法国汽车制造商Renault推出首款新一代电动汽车——全新Megane E-TECH Electric。该车设计紧凑,依托新开发的CMF EV平台,融汇了Renault的所有专业知识,堪称日用经济型电动汽车的先驱。为满足车载充电技术的这些要求,该公司还借助了高效、紧凑的电力电子装置拓扑结构。车载充电器由Vienna整流器和两台DC/DC转换器组成,Renault自主开发。为在早期阶段测试ECU,Renault借助了dSPACE的专业知识。

过去十年在欧洲售出400,000辆电动汽车,这是该公司拥有电气技术专长的最好证明;特别是Zoe,Renault在许多国家/地区都是市场领导者。在WLTP测试循环中最长续航达470公里、市面上最薄的电池,高11.0厘米,配备紧凑车型中最大的信息显示区域,这些只是Megane E-TECH Electric重新界定纯电动汽车界限的几个亮点。该电动汽车有两个输出电平:96 kW/131 hp和160 kW/218 hp。该电池也有两个容量级别:40 kWh和60 kWh。电池可以在不同的输出和电流下充电,包括高达130千瓦的直流快速充电站,具体取决于版本。由于配备绕线转子的新一代油冷同步电机,无需含稀土材料的磁铁。

Renault和dSPACE之间的合作由来已久,可以追溯到21世纪初,当时dSPACE的设备主要用于内燃机、变速箱和车辆动力学控制单元。Renault很自然地依托dSPACE来实现新的车辆概念。

随着电子出行的发展,如今Renault采用了dSPACE的诸多硬件解决方案和建模解决方案,包括逆变器的FPGA建模。除了充电验证外,还值得一提的是,Renault拥有电动列车HIL测试台架,以及专为Renault电池架构量身打造的电池管理系统。

车载充电器的开发

Renault为其充电解决方案架构选择了一个高效的现代化解决方案,一方面为终端客户带来灵活性,另一方面还能遵守现行的国家和国际电网质量法规。为此,该公司还借助新型半导体,通过高达200 kHz的更高开关频率,提高效率,缩小安装空间。

除了用充电站安装的电力电子装置进行直流快速充电外,交流充电则使用车辆上安装的充电器。后者允许用2.3 kW传统单相插座或22 kW墙装线盒给电池充电。

需要将交流电转换成直流电来给电池充电。充电系统的效率在其中起着重要作用,这意味着整流器拓扑结构的选择尤为重要。

为此,Renault选择了充电系统两级设计。Vienna整流器用来进行整流,并确保达到电网运营商的要求。此类整流器是单向三相有源整流器,效率可以达到99%或是更高。与Boost型PWM整流器不同,Vienna拓扑结构有三个层级,这降低了电感要求,开关设备上的电压负载也减半。这转而提高了效率和功率密度。

与传统整流器相比,Vienna整流器具有下列优点:

  • 根据EN 61000-3-2,具有更好的功率因子校正(PFC),电能更优质
  • 谐波电流减少
  • 各相之间电流平衡,电力电子元件上的负载较低

电能质量

在欧洲,EN 61000-3-2要求大型消费品纳入功率因子校正。EN 61000-3-2标准指的是输入电流小于等于16 A的电气和电子设备引起的谐波电流。此外,该设备必须用于与公共低压电网连接。EN 61000-3-2标准对谐波电流有明确的限制。所有符合EN 61000-3-2标准的电气或电子设备都归为A类至D类。

Figure 1: Schematic diagram of the OBC system with input/output filter, Vienna rectifier, and DC/DC converter.

验证过程和HIL仿真

验证过程和HIL仿真

长久以来,Renault一直使用硬件在环(HIL)仿真来验证ECU软件,特别是汽油、柴油、电动和混合动力汽车的动力传动系统领域以及其他ECU。多年来,HIL验证不断拓展,极大地补充了车载测试。仅在动力传动系统领域,目前Renault在罗马尼亚布加勒斯特附近的Titu技术中心就运营着40个HIL测试台架(图2)。Titu技术中心是Renault集团研发中心Renault Technologie Roumanie(RTR)的一部分。

该车载充电系统的硬件和电子控制单元软件全部由Renault开发。验证过程在早期开发阶段就开始了,采用基于模型在环(MIL)和软件在环(SIL)、面向拓扑结构的离线仿真。在实际的电力电子装置问世之前,已经利益HIL测试系统测试了控制板。

图 2:Titu技术中心位于罗马尼亚,于2010年9月15日开放,是Renault集团在全球的第二个测试中心,占地面积约350公顷。Renault集团的车辆和驱动组件在该技术中心进行测试。

在HIL测试台架上进行验证通常具有诸多优点。它比原型车经济实惠,因为HIL测试台架是通用的,可以根据大多数车辆项目进行配置。此外,可以在多个测试台架和人员之间分散验证负载,从而缩短开发时间。HIL测试台架的另一个优点是工作效率更高,因为软件测试甚至可以在真实的组件推出之前进行。与实车相比,除了安全性和灵活性方面,HIL系统在可重现性和自动化测试上也很出众。
此外,电力电子电路信号级HIL仿真的安全性优于原型测试,因为高电压和电流只是仿真变量。这样一来,还可以在不损坏硬件原型的情况下,有针对性地仿真故障案例。

