Jaguar Land Rover​社、​BMS HIL​テスト​システム​により​ハイブリッド​車​および​電気​自動車​の​市場​投入​まで​の​時間​を​短縮

Dr. Miguel A. Gama, Jaguar Land Rover

"BMS​ファームウェア​の​メジャー​リリース​は、​現在​では​1​週間​以内​に​高い​信頼​性​を​確保​した​上​で​展開​できる​よう​に​なり​ま​した​が、​過去​の​同様​の​プロジェクト​では​リリース​に​1​か​月​以上​か​かって​おり、​その​信頼​性​は​きわめて​低い​もの​で​した。"

- Dr. Miguel A. Gama, Jaguar Land Rover

課題

試作​ハードウェア​上​で​バッテリ​管理​システム​(BMS)​の​ファームウェア​アルゴリズム​を​す​ば​やく​設計​および​検証​し、​様々​な​化学​電池、​障害​シナリオ、​および​ドライブ​プロファイル​を​使用​し​て​ユニット​を​安全​に​テスト​する​システム​を​開発​する。

ソリューション

NI PXI、​EtherCAT​ハードウェア、​LabVIEW​ソフトウェア、​VeriStand​ソフトウェア、​DIAdem​ソフトウェア、​Bloomy​社​の​Battery Simulator 1200​計測​器​を​ベース​に​した​HIL(Hardware-​in-​the-​Loop)​テスト​プラットフォーム​で、​24​セル​の​ハイブリッド​および​電気​自動車​用​化学​バッテリ​を​シミュレーション​する。​シミュレーション​に​は、​Single-​Board RIO​と​LabVIEW FPGA​モジュール​を​搭載​した​Bloomy​社​の​各​計測​器​を​使用​する。

作成​者:

Dr. Miguel A. Gama - Jaguar Land Rover
​Peter Blume - Bloomy
​Steven Hoenig - Bloomy
​Sue Slater - Jaguar Land Rover
​Duncan Holden - Vayon Energy Storage

 

Bloomy Controls, Inc.​について

Bloomy Controls, Inc.(Bloomy​社)​は、​バッテリ​テスト​および​シミュレーション、​電子​機能​テスト、​ア​ビ​オ​ニ​クス​リアルタイム​テスト​用​の​製品​と​サービス​を​提供​し​てい​ます。​また、​世界​最高​クラスのLabVIEWTestStandVeriStandアプリケーション​を​開発​し​てい​ます。​バッテリ​管理​システム​(BMS)​製品​の​ライフサイクル​における​あらゆる​段階​で​実績​を​あ​げ​て​おり、​ハイブリッド​車​および​電気​自動車​(xEV)、​送電​網​エネルギー​貯蔵​装置、​バッテリ​メーカー​(OEM、​委託​製造業者、​研究者、​実験​室​など​を​含む)​の​ため​の​企業​ソリューション​を​提供​してき​ま​した。​当社​は、​NI​の​プラチナ​ア​ライアン​ス​パートナー​で​あり、​NI​の​組​込​制御​および​電子​設計​を​専門​として​い​ます。

 

正確​かつ​高度​な​BMS​ファームウェア​アルゴリズム

自動車​メーカー​の​競争​により​運輸​業界​に​革命​が​起​こ​り、​ゼ​ロ​エミッション​または​ロー​エミッション​の​高性能​な​ハイブリッド​車​や​電気​自動車​(xEV)​の​未来​が​見え​て​き​ま​した。​それに​伴​い、​電気​の​利用​範囲​の​拡張、​充電​時間​の​最小​化、​バッテリ​寿命​の​最大​化、​リチウム​イオン​(Li​イオン)​電池​の​安全​性​の​保証​を​行う​必要​が​あり、​そのため​の​BMS​ファームウェア​アルゴリズム​が​不可欠​に​な​って​い​ます。​高級​スポーツカー​メーカー​として、​Jaguar Land Rover​社​(JLR​社)​は​利用​範囲​と​効率​を​損なう​こと​なく、​業界​が​JLR​ブランド​に​期待​する​走行​性能​を​維持​し​なく​て​は​なり​せん。​BMS​アルゴリズム​の​開発​は​面倒​な​プロセス​で​あり、​また​開発​者​は​実際​の​運転​条件下​で​BMS​の​動作​を​評価​する​必要​が​あり​ます。​しかし、​リチウム​イオン​電池​は​高価​で、​充​放電​に​時間​と​エネルギー​を​必要​と​し、​時間​の​経過​によって​劣化​する​ので、​製品​開発​中​に​安全​上の​問題​が​起きる​お​それ​が​あり​ます。​BMS​を​テスト​する​際、​過電圧、​過​電流、​過​温度​応答​の​状態​を​繰り返し​ます​が、​実際​の​バッテリ​に対して​これらの​障害​を​強制​し、​安全​インター​ロック​の​テスト​を​実施​する​の​は​危険​です。​対話​式​の​BMS​アルゴリズム​開発​では​むしろ、​安全​で​構成​可能​な、​再現​性​の​高い​BMS​テスト​プラットフォーム​が​要求​さ​れ​ます。

