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利用仿真技术改善EV电力电子设计

时间:2021-01-04 作者:Nate Holmes 阅读:
不同的电动汽车都有一个共同点就是采用电力电子设备来控制和转换系统中的电能,而其电力电子测试面临全新的挑战。为实现高速闭环仿真,就需要摒弃传统基于CPU的系统,转向基于FPGA的方法来模拟电力电子设备和电机。
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电动汽车(EV)的动力总成架构多种多样,包括纯电动汽车(BEV)、插电式混合动力电动汽车(PHEV)和各种串联式或并联式混合动力电动汽车(HEV),但这些汽车都有一个共同点:就是采用电力电子设备来控制和转换系统中的电能。

电力电子测试面临全新挑战

高速

EV电力电子设备的开关速度在2kHz到20KHz之间,业界希望使用基于碳化硅和氮化镓的新设计来进一步提高开关频率。要对开关行为进行准确的建模,仿真时间步长对应的频率要远远高于刚才所说的开关频率,而且很多情况下,该频率要数倍高于基于CPU的标准仿真系统。

复杂行为

电机表现出复杂的非线性行为,例如磁饱和与齿槽转矩。此类行为很难建模,而且计算量非常大。线性模型可用于测试基本的嵌入式控制器功能,但是要进行调整和优化,则需要准确地表示更复杂的系统行为。

使用基于CPU的系统进行实时仿真具有诸多局限性,导致模型在环(MIL)和硬件在环(HIL)等基于仿真的方法无法应用于产品开发的早期阶段,也无法避免成本高昂且耗时的电动发电机(电机测试台)物理测试。

应对方法

借助FPGA进行高速仿真

为了达到足够的仿真速度,以对EV电力电子设备进行MIL和HIL测试,就需要以短于1s的周期来执行仿真模型,同时提供足够高的保真度,以准确复现这些复杂系统的行为。而要实现上述高速闭环仿真,就需要摒弃传统基于CPU的系统,转向基于FPGA的方法来模拟电力电子设备和电机。

但是,基于FPGA的仿真也存在诸多挑战。在FPGA上开发复杂的电力电子和电机模型通常需要专业的FPGA编程知识。此外,整个编译过程需要不断重复编程、编译和测试,而且需要等待较长时间才能完成。

EV动力总成设计的重点在于管理动力流并优化动力转换

解决方案

NI实时测试架构 + OPAL-RT电力电子仿真

NI通过PXI和CompactRIO硬件提供了灵活的测试、测量和控制功能。两种系统都将实时CPU与用户可编程的FPGA和模块化I/O结合在一起。它们还通过运行VeriStand软件,将模型与I/O集成在一起,并配置和运行实时测试。

PXI和CompactRIO都提供了实现基于FPGA的仿真方法所需的系统架构。借助这些系统,您能够以亚微秒的循环速率运行复杂的电力电子和电机模型,确保所需的仿真保真度,从而返回准确的测试结果并在设计过程中尽早完成更多测试。

VeriStand

VeriStand是一款实时测试软件,可帮助您进行实时目标主机通信、数据记录、激励生成,以及预警检测和响应。

此外,VeriStand可以从仿真测试快速过渡到HIL测试,而且测试配置文件、预警、步骤和分析程序等测试组件也可以直接复用。模型的参数也会重新匹配到对应的硬件通道和真实I/O。因此,回归测试所需的时间将大幅缩短,而且还可以结合TestStand等测试执行软件来实现测试自动化。

此外,VeriStand还具备开放式的框架,可通过集成插件来为特定应用提供所需的功能。这为测试系统提供了最大的灵活性。

OPAL-RT

用于VeriStand的电力电子插件

NI与合作伙伴OPAL-RT联手,为VeriStand提供基于FPGA的电力电子插件。该插件可直接与VeriStand集成,并且可通过LabVIEW软件开发套件进行扩展,是一款基于FPGA且功能强大的电力电子和电机仿真工具,包括以下组件:

˙OPAL-RT的电子硬件求解器(eHS),这是一个功能强大的浮点求解器,可用于在FPGA上模拟电路,而无需编写数学方程式。来自MathWorks Simscape Electrical专用电源系统库、Plexim PLECS、Powersim PSIM和NI Multisim等各种常见的电路图编辑器的模型可以直接导入到eHS中,以进行电力电子仿真。根据电力电子拓扑的复杂性和大小(系统状态的数量、开关数量以及测量和控制信号的数量),可选择eHSx64或eHSx128。

˙机器模型求解器,包括永磁同步电机和感应电机配置以及位置反馈设备(如分解器和编码器)。

˙多个2D和3D求解器,可以从有限元分析或实验数据中以表格形式导入机器特性。

˙信号生成引擎(例如正弦波、脉冲宽度调制(PWM)和正弦波PWM),直接内置于FPGA设计中,用于生成开环或闭环测试所需的控制信号。

˙能够使用定制的测试场景和参数集在仿真过程中更改参数,可以生成故障并自动执行测试,而无需重新加载或重新编译模型。

结果

借助NI和OPAL-RT解决方案可以在FPGA上实现基于模型的亚微秒电力电子和电机仿真,进行精准的MIL设计研究,并将模型连接到基于FPGA的高性能I/O,从而开发高性能的HIL测试系统。

借助模块化硬件和开放软件,便可针对每个特定的应用量身定制测试系统,同时在各个系统之间保持一致的测试架构,还可在之后升级系统,以便于满足不断变化的测试要求。该解决方案可帮助设计人员在设计过程中尽早转变测试方法,以便更快地发现问题,尽早优化性能,尽可能扩大测试范围,同时缩短测试时间并降低测试总成本。

作者:Nate Holmes,NI动力总成测试主管

责编:Amy Guan

本文为《电子工程专辑》2020年12月 刊杂志文章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订阅  

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