利用仿真技術改善EV電力電子設計

2021-01-08 電子工程專輯

電動汽車(EV)的動力總成架構多種多樣，包括純電動汽車(BEV)、插電式混合動力電動汽車(PHEV)和各種串聯式或並聯式混合動力電動汽車(HEV)，但這些汽車都有一個共同點：就是採用電力電子設備來控制和轉換系統中的電能。

電力電子測試面臨全新挑戰

高速

EV電力電子設備的開關速度在2kHz到20KHz之間，業界希望使用基於碳化矽和氮化鎵的新設計來進一步提高開關頻率。要對開關行為進行準確的建模，仿真時間步長對應的頻率要遠遠高於剛才所說的開關頻率，而且很多情況下，該頻率要數倍高於基於CPU的標準仿真系統。

複雜行為

電機表現出複雜的非線性行為，例如磁飽和與齒槽轉矩。此類行為很難建模，而且計算量非常大。線性模型可用於測試基本的嵌入式控制器功能，但是要進行調整和優化，則需要準確地表示更複雜的系統行為。

使用基於CPU的系統進行實時仿真具有諸多局限性，導致模型在環(MIL)和硬體在環(HIL)等基於仿真的方法無法應用於產品開發的早期階段，也無法避免成本高昂且耗時的電動發電機(電機測試臺)物理測試。

應對方法

藉助FPGA進行高速仿真

為了達到足夠的仿真速度，以對EV電力電子設備進行MIL和HIL測試，就需要以短於1s的周期來執行仿真模型，同時提供足夠高的保真度，以準確復現這些複雜系統的行為。而要實現上述高速閉環仿真，就需要摒棄傳統基於CPU的系統，轉向基於FPGA的方法來模擬電力電子設備和電機。

但是，基於FPGA的仿真也存在諸多挑戰。在FPGA上開發複雜的電力電子和電機模型通常需要專業的FPGA編程知識。此外，整個編譯過程需要不斷重複編程、編譯和測試，而且需要等待較長時間才能完成。

EV動力總成設計的重點在於管理動力流並優化動力轉換

解決方案

NI實時測試架構 + OPAL-RT電力電子仿真

NI通過PXI和CompactRIO硬體提供了靈活的測試、測量和控制功能。兩種系統都將實時CPU與用戶可編程的FPGA和模塊化I/O結合在一起。它們還通過運行VeriStand軟體，將模型與I/O集成在一起，並配置和運行實時測試。

PXI和CompactRIO都提供了實現基於FPGA的仿真方法所需的系統架構。藉助這些系統，您能夠以亞微秒的循環速率運行複雜的電力電子和電機模型，確保所需的仿真保真度，從而返回準確的測試結果並在設計過程中儘早完成更多測試。

VeriStand

VeriStand是一款實時測試軟體，可幫助您進行實時目標主機通信、數據記錄、激勵生成，以及預警檢測和響應。

此外，VeriStand可以從仿真測試快速過渡到HIL測試，而且測試配置文件、預警、步驟和分析程序等測試組件也可以直接復用。模型的參數也會重新匹配到對應的硬體通道和真實I/O。因此，回歸測試所需的時間將大幅縮短，而且還可以結合TestStand等測試執行軟體來實現測試自動化。

此外，VeriStand還具備開放式的框架，可通過集成插件來為特定應用提供所需的功能。這為測試系統提供了最大的靈活性。

OPAL-RT

用於VeriStand的電力電子插件

NI與合作夥伴OPAL-RT聯手，為VeriStand提供基於FPGA的電力電子插件。該插件可直接與VeriStand集成，並且可通過LabVIEW軟體開發套件進行擴展，是一款基於FPGA且功能強大的電力電子和電機仿真工具，包括以下組件：

˙OPAL-RT的電子硬體求解器(eHS)，這是一個功能強大的浮點求解器，可用於在FPGA上模擬電路，而無需編寫數學方程式。來自MathWorks Simscape Electrical專用電源系統庫、Plexim PLECS、Powersim PSIM和NI Multisim等各種常見的電路圖編輯器的模型可以直接導入到eHS中，以進行電力電子仿真。根據電力電子拓撲的複雜性和大小（系統狀態的數量、開關數量以及測量和控制信號的數量），可選擇eHSx64或eHSx128。

˙機器模型求解器，包括永磁同步電機和感應電機配置以及位置反饋設備(如分解器和編碼器)。

˙多個2D和3D求解器，可以從有限元分析或實驗數據中以表格形式導入機器特性。

˙信號生成引擎(例如正弦波、脈衝寬度調製(PWM)和正弦波PWM)，直接內置於FPGA設計中，用於生成開環或閉環測試所需的控制信號。

˙能夠使用定製的測試場景和參數集在仿真過程中更改參數，可以生成故障並自動執行測試，而無需重新加載或重新編譯模型。

結果

藉助NI和OPAL-RT解決方案可以在FPGA上實現基於模型的亞微秒電力電子和電機仿真，進行精準的MIL設計研究，並將模型連接到基於FPGA的高性能I/O，從而開發高性能的HIL測試系統。

藉助模塊化硬體和開放軟體，便可針對每個特定的應用量身定製測試系統，同時在各個系統之間保持一致的測試架構，還可在之後升級系統，以便於滿足不斷變化的測試要求。該解決方案可幫助設計人員在設計過程中儘早轉變測試方法，以便更快地發現問題，儘早優化性能，儘可能擴大測試範圍，同時縮短測試時間並降低測試總成本。

作者：Nate Holmes，NI動力總成測試主管

責編：Amy Guan

本文為《電子工程專輯》2020年12月 刊雜誌文章，版權所有，禁止轉載。點擊申請免費雜誌訂閱  

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