利用仿真技术改善EV电力电子设计

shuszhao · 发表于 2021-1-4 08:53:01

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。