挑战:高动态电力电子装置

挑战:高动态电力电子装置

新型车载充电系统的HIL验证给Renault开发人员带来了独特的挑战,这些挑战与以前的大多数HIL应用挑战明显不同。

特别是Vienna整流器的开关频率为140 kHz,DC/DC转换器的为200 kHz,这对HIL仿真提出了很高的要求,其采样和响应时间必须远远低于1µs。相比之下,内燃机的采样时间通常是1 ms。其挑战就是必须在很短的采样时间内计算非常复杂的电力电子电路的动态行为。

出于这一点,开发人员很快就明白了,由于开关频率较高,无法在基于处理器的现有SCALEXIO HIL测试台架上进行仿真。因此,测试台架配备了dSPACE的现场可编程门阵列(FPGA)板卡,它更适合这种实时应用。

实现高动态验证系统

该HIL环境的架构是模块化的,即将车载充电系统划分为它的功能组。分别为电网、接触器和输入滤波器、Vienna整流器、两台DC/DC转换器和输出滤波器以及电池创建了单独的模型。

对于包括接触器和复杂的滤波器网络在内的电网仿真,采用了dSPACE Electrical Power Systems Simulation Package(EPSS)来实施面向拓扑结构的模型。由于电力电子电路的高开关频率,FPGA实施的速度需要优化。Vienna整流器及配备输出滤波器和电池的DC/DC转换器模型由dSPACE开发和实施。所有模型都能够精确地仿真模块所需的高动态,并为连接子模型准备好接口。

图 3:该HIL环境的架构是模块化的,即将车载充电系统划分为它的功能组。

各个拓扑的模块化结构促成了逐步、系统性地调试。于是,在三个FPGA Base Board上实施了模型。为实现模型间的直流链路电压和电流等信号的低延迟交换,通过快速的FPGA间通信,在HIL仿真器中直接将FPGA板卡互连。转而使用直接连接FPGA Base Board的FPGA多I/O模块,捕捉PWM和控制反馈信号。

所有建模方法都使用状态空间表示法来描述不同的开关状态组合。然而,为尽量平衡仿真精度和FPGA资源消耗,采用了不同类型的开关模型。电阻式开关模型非常理想,可以快速、非常精确地建模的模型,但需要较高内存,资源消耗大[ EPE2021 ]。接触器、输入滤波器和DC/DC转换器的模型采用这些方法。电感/电容式开关模型可以利用很多半导体器件来仿真复杂电路,例如本应用中的Vienna整流器[ PCIM2020 ]。

DS6602 FPGA Base Board配备了Xilinx®的Kintex®UltraScale™系列中目前最大一个的FPGA。附加的板载RAM能够存储庞大的数据集,例如模型参数,这是苛刻的仿真所必需的,特别是在电驱动领域。DS6602有四个千兆位收发器(MGT),可以非常快速地通信。此外,可以通过线缆将多个板卡互连,进行FPGA内部通信,在FPGA堆栈之间交换直接数据。

验证结果

车载充电系统的闭环仿真测量结果如图4所示。t=0.1 s时,充电过程激活,要求电池电流为5 A。在短暂的启动序列中,首先激活DC/DC转换器控制,再激活Vienna整流器控制。在该序列之后,将所要求的电流输入到电池中。DC/DC转换器的控制器确保准确设置所要求的电流。t=0.75 s和t=1.75 s时,充电电流进一步增加,从5 A增加到10 A,再增加到20 A。

在车载充电系统的多FPGA仿真中,充分考虑到了电力电子电路的互连。例如,电池电流增加,充电功率上升,那么不同FPGA上仿真的供电电网电流必须相应地增加。Vienna整流器的控制器调整这些电流,确保它们与电网电压同相。

Figure 4: Measurement results from the closed loop simulation of the onboard charging system.

结论和发现

结论和发现

当Renault决定验证车载充电器的控制单元时,基于信号级的HIL仿真的优点令开发人员折服。由于无需电力电子电路的原型,高充电电流和电压只是仿真变量,可以在整个开发过程的早期阶段进行测试。Renault利用dSPACE的专业知识、综合方法和电力电子装置仿真模型,结合最新的FPGA平台,成功地验证了新开发的车载充电系统,即使在Vienna整流器的高开关频率下,也能稳定而可靠地验证。

Stefan-Valentin Popescu、Adrian Vlad,Renault

《dSPACE杂志》,2022年8月出版

作者简介:

Stefan-Valentin Popescu

Stefan-Valentin Popescu

HIL Referent for Powertrain Software Validation department at Renault Technologie Roumanie in Titu Technical Center.

Adrian Vlad

Adrian Vlad

HIL Pilot for Powertrain Software Validation department at Renault Technologie Roumanie in Titu Technical Center.

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