 1500 V DC CAT II，可以對(duì)高壓系統(tǒng)進(jìn)行安全測(cè)量。
3. 可支持高壓電池測(cè)量的通道數(shù)：800 ch(5 ms 采樣時(shí))
要測(cè)量高壓電池包中電芯的電壓和溫度，需要進(jìn)行多通道測(cè)量。例如，如果電芯的電壓為 4 V，那么總電壓為 800 V 的電池包就有 200 個(gè)電芯。在電動(dòng)汽車開發(fā)中，目前已在實(shí)驗(yàn)層面上制造出了電壓超過 1000 V 的電池，預(yù)計(jì)未來將需要更多的通道。數(shù)據(jù)采集儀LR8102 的輸入通道數(shù)量可通過將主機(jī)與測(cè)量模塊相結(jié)合的方式進(jìn)行自由擴(kuò)展。如圖 3 所示，10 臺(tái) LR8102 各自與 10 個(gè)M7100 相連可通過光纖連接進(jìn)行采樣同步，從而組成一個(gè)最多可測(cè)量 800 ch、采樣率為 5 ms 的系統(tǒng)， 所有數(shù)據(jù)在 5 ms 內(nèi)匯總到主儀器。匯總數(shù)據(jù)通過主儀器的數(shù)據(jù)輸出專用 LAN2 端口高速實(shí)時(shí)輸出。
注：當(dāng)一個(gè) M7100 使用的通道數(shù)小于等于 8 個(gè)且所有通道的量程均為電壓量程時(shí)，可使用 5 ms 采樣進(jìn)行測(cè)量。
溫度測(cè)量可從 10 ms 采樣開始。
圖3
結(jié)語
數(shù)據(jù)采集儀的采樣和數(shù)據(jù)輸出速度對(duì)于將數(shù)據(jù)采集儀集成到 HILS 等要求實(shí)時(shí)性的控制模擬系統(tǒng)中非常重要。并且，在測(cè)量高壓電池包的情況下，要求儀器具備多通道以及可靠的絕緣性能。
HIOKI 的 LR8102 數(shù)據(jù)采集儀與 M7100 測(cè)量模塊相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)安全、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集，采樣率高達(dá) 5 ms，并可進(jìn)行實(shí)時(shí)高速數(shù)據(jù)輸出。支持與 HILS 的適配集成，有助于電動(dòng)汽車的開發(fā)。
（來源：HIOKI日置）
