在電動汽車開發(fā)過程的驗證階段會用到模擬系統(tǒng)(Hardware in the Loop Simulation，以下簡稱 HILS)。在沒有電池管理系統(tǒng)(BMS)監(jiān)控電池包單個電芯的情況下，或是在通過模擬電動汽車的駕駛環(huán)境來檢驗每個電芯的充放電控制時，都會結(jié)合電池實體和模擬系統(tǒng)進行檢測。這種檢測要求將每個電芯的電壓和溫度測量數(shù)據(jù)高速并實時地傳輸至模擬系統(tǒng)。本文以使用數(shù)據(jù)采集儀測量每個電芯的電壓和溫度并將獲取的數(shù)據(jù)與 HILS 相結(jié)合為例進行介紹。
該檢測所需的數(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節(jié)，必須在毫秒(ms)級別的極短時間段內(nèi)完成數(shù)據(jù)采集工作。而當我們面臨要求極高實時性的控制仿真HILS系統(tǒng)時，則需要在系統(tǒng)中快速采集大量電芯的測量數(shù)據(jù)。因此，數(shù)據(jù)采集儀必須具備在多通道運作環(huán)境下的高精度采樣能力，以及低延遲的高速輸出功能。在測量高壓電池電芯時，我們還必須對電芯實施絕緣測試，以確保測試過程的安全性。
用于這些測量的數(shù)據(jù)采集儀需要具備以下三項性能要求：
● 能實時輸出高速采樣測量的數(shù)據(jù)
● 具備高絕緣性
● 可支持電池測量的通道數(shù)量
與 HILS 搭配的理想之選
HIOKI 的數(shù)據(jù)采集儀 LR8102是對實體電池進行充放電控制模擬的理想之選。它與電壓·溫度模塊 M7100 組合成一個測量系統(tǒng), 可以測量電池每個電芯的電壓和溫度，并將測量數(shù)據(jù)高速輸出到實時模擬系統(tǒng)。(采樣速度受測量參數(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。
1. 能實時輸出高速采樣測量的數(shù)據(jù)：最高采樣速度 5 ms
對于數(shù)量龐大的電芯數(shù)據(jù)， LR8102 可以通過 UDP(User Datagram Protocol)實時輸出每次采樣。
一般數(shù)據(jù)采集儀的測量和數(shù)據(jù)輸出時序
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)。每個數(shù)據(jù)獲取的過程可能需要耗費數(shù)十或數(shù)百毫秒(ms)。上位系統(tǒng)接收數(shù)毫秒(ms)級采樣數(shù)據(jù)的時間，可能會與其實際測量時間產(chǎn)生較大偏差。圖1 展示了典型的數(shù)據(jù)采集儀在測量與數(shù)據(jù)輸出方面的時序。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的測量數(shù)據(jù)，必須在同一時間內(nèi)獲取多個數(shù)據(jù)。然而，在實時獲取數(shù)據(jù)、反饋計算結(jié)果的HILS環(huán)境中，即便同時獲取多個數(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 實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速實時輸出
數(shù)據(jù)采集儀 LR8102 可通過 UDP 實時輸出每次采樣的測量數(shù)據(jù)。通過新設(shè)計的高速差分通訊，每個模塊測量的數(shù)據(jù)都會被收集到所連接的數(shù)據(jù)采集儀主機中。副儀器與主儀器之間的數(shù)據(jù)傳輸采用高速光纖通信。所有測量數(shù)據(jù)會在 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施實時處理，進而達到對測量數(shù)據(jù)采集時間的低延遲要求，從而實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)采集時間的低延遲。數(shù)據(jù)采集儀通過 UDP 向系統(tǒng)輸出高速實時數(shù)據(jù)，可將測量數(shù)據(jù)連接到 HILS 控制路。
圖 2 顯示了對 LR8102 的 UDP 輸出通訊周期的演示測試結(jié)果：通過 UDP 每 5 ms輸出一次測量數(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)定地獲取測量數(shù)據(jù)。(圖中顯示的是通過交換 HUB 接收一個數(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
高絕緣性能對于安全測量高壓電池包中的電芯電壓至關(guān)重要。例如，測量總電壓為 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到 800 V，模塊與大地之間的絕緣性能達到 800 V。根據(jù) EN IEC 61010 安全標準，電壓?溫度模塊 M7100 的絕緣性能達到 1500 V DC CAT II，可以對高壓系統(tǒng)進行安全測量。
3. 可支持高壓電池測量的通道數(shù)：800 ch(5 ms 采樣時)
要測量高壓電池包中電芯的電壓和溫度，需要進行多通道測量。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 個電芯。在電動汽車開發(fā)中，目前已在實驗層面上制造出了電壓超過 1000 V 的電池，預(yù)計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)量可通過將主機與測量模塊相結(jié)合的方式進行自由擴展。如圖 3 所示，10 臺 LR8102 各自與 10 個M7100 相連可通過光纖連接進行采樣同步，從而組成一個最多可測量 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 端口高速實時輸出。
注：當一個 M7100 使用的通道數(shù)小于等于 8 個且所有通道的量程均為電壓量程時，可使用 5 ms 采樣進行測量。
溫度測量可從 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)輸出速度對于將數(shù)據(jù)采集儀集成到 HILS 等要求實時性的控制模擬系統(tǒng)中非常重要。并且，在測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 測量模塊相結(jié)合，可實現(xiàn)安全、準確的數(shù)據(jù)采集，采樣率高達 5 ms，并可進行實時高速數(shù)據(jù)輸出。支持與 HILS 的適配集成，有助于電動汽車的開發(fā)。
（來源：HIOKI日置）
