Akkumulátoros energiatároló FPGA alapú valós idejű Hardware-In-the-Loop szimulátorának tervezése

OData támogatás
Konzulens:
Debreceni Tibor
Automatizálási és Alkalmazott Informatikai Tanszék

Az elektromos hajtások egyre nagyobb teret hódítanak mind a szárazföldi, légi és vízi

közlekedésben. Ezeknek az elektromos hajtásoknak a biztonságos és hatékony tápellátásához korszerű akkumulátoros rendszerek fejlesztése elengedhetetlen. Ilyen akkumulátoros rendszerek mind újabb topológiákkal, technológiákkal nagyobb teljesítmény szinteket érnek el.

Ilyen kilo- és megawattos teljesítmények esetén szükség van komplex szabályzási feladatokat megvalósító szabályzó és felügyeleti rendszerekre. Mivel több kilowattos rendszerekről beszélünk, ezek nem megfelelő töltése vagy túlterhelése komoly károkhoz vezethet. A felügyeleti rendszerek hibáiból akár az akkumulátoros egység felrobbanása is következhet, ami esetenként hatalmas anyagi károkkal és személyi sérülésekkel is járhat. A korszerű akkumulátoros egységekben használt Li-ion akkumulátorok túlmelegedése nagy volumenű gázképződéssel jár, mely robbanásszerű hatása komoly károkat okozhat.

Ezeknek a megelőzésére fontos a vezérlő és akkumulátor felügyeleti rendszerek (Battery-Management-System, BMS) korai tesztelése, még az akkumulátorok nélkül. Azért, hogy biztonságosan tesztelhessék a vezérlőegységeket, a teljesítményelektronikában elterjedten használnak szimulációs eljárásokat, leginkább Hardware-In-the-Loop (HIL) szimulátorokat, ahol a teljesítmény átalakítók viselkedését szimulálják a megvalósított vezérlővel, így annak tesztelése biztonságosan elvégezhető. Hasonló szimulációs eljárás használható BMS rendszerek tesztelése esetén is csak ebben az esetben az átalakító helyett maga az akkumulátor pakk illetve a hozzá tartozó főköri fokozat kerül szimulációra, melyhez csatlakoztathatjuk a BMS rendszert.

A HIL szimulátor segítségével az akkumulátor szimulációja kis lépésközzel, 10-100 nsec felbontással valós időben modellezi a valóságos rendszert. Lehetőségünk van a szimulátor használatával a BMS szabályzóit valós időben állítani, az akkumulátor pakk illetve a főkör jeleit szintén valós időben monitorozni. További nagy előnye a HIL szimulátoroknak a hibainjektálás, vagyis szándékos hibaállapotok generálásának lehetősége. Ezzel létre tudunk hozni rövidzárlatokat, szakadásokat, alul- és túlfeszültségéket az akkumulátor pakkon belül, így biztonságosan felkészíthetjük a BMS-t váratlan hibaállapotok lekezelésére, amit a valódi akkumulátoros rendszeren történő tesztelés esetében nem tudnánk megtenni.

Szakdolgozatom során akkumulátoros rendszerek felügyeletére szolgáló BMS tesztelésére használható FPGA alapú HIL szimulátor megtervezése volt a feladatom. Ebben a szimulátorban került megvalósításra egy általános akkumulátor pakk topológia és egy hozzá tartozó aktív töltéskiegyenlítő rendszer modellje. A szimulátor megvalósításakor a cél a 100 nsec-os lépésköz elérése volt. A használt FPGA fejlesztőkártya egy Xilinx Artix-7 FPGA-t tartalmazó Nexys 4 volt, melyre a verilog kódokat MATLAB HDL coder segítségével készítettem Simulink modellek alapján.

A szimulátor elkészítéséhez szükség volt egy, az FPGA fejlesztőkártya és a BMS közötti kapcsolatot megvalósító illesztőkártya tervezése. Ennek a kártyának a feladata a szimulátor analóg jeleinek előállítása, illetve a kiegyenlítő fokozat számára a digitális vezérlőjelek fogadása. A Siemens Zrt. munkatárásával megtörténtek a hardver specifikációk, a dolgozatom alatt elkészültek azok blokkvázlatai, amelyek megvalósításra fognak kerülni.

Letölthető fájlok

A témához tartozó fájlokat csak bejelentkezett felhasználók tölthetik le.