 

JLR​社​と​R&D Vehicle Systems​社​(RDVS)​は、​24​個​の​個別​バッテリ​セル、​CAN​通信、​リレー​入力、​温度​センサ​を​含む​全て​の​バッテリ​I/​O​を、​安全​で​便利​かつ​再​構成​可能​な​方法​で​同時に​シミュレーション​する​こと​が​可能​な​BMS​テスト​プラットフォーム​を​必要​として​いま​した。​そこで​両社​は、​この​よう​な​要件​を​満たす​BMS​テスト​プラットフォーム​の​提供​契約​を​Bloomy​社​と​結び​ま​した。​シミュレーション​する​信号​は、​xEV​に​搭載​さ​れ​て​いる​実際​の​バッテリ​と​BMS​が​接続​し​て​機能​し​て​いるか​の​よう​に​リアル​で​なく​て​は​なり​ま​せん。​システム​は、​リアルタイム​で​シミュレーション​を​確定​的​に​実行​し、​実際​の​セル​の​タイミング​および​応答​を​正確​に​エミュレート​する​必要​が​あり​ます。​また、​過電圧、​不足​電圧、​過​電流、​過​温度、​セル​不均衡​など​の​障害​シナリオ​を​再現​する​こと​が​でき​な​け​れ​ば​なり​ま​せん。​さらに、​テスト​システム​は​変化​する​BMS​要件​に​対応​できる​よう、​新しい​バッテリ​と​ドライブ​トレイン​の​構成​および​モデル​に​合わせ​て​簡単​に​アップデート​できる​必要​が​あり​ます。​BMS​ハードウェア​アーキテクチャ​は、​ハイブリッド​車​から​完全​な​電気​自動車​に​いたる​まで​幅広い​xEV​プログラム​で​使用​さ​れ​て​おり、​それぞれ​大幅​に​異なる​ため、​それぞれに​対応​する​必要​が​あり​ます。​各​アーキテクチャ​では​異なる​高​電圧​バス、​リレー、​電流​センサ、​電圧​モニタ​を​使用​し​て​おり、​集中​型​BMS​トポロジ​および​マスタ/​スレーブ​BMS​トポロジ​の​両方​を​使用​する​か​どうか​の​違い​も​あり​ます。​また、​スレーブ​ボード​数​も​異​なり​ます。

 

 

BMS HIL​テスト​システム

Bloomy​社のBMS HIL​テスト​システムは、​リアルタイム​OS​と​VeriStand​ソフトウェア​を​実行​するPXIシャー​シ​と​コントローラ​で​構成​さ​れ​てい​ます。​PXI​シャー​シ​は、​PXI I/​O​および​バス​通信​モジュール​とともに、​Bloomy​社​の​Battery Simulator 1200​ユニット​2​台​および​EtherCAT​エ​クス​テンション​に​接続​し、​バッテリ​セル、​リレー​入力、​サーミスタ、​バス​通信​など​の​必要​な​シミュレーション​信号​を​全て​提供​し​ます。​VeriStand​は、​Bloomy​社​が​MathWorks​社​の​Simulink®​開発​環境​を​活用​し​て​開発​した、​24​個​の​非同期​セル​モデル​を​実行​し​ます。​高速​CAN​インタフェース​を​使用​し​て​Battery Simulator 1200​ユニット​に​命令​し、​シミュレーション​した​セル​電圧​を​生成​し​ます。​Bloomy​社のBattery Simulator 1200は、​BMS​テスト​を​安全​かつ​効率​的​に​実施​する​ため​の​商用​計測​器​です。​各​ユニット​に​は、​命令​さ​れ​た​セル​電圧​を​生成​する​カスタム​メ​ザ​ニ​ン​ボード​を​備え​た、​Single-​Board RIO​デバイス​が​含​まれ​てい​ます。​Single-​Board RIO FPGA​は、​BMS​に​接続​する​ケーブル​ハーネス​の​終端​で​出力​電圧​レベル​を​迅速​かつ​確定​的​に​制御​し、​非常​に​高い​確度​と​応答​時間​を​維持​し​ます。​専用​の​パワー​エレクトロニクス​を​搭載​した​新しい​設計​により、​Battery Simulator 1200​は​テスト​BMS​の​制御​下​で​電流​を​シンク​および​ソース​でき​ます。​CPC​コネ​クタ​を​介​し​て、​全て​の​BMS HIL​テスト​システム​の​I/​O​に​アクセス​可能​です。​この​標準​的​な​コネ​クタ​インタフェース​によって、​テスト​BMS​の​迅速​な​切り替え​が​容易​に​なり​ます。

