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

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

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LabVIEW、TestStand、VeriStand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-ion) 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、Li-ion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社) は、24個の個別バッテリセル、CAN通信、リレー入力、温度センサを含むすべてのバッテリ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できる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、過熱温度、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、新しいバッテリと駆動系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、一元化された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シャーシおよび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すべて提供します。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、すべての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さまざま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、業界標準の駆動サイクルとカスタムの駆動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-グランド間の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ユニットを多数デプロイし、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 (ECU) 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-ion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駆動サイクルを評価し、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、多様なxEVプログラムを対象とした、さまざまな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すべての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すべて、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。

まとめ

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、一元化された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、試験装置をすばやく変更し、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、および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社の性能と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.社の登録商標です。

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