차량 전기화의 경쟁 환경에서 OEM(Original Equipment Manufacturer)이 타협할 수 없는 한 가지는 하이브리드 및 전기 차량의 안전과 안정성입니다.

차량의 BMS(배터리 관리 시스템)는 다음을 통해 안전과 안정성을 달성하는 데 필수적입니다.

• 셀 고장 방지
• 셀 및 환경 센서 감시를 통해 고장을 빠르게 감지하고 대응
• 차량의 고전압 시스템 내의 절연을 지속적으로 모니터링
• 차량 주행 거리 추정
• 충전 또는 주행 시의 최대 전력 평가
• 배터리 팩 용량에 따른 주행 범위 확장
• 배터리 팩을 교체하거나 재활용해야 하기 전까지 사용 가능한 배터리 사이클 수 증가

더 높은 수준의 BMS 안정성에 대한 요구가 증가함에 따라, 더 빠른 개발 사이클에 대한 필요성도 커졌습니다. 이러한 유형의 시스템이 복잡해짐에 따라 OEM은 개발 간소화를 위해 시스템 개발자, 반도체 회사 및 타사 파트너들과 긴밀한 협력을 모색하고 있습니다. 그림 1에서는 EV(전기 차량) BMS의 예를 보여줍니다.

이러한 협업은 BMS 개발 과정에서 사용되는 소프트웨어 기반 시뮬레이션 기능에서 분명히 드러나며, 이 과정에서 부품과 시스템은 물리적 하드웨어나 값비싼 테스트 공간 없이 개발 사이클 초기에 정상 조건 및 과도한 조건에서 테스트를 거칩니다. 하드웨어 인 더 루프 시뮬레이터와 같은 툴은 배터리 모듈이나 팩을 에뮬레이션하여 개발 가속화, 컴팩트한 테스트 설정, 가상 프로토타입 제작, 자동 테스트를 구현하고 물리적 배터리 팩 없이도 BMS용 소프트웨어를 개발할 수 있는 능력을 제공합니다.

에뮬레이터는 테스트 프로세스를 간소화함으로써 BMS 분야의 혁신을 가속화하는 데 중요한 역할을 할 수 있습니다.

차량용 BMS 개발 시 에뮬레이터 사용의 이점

하드웨어 인 더 루프 솔루션은 배터리 셀, 모듈 또는 팩의 2극 동작을 시뮬레이션할 수 있는 안전한 방법을 제공합니다. 모든 셀에 대한 실제 고정밀 전압의 출력을 전압 레벨 하드웨어 인 더 루프 테스트라고 합니다.

또한 신호 수준에서 BMS 메인 컨트롤러를 테스트하고 배터리 셀 및 CSU(셀 감시 유닛)를 시뮬레이션할 수 있습니다. 이 접근 방식의 초점은 실제 고전압을 사용하지 않고 BMS 컨트롤러의 기능과, 차량 네트워크(또는 다른 환경)와의 상호 작용을 테스트하는 것입니다. 이는 최종 하드웨어에 대한 더욱 심층적인 표현을 제공하며, 이를 에뮬레이터라고 합니다.

전체 배터리 팩(또는 모듈)과 셀 및 팩 모니터 모두를 에뮬레이션하여 심층적이고 반복적인 테스트가 가능합니다. 예를 들어 BQ79616-Q1 배터리 모니터와 같이 시뮬레이션된 통합 회로를 사용하여 극초기 개발 단계에서 테스트할 수 있습니다. 신호 수준에서 BMS 컨트롤러를 테스트하기 위한 또 다른 잠재적 사용 사례는 모터 컨트롤러나 온보드 충전기와 같은 기타 제어 유닛과의 통합 테스트입니다.

BMS 에뮬레이터의 기능

dSPACE CCV(셀 컨트롤러 가상화)는 완전한 하드웨어가 필요 없고 고전압 안전 장비 없이도 셀 컨트롤러 기능에 대한 포괄적인 신호 수준 BMS 테스트를 수행할 수 있습니다(그림 2 참조).

dSPACE CCV와 같은 BMS 테스트 에뮬레이터의 이점 중 하나는 비용이 많이 들고 예약이 어려운 고전압 실험실 환경 외부에서 테스트를 수행할 수 있다는 것입니다. 고전압 BMS 테스트와 비교했을 때, 신호 수준 접근 방식은 가격 효율성과 보다 컴팩트한 테스트 시스템 풋프린트 측면에서 장점을 제공합니다. 신호 수준 테스트에는 실제 셀 전압이 필요하지 않으므로, 테스트 시스템이 덜 복잡하고 안전 설비가 덜 필요합니다.

신호 수준 테스트는 설계 유연성도 제공합니다. 시스템 기능을 초기에 테스트하면 설계자는 실제 배터리 또는 배터리 팩 모니터링 하드웨어(예: CSU)가 출시되기 전에도 최적화에 집중할 수 있습니다. dSPACE 솔루션은 셀 컨트롤러를 시뮬레이션하는 것 외에도 메인 BMS 컨트롤러, 차량 전자 제어 유닛, 실시간 테스트 컴퓨터 또는 차량 하드웨어와의 통신을 에뮬레이션할 수도 있습니다.

dSPACE 셀 컨트롤러 가상화 솔루션의 일반적인 사용 사례로는 메인 BMS 컨트롤러에서 통합 테스트를 실행하여 하이브리드 및 전기 차량의 전기 모터 컨트롤러(인버터) 또는 온보드 충전기와 같은 기타 차량 제어 유닛과의 통신을 검증하는 것이 있습니다. 또한 오류 감지 및 대응을 위해 충전 상태 및 구동 상태 알고리즘을 테스트하고, 시스템이나 전체 차량 하드웨어 인 더 루프 시뮬레이터에서 통합 테스트를 수행할 수도 있습니다.

이러한 에뮬레이터는 강력한 필드 프로그래머블 게이트 어레이(그림 3 참조)를 기반으로 하며 까다로운 타이밍 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 또한 빠르고 안전한 절연 통신을 위해 광범위한 통신 프로토콜을 지원합니다. 이를 통해 하이브리드 에뮬레이션된 하드웨어 환경이나 실제 하드웨어 환경에서 에뮬레이션된 배터리 팩을 배터리 관리 유닛에 연결하는 등의 보다 유연한 테스트 기능을 구현할 수 있습니다.

결론

차량용 BMS 혁신이 20년 이상 이어진 지금, 에뮬레이션 솔루션에서도 그에 상응하는 발전이 이루어지는 모습을 보는 것은 흥미롭습니다. dSPACE 셀 컨트롤러 가상화 솔루션은 TI 배터리 관리 IC를 에뮬레이션함으로써 설계 프로세스 초기에 시스템 개발을 용이하게 해줍니다. 신속한 프로세스를 통해 하드웨어가 출시되기 전에 소프트웨어를 진행할 수 있으며 실제 또는 극한의 조건을 테스트하여 시스템의 안전과 안정성을 향상시킬 수 있습니다.

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