 

 

Bloomy​社​は、​NI​製品​を​使用​し​て、​HIL​アプリケーション​にとって​不可欠​で​ある​ハードウェア​と​ソフトウェア​の​緊密​な​統合​を​実現​しま​した。​たとえば、​PXI​シャー​シ​を​VeriStand​と​組み合わせ​て​使用​する​こと​で、​JLR​社​は​Simulink​環境​で​独自​の​モデル​を​簡単​に​デプロイ​し​て​実行​する​こと​が​でき、​必要​に​応​じ​て​それらの​モデル​を​す​ば​やく​アップデート​し​て​様々​な​化学​物質​の​セル​モデル​を​実行​する​こと​が​でき​ます。​また​JLR​社​は、​VeriStand​の​刺激​プロファイル​エディタ​を​使用​し​て​業界​標準​サイクル​と​カスタム​ドライブ​サイクル​の​両方​を​実装​しま​した。​PC、​RT、​および​FPGA​レベル​で​同じ​プログラミング​言語​と​環境​(LabVIEW)​を​使用​できる​こと​で、​開発​および​デバッグ​の​迅速​化​が​実現​しま​した。

 

この​アプリケーション​で​直面​した​最大​の​課題​は、​セル​バランシング​を​実行​する​シンク/​ソース​機能​や、​セル​数​の​拡張​を​可能​に​する​高​電圧​絶縁​を​含む、​24​チャンネル​の​セル​シミュレーション​要件​で​した。​既存の市場はこのニーズを満たしておらず、​唯一、​Bloomy​社のBattery Simulator 1200によって、​この​課題​に​対処​でき​ま​した。​この​製品​に​は、​Single-​Board RIO​組​込​コントローラ​が​含​まれ​てい​ます。​リアルタイム​な​FPGA​回路​の​カスタマイズ​を​行う​必要​が​なく、​非常​に​迅速​な​製品​開発​が​可能​に​なる​という​理由​により、​初期​段階​で​これ​を​選定​しま​した。​この​ユニット​は​セル​電圧​と​平衡​電流​の​シミュレーション​に​加​えて、​セル​間​および​セル-​アース​間​の​1,000 V​絶縁、​電圧​と​電流​の​リード​バック、​計測​器​レベル​の​安全​性​を​提供​し​て​おり、​FCC​および​CE​認定​を​取得​し​てい​ます。​この​執筆​時点​で、​3​大陸​の​エネルギー​貯蔵​を​行う​企業​が​Battery Simulator 1200​ユニット​を​多数​導入​し、​バッテリ、​xEV、​および​送電​網​の​BMS​テスト​アプリケーション​に​使用​し​てい​ます。

 

アプリケーション​の​利点

近年、​HIL​手法​は​自動車​業界​で​実施​さ​れる​電子​制御​ユニット​(EUC)​の​テスト​に​広​く​受け入れ​られる​よう​に​なり​ま​した。​現在、​自動車​メーカー​は​HIL​システム​の​柔軟性、​再現​性、​利便​性​を​生​かし​て、​かつて​ない​ほど​す​ば​やく、​より​経済​的​に​次世代​の​xEV​を​開発​し​てい​ます。​さらに​HIL​システム​は、​取り扱い​が​困難​で​危険​な​Li​イオン​電池​など​の​ハードウェア​を​HIL​シミュレータ​に​置き換える​際​に​特に​便利​です。​前述​した​よう​に、​バッテリ​は​充​放電​に​かなり​の​時間​と​エネルギー​を​必要​と​し、​時間​の​経過​で​劣化​する​ため、​管理​が​不適切​だ​と​危険​な​状態​に​なり​ます。

 

