CN204695098U - 一种电动汽车双向充电机控制器实时仿真测试装置 - Google Patents

一种电动汽车双向充电机控制器实时仿真测试装置 Download PDF

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刘旭
刘浩
杜航
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Abstract

本实用新型涉及电动汽车双向充电机控制器实时仿真测试装置，包括：双向充电机控制器；信号调理板；双向充电机实时仿真器，通过信号调理板与双向充电机控制器连接以构成闭环系统；仿真器上位机，与双向充电机实时仿真器连接，双向充电机仿真器配有实时多核处理器，FPGA与IO板卡，多核处理器和FPGA通过高速数据总线连接，FPGA与IO板卡通过信号线连接。与现有技术相比，本实用新型用多核处理器仿真需复杂数学运算的电池组，用FPGA来进行电力电子系统的小步长仿真，可准确模拟双向充电机系统，对充电机控制器的软硬件进行各种工况的全面、自动化的测试与记录，缩短研发周期、提高测试效率，确保双向充电机控制器的质量。

Description

一种电动汽车双向充电机控制器实时仿真测试装置
技术领域
本实用新型涉及电力电子系统控制与仿真技术领域，尤其是涉及一种电动汽车双向充电机控制器实时仿真测试装置。
背景技术
随着生活水平的提高，城市的汽车保有量持续增加，大量普通燃油汽车产生了严重的尾气污染等问题，为了保证和提高空气质量，电动汽车的发展越来越受到重视。电动汽车主要靠电池组提供电力，因此能快速安全的给电动汽车的电池组进行充电的充电机对于电动汽车的使用是非常重要的。随着电动汽车的发展和普及，大量电动汽车的电池组也可以作为电网的分布式储能装置，能够实现作为紧急备用电源，或者谷时充电峰时馈电等V2G(Vehicle To Grid)功能，这就要求充电机不再只支持能量单向从电网流向电池组，而要求其电力电子拓扑能支持电能的双向流动，这也使得充电机的控制器功能更为复杂，其设计等也需要考虑更多的影响因素，如电网的电压波动、频率偏移等。
充电机控制器是整个充电机的运行控制中枢，对系统的正常可靠运行非常重要。传统的充电机控制器往往只在小功率的物理原型上研发与调试，但是实际的物理系统往往难展现一些非正常的运行工况，如电网的电压波动、频率偏移等；因此对于双向充电机控制器来说，通过能模拟实际系统的各种运行工况的实时仿真器进行测试就非常必要了。
由于利用实时仿真器测试具有容易测试各种工况，安全、易实现测试自动化等优点，这样的测试方式已经在很多应用得到使用。但对于双向充电机系统来说，其实时仿真测试主要有如下挑战；一，双向充电机控制器本质上是一个电力电子系统控制器，它发出的控制指令是一系列高频的PWM脉冲，PWM脉冲的电平高低将控制电力电子器件的开关状态。为了能够高速的响应PWM脉冲，准确的更新系统拓扑与状态，要求实时仿真系统能将充电机电力电子部分的模型运行在非常小的仿真步长，通常是几微秒级别，目前很多实时仿真设备中浮点处理器，由于实时操作系统，IO通信开销等额外负荷，没有办法实现如此小步长的仿真；二，双向充电机系统中的电池组，是一个典型的非线性系统，其数学模型一般是非常复杂的，常常是需要支持复杂数学运算的浮点处理器上运行；三，实时仿真器一般需要通过通信的方式将仿真数据传到上位机进行记录与分析，普通的单核处理器，如果同时运行通信与仿真循环，往往容易影响仿真的实时性。
实用新型内容
本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种电动汽车双向充电机控制器实时仿真测试装置，该装置能方便的模拟双向充电机的正常、故障等各种工况，同时实现对测试数据的自动记录与分析；可以实现对双向充电机充电放电等各种控制与保护功能进行全面的测试与验证，有助于缩短研发周期、提高测试效率，确保双向充电机控制器的质量。
本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种电动汽车双向充电机控制器实时仿真测试装置，包括：
双向充电机控制器；
还包括：
信号调理板，与双向充电机控制器连接；
双向充电机实时仿真器，通过信号调理板与双向充电机控制器连接以构成闭环系统；
仿真器上位机，与双向充电机实时仿真器连接。
所述双向充电机实时仿真器包括IO板卡，该IO板卡与信号调理板连接。
所述双向充电机实时仿真器还包括通过高速数据总线连接的实时多核处理器和FPGA，所述实时多核处理器还与仿真器上位机连接，所述FPGA通过信号线与IO板卡连接。
所述IO板卡包括均与信号调理板连接的模拟输出卡和数字输入卡，所述FPGA通过信号线与模拟输出卡和数字输入卡连接。
所述双向充电机实时仿真器与仿真器上位机通过以太网连接。
与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：
1)通过双向充电机实时仿真器仿真充电机，同时利用仿真器上位机实现对测试全过程的记录，便于测试数据的分析整个系统可以实现双向充电机的常规和故障工况模拟；对充电机控制器的软件和硬件进行全面的、自动化的测试与记录。
2)信号调理板能调理和适配双向充电机实时仿真器的IO板卡与双向充电机控制器之间的信号电平、驱动能力等的不匹配问题，便于实时仿真测试装置对各种不同类型的双向充电机控制器进行测试。
3)实时多核处理器支持丰富的数学函数，编程容易，可以用来实时仿真双向充电机电池组的复杂数学模型，同时多核处理器可以实现分核的并行，可以实现一个核专门负责电池组模型的实时仿真，一个核专门负责与仿真器上位机的通信，实时传送仿真测试的数据给仿真器上位机记录，显示，分析。这样分核并行可以更好的确保实时仿真的实时性，减少实时仿真系统的抖动。
4)FPGA由于具有硬件并行性，同IO板卡的交互信息延时短，以及没有实时操作系统的额外负担的优势，可以实现微秒级步长的仿真，从而实现对双向充电机电子电子系统的准确仿真。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图；
图2为实施例中本实用新型所仿真的电动汽车双向充电机的拓扑框图；
图3为仿真器上位机与实时多核处理器功能示意图；
其中：1、双向充电机控制器，2、双向充电机实时仿真器，3、仿真器上位机，4、信号调理板，21、实时多核处理器，22、FPGA，23、模拟输出卡，24、数字输入卡。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。本实施例以本实用新型技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。
一种电动汽车双向充电机控制器实时仿真测试装置，如图1所示，包括：
双向充电机控制器1；
还包括：
信号调理板4，与双向充电机控制器1连接；
双向充电机实时仿真器2，通过信号调理板4与双向充电机控制器1连接以构成闭环系统；
仿真器上位机3，与双向充电机实时仿真器2连接。
双向充电机实时仿真器2包括实时多核处理器21、FPGA22和IO板卡，实时多核处理器21通过高速数据总线与FPGA22连接，还通过以太网与仿真器上位机3连接，FPGA22通过信号线与IO板卡连接，，进而与信号调理板4连接，信号调理板4能调理和适配双向充电机实时仿真器2的IO板卡与双向充电机控制器1间的信号电平、驱动能力等的不匹配问题。
IO板卡包括均与信号调理板4连接的模拟输出卡23和数字输入卡24，FPGA22通过信号线与模拟输出卡23和数字输入卡24连接。
本实施例中实时多核处理器21为双核1.33GHz Intel i7处理器，FPGA22采用Xilinx Kintex-7160T FPGA，双向充电机实时仿真器2配有16通道的高速数字输入通道，每通道的最快更新周期为100ns，还配有16通道的模拟输出通道，每通道的最快更新速率为500kS/s。
图2为本实施例中仿真测试装置所仿真的电动汽车双向充电机拓扑框图，它具体包含了电池组，双向DC/DC变换电路，双向DC/AC变换电路，交流滤波器，代表交流电网的三相电压源。实时多核处理器21支持丰富的数学函数，编程容易；在本实例中用来实时仿真双向充电机电池组的复杂数学模型。双向充电机的电力电子电路部分的数学模型由FPGA22进行微秒级步长的实时仿真，从而实现双向充电机实时仿真器2对双向充电机控制器1发出的PWM控制脉冲的高速响应，准确的更新系统拓扑与状态，实现电力电子电路部分的准确仿真。
图3为仿真器上位机3与实时多核处理器21功能框图，实时多核处理器21可以实现分核的并行，可以实现一个核专门负责电池组模型的的实时仿真，一个核专门负责与仿真器上位机3的通信，实时传送仿真测试的数据给仿真器上位机3；分核并行可以更好的确保实时仿真的实时性，减少实时仿真系统的抖动。仿真器上位机3可以实现仿真模型搭建，以及仿真数据的显示，记录，事后分析等功能。
本实时仿真测试装置充分结合实时多核处理器21与FPGA22各自的优势实现双向充电机系统的准确仿真；利用仿真器上位机3实现对测试全过程的记录，便于测试数据的分析；利用信号调理板4来适配双向充电机实时仿真器2的IO板卡与双向充电机控制器1的信号通道差异。整个系统可以实现双向充电机的常规和故障工况模拟；对充电机控制器的软件和硬件进行全面的、自动化的测试与记录。

