Akun hallintajärjestelmän PIL-prototyyppi akkumoduulin fysiikkamallin ohjausta varten

Abstract

Digitalisaatio ajaa akkuteollisuutta kohti muutosta, kun sähköisten voimalinjojen määrä kasvaa sekä matkustusliikenteessä että työkoneissa. Alati kasvava akustojen määrä ja akkujen valmistuksen kustannukset luovat tarpeen paremmin toteutetuille voimalinjojen suunnittelulle. Kun akun käyttöastetta pystytään optimoimaan mm. hyvän akkujärjestelmän ohjaimen avulla, säästyy luonnonvaroja, aikaa ja rahaa.

Akun hallintajärjestelmä voidaan suunnitella monella eri tavalla. Yksinkertainen tapa voisi olla toteuttaa se esimerkiksi kokonaan mikrokontrollerin ohjelmointiympäristössä. Tämänkaltaisen toteuttamisen haittapuolia olisi kehityksenaikaisen toiminnallisuuden testaamisen sekä turvallisuuskriteerien täyttämisen vaikeus. Mallipohjaista kehittämistä ja testaamista tehdään koko ajan aiempaa enemmän. Siinä etuina ovat muun muassa nopea mallien muokkaaminen ja testauksen helpottuminen, joka näkyy lyhentyneenä tuotekehitysaikana.

Tässä työssä toteutettiin valmiin mallipohjaisen koodin integroiminen mikrokontrollerille processor-in-the-loop-testausta varten sekä siihen liittyvien tiedonsiirtoprotokollien valitseminen ja toiminnallisuuden todentaminen. Prototyypillä on tarkoitus osoittaa mallipohjaisen ohjelmakoodin toimivuus sulautetussa järjestelmässä, ja sen tulee kyetä ohjaamaan fysiikkamallia, jotta tämän työn jälkeen pystytään optimoimaan akun käyttöä. Työstä on tarkoitus jatkaa hardware-in-the-loop-testaukseen, jossa akun fysiikkamalli korvataan fyysisellä akulla.

Työ tehtiin EDR & Medeso Oy:lle osana e3Power-hanketta, jonka päämääränä oli vastata kysymykseen, kuinka sähköinen voimalinja tulee määritellä, suunnitella, rakentaa, käyttää, ja valvoa. Lopputuloksena on processor-in-the-loop-prototyyppi, jossa mikrokontrolleri ohjaa SPI-väylän kautta PC-tietokoneella pyörivää akkumoduulin fysiikkamallia sekä kirjoittaa suorituksenaikaisesti CAN-väylään tietoa kennojen tiloista. Osana työtä toteutettiin myös PC-sovellus, jolla pystyy lukemaan mikrokontrollerin lähettämää tietoa.

Today more and more model-based development is taking place, and its advantages include fast model modification and easier testing, which is reflected in the shortened product development time.

In this thesis, the integration of the model-based code for the microcontroller, processor-in-the-loop testing, as well as the selection of the related communication protocols and the verification of their functionality were carried out. The purpose of the prototype is to demonstrate the functionality of model-based program code in the embedded system, and it must be able to control the battery physics model in order to optimize battery usage after this work. The work is intended to continue with Hardware-in-the-loop testing, where the physical model of the battery is replaced by a physical battery.

The work was done for EDR & Medeso Oy, as part of the e3Power project, the aim of which was to answer the question of how an electric power line should be defined, designed, built, operated and monitored. The result is a Processor-in-the-loop prototype which can control physics model of a battery system running on a PC. Part of this work was also creating a PC application that can receive data sent by the microcontroller.