JLR​社​は​Bloomy​社のBMS HIL​テスト​システムを​使用​する​こと​で、​BMS​ファームウェア​の​開発​および​テスト​を​す​ば​やく​実施​し、​より​高性能​な​xEV​を​実現​する​とともに、​市場​投入​まで​の​時間​を​短縮​でき​ます。​JLR​社​は​この​システム​を​使用​する​こと​で、​バッテリ​モデル​および​刺激​プロファイル​を​簡単​に​アップデート​し、​化学​電池、​バッテリ​構成、​ドライブ​プロファイル​など​における​要件​の​変化​に​迅速​に​対応​する​こと​が​可能​に​なり​ます。​実際、​JLR​社​は​早期​に​この​システム​を​採用​し、​化学​電池​の​評価​および​選定​を​行​いま​した。​JLR​社​は​現在、​この​システム​を​使用​し​て​新しい​ドライブ​サイクル​を​評価​し、​実験​環境​で​の​トラッキング​動作​を​再現​し​て、​JLR​社​が​想定​する​運転​状況​下​で​バッテリ​性能​を​認証​し​てい​ます。​認証​では、​業界​標準​に​比べ​て​きわめて​厳格​な​基準​を​採用​し​てい​ます。​また、​JLR​社​は​BMS HIL​テスト​システム​の​モジュール​性​と​標準​コネ​クタ​インタフェース​を​使用​し​て、​あらゆる​xEV​プログラム​を​対象​と​した、​様々​な​BMS​ハードウェア​プラットフォーム​を​テスト​し​てい​ます。​そして​最も​重要​な​の​は、​BMS HIL​テスト​システム​を​使用​する​こと​で、​ファームウェア​に​変更​が​発生​する​たび​に​全て​の​BMS​機能​を​総合​的​に​再​テスト​する、​完全​回帰​テスト​が​容易​に​なる​点​です。​回帰​テスト​では、​BMS​ファームウェア​へ​の​変更​によって​他の​機能​に​意図​しない​影響​が​発生​しない​こと​を​確認​し​ます。​JLR​社​の​ファームウェア​リ​ビジョン​は​全て、​リリース​前​に​BMS HIL​テスト​システム​で​総合​的​に​テスト​さ​れ​ます。​NI​ソフトウェア​と​ハードウェア​の​緊密​な​統合​と​柔軟性​により、​この​高性能​な​環境​設定​が​実現​しま​した。

 

結論

BMS HIL​テスト​システムは、​BMS​の​ファームウェア​テスト​の​設計​と​テスト​を​実現​する、​柔軟​な​テスト​プラットフォーム​を​提供​し​ます。​これ​により、​JLR​社​の​ハイブリッド​車​および​電気​自動車​の​試作​開発​を​加速​化​する​こと​が​でき​ます。​JLR​社​は​この​システム​を​使用​し​て、​集中​型​トポロジ​および​マスタ/​スレーブトポロジ​の​両方​を​含む​4​つ​の​異なる​BMS​ハードウェア​アーキテクチャ​を、​大幅​に​異なる​高​電圧​アーキテクチャ​で​評価​し​てい​ます。​標準​コネ​クタ​インタフェース​を​使用​する​こと​で、​テスト​スタンド​を​す​ば​やく​変更​し、​同日​中​に​別​の​xEV​プログラム​を​テスト​する​こと​が​可能​です。​EtherCAT​エ​クス​テンション​を​接続​した​高性能​な​Real-​Time PXI、​FPGA​の​速度、​LabVIEW​と​VeriStand​の​柔軟性​が​1​つ​の​プラットフォーム​に​統合​さ​れ​た​こと​で、​JLR​社​の​性能​および​構成​機能​の​ニーズ​に​合致​した​プラットフォーム​が​実現​し​ます。​また、Battery Simulator 1200は、​Single-​Board RIO​および​LabVIEW FPGA​モジュール​を​ベース​に​構築​さ​れ​て​おり、​高​電圧​絶縁​で​必要​と​なる​セル​シミュレーション​機能​を​提供​する​とともに、​将来​より​多く​の​セル​数​に​対応​する​ため​の​拡張​性​も​備え​てい​ます。​この​結果、​JLR​社​は、​正確​な​性能​を​より​す​ば​やく​実現​する​こと​が​でき​てい​ます。

 

Bloomy​社​は、​ハードウェア​および​ファームウェア​の​初期​設計​から、​試作、​環境​および​性能​仕様​の​包括​的​な​検証、​製造​テスト​まで、​BMS​開発​の​ライフサイクル​全体​を​カバー​する​BMS​テスト​システム​を​提供​し​ます。

 

Simulink®​は、​The MathWorks, Inc.​の​登録​商標​です。

 

著者​情報

Peter Blume
Bloomy

Dr. Miguel A. Gama
Jaguar Land Rover

Figure 1. ​ ​Jaguar Land Rover Battery Electric Research Vehicle ​
Figure 2. ​ ​BMS HIL Test System System View ​
Figure 3. ​ Two Series-​Connected Battery Simulator 1200 Instruments Provide 24 Cells of Battery Simulation ​
Figure 4. ​ ​BMS HIL Test Stand Software View ​
Figure 5. ​ ​BMS HIL Test Stand Plot View ​