Claims (5)

1.一种电动汽车双向充电机控制器实时仿真测试装置，包括：
双向充电机控制器(1)；
其特征在于，还包括：
信号调理板(4)，与双向充电机控制器(1)连接；
双向充电机实时仿真器(2)，通过信号调理板(4)与双向充电机控制器(1)连接以构成闭环系统；
仿真器上位机(3)，与双向充电机实时仿真器(2)连接。
2.根据权利要求1所述的一种电动汽车双向充电机控制器实时仿真测试装置，其特征在于，所述双向充电机实时仿真器(2)包括IO板卡，该IO板卡与信号调理板(4)连接。
3.根据权利要求2所述的一种电动汽车双向充电机控制器实时仿真测试装置，其特征在于，所述双向充电机实时仿真器(2)还包括通过高速数据总线连接的实时多核处理器(21)和FPGA(22)，所述实时多核处理器(21)还与仿真器上位机(3)连接，所述FPGA(22)通过信号线与IO板卡连接。
4.根据权利要求3所述的一种电动汽车双向充电机控制器实时仿真测试装置，其特征在于，所述IO板卡包括均与信号调理板(4)连接的模拟输出卡(23)和数字输入卡(24)，所述FPGA(22)通过信号线与模拟输出卡(23)和数字输入卡(24)连接。
5.根据权利要求1-4中任一条所述的一种电动汽车双向充电机控制器实时仿真测试装置，其特征在于，所述双向充电机实时仿真器(2)与仿真器上位机(3)通过以太网连接。
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