BMS 로직 개발 및 시험을 위한 HIL 시뮬레이터 개발
저자: 이강윤 연구소장
소속: (주)컨트롤웍스/자동차전자기술연구소
제공: 한국내쇼날인스트루먼트
어플리케이션 요약
HILS(Hardware-in-the-loop simulation)는 복잡한 실시간 시스템의 시험에 사용된다. 특히, 이 기술은 동적 모델의 적용이 필요한 시험대상의 제어상태를 확인하는 것에 효과적인 플랫폼을 제공한다. BMS (Battery Management System) HILS는 전기자동차 및 하이브리드 자동차에서 이용되는 고전압 배터리를 모사하여 BMS의 제어로직 및 고장 진단 기능을 평가하는 데 활용될 수 있는 시스템이다. 컨트롤웍스에서는 MathWorks의 Simulink를 이용하여 Battery Model을 구현하였고, NI의 SIT(Simulation Interface Toolkit)을 이용하여 Simulink로 구현된 Battery 모델을 NI 개발 플랫폼 상에 적용 가능하도록 하였다. 또한 BMS HILS 시스템의 신뢰성 있는 동작 및 높은 성능을 구현하기 위해 NI PXI 시스템을 적용했다.
BMS HILS 시스템은 BMS의 다양하고 많은 Case의 성능 평가를 위해 발생할 수 있는 Test Case들을 도출하였다. 또한 Test Automation 시나리오를 작성하여 배터리 시스템에서 발생할 수 있는 가능한 모든 경우를 재현하였으며, 이러한 시나리오들을 NI TestStand를 이용하여 깔끔하게 정리하여 구현할 수 있었다.
NI 솔루션이 채택된 이유
1. 시스템 개발 시간 단축
2. 시스템 신뢰성 확보
3. MathWorks의 Simulink와의 호환성
4. Test Automation 시나리오 구현이 간결함
5. 유지 및 보수가 편리함
NI 제품명
LabVIEW8.5, LabVIEW FPGA 8.5, LabVIEW Real-Time 8.5, Simulation Interface Toolkit, TestStand 4.1, ECU Measurement & Calibration Toolkit, NI PXI-1044, NI PXI-8106, NI PXI-7813, NI PXI-7830, NI PXI-8461/2
해결 과제
BMS ECU의 성능 평가를 위한 HIL 시뮬레이션 환경 구축
·고전압 배터리를 모사한 Cell Voltage 생성 (누적된 개별 Cell Voltage 모사, Passive Cell-Balancing 지원)
·고전압 배터리에 부착된 전류센서 및 온도센서를 모사
·고전압 배터리에서 발생 가능한 오류 상황 모사
·Test 자동화를 위한 Test Automation Case 도출 및 시나리오 구현
솔루션 
NI LabVIEW는 구현이 편리하고, 다양한 함수들을 지원하기 때문에 빠르게 시스템을 구축할 수 있는 장점이 있다. 또한 MathWorks의 Simulink를 이용하여 구현된 Battery Model을 SIT(Simulation Interface Toolkit)를 이용하여 LabVIEW 사용자 인터페이스와 모델간 링크를 통해 간단하게 연동이 가능하였다. 컨트롤웍스는 LabVIEW의 이런 장점들을 활용하여 시스템을 빠르게 구축할 수 있었으며, 신뢰성 있고 빠른 신호생성 및 수집이 가능한 NI PXI를 이용하여 BMS에 Battery Cell Voltage의 변화 및 전류, 온도의 변화를 빠르고 정확하게 모사할 수 있었다.
또한 BMS 성능 평가를 위한 Test Case들을 TestStand를 이용하여 간결하게 Test Automation 시나리오를 구현할 수 있었다.
본문
1. 시스템 목적
BMS HILS의 목적은 BMS의 성능 평가를 위한 고전압 배터리의 모사와 시험환경 제공 및 BMS Test의 자동화를 목적으로 한다.
2. 하드웨어 시스템 구성
BMS HILS 시스템의 구성은 전체 시스템을 LabVIEW로 제어하기 위한 제어컴퓨터, 실시간으로 신호를 수집하고 출력할 수 있는 Real-Time Simulator(PXI), Battery Cell을 모사할 수 있는 Cell Voltage Generator(CVG), 신호를 Conditioning 해주는 Signal Conditioning Unit(SCU), Error를 모사하여 각종 Test Case를 적용할 수 있게 해주는 Error Simulation Unit(ESU), BMS ECU에 전원을 공급하는 Power Supply와 HILS와 외부 장치(ECU)를 연결할 수 있는 Break-Out Box(BOB)로 구성되어 있다.
3. 소프트웨어 시스템 구성
BMS HILS 시스템의 소프트웨어는 크게 수동적으로 오류 상황을 발생시키고 각종 환경들을 설정하여 ECU의 성능을 확인할 수 있는 사용자 인터페이스와 TestStand를 이용하여 여러 오류 상황들을 미리 설정하여 자동으로 ECU의 성능을 점검할 수 있는 자동화 시스템으로 나눌 수 있다.
Host 컴퓨터에서 사용자 조작을 통해 제어 명령이 요청되면 Real-Time Simulator에서 실시간으로 신호를 수집하거나 출력해야 할 역할들을 분배한다. 분배된 역할들은 FPGA를 통해 각자의 역할을 실시간으로 수행하게 된다.
Battery Model을 통해 도출된 Stack Voltage, 배터리 온도 및 충방전 셀 전류는 FPGA를 통해 모사 된다. FPGA는 고속의 성능을 지원하기 때문에, 각 Battery Cell에서 발생되는 전압의 응답 속도를 높일 수 있었다.
4. 테스트 시나리오 구현
배터리 시스템에서 발생할 수 있는 다양한 오류 상황들과 환경설정들은 TestStand를 이용하여 그림 7과 같이 순차적으로 시나리오를 구성함으로써 가독성 있고 간결한 Test Automation 시나리오 구성이 가능하였다.
결론 및 솔루션 개발 후 얻게 된 이점
컨트롤웍스의 BMS HILS 개발은 전기자동차 및 하이브리드 자동차에 있어 실제 배터리로 시험해야 하는 비용과 위험을 줄일 수 있으며, 스택 전압, 전류, 온도와 같이 구성하기가 쉽지 않은 시험 환경들을 제공할 수 있다. 또한 NI 제품을 이용하기 때문에 하드웨어의 신뢰성을 높이고, 개발 시간을 단축시켰다. 사용자 인터페이스 구성은 LabVIEW를 이용함으로써 빠르게 구현할 수 있었고, SIT를 이용해 MathWorks의 Simulink로 구현된 Battery Model을 LabVIEW 기반에서 쉽게 적용할 수 있었다. 마지막으로 BMS의 성능평가를 위해 도출된 많은 Test Case들은 TestStand를 이용하여 가독성 있고 간결한 Test Automation 시나리오의 구성이 가능했다.