用户案例 | 应用于车载充电机（OBC）的高频电力电子仿真方案

2023-03-01 09:36 作者:OPAL-RT 0人读过 | 我要投稿

01 项目背景

成立于1923年的法雷奥集团（Valeo），总部位于法国，是全球汽车制造商和移动出行领域创新参与者的合作伙伴，致力于通过创新共同创造更清洁、更安全、更智能的移动出行。

Valeo专注于四个关键领域：电气化、先进驾驶辅助系统、内部体验重塑和汽车照明。作为巴黎证券交易所上市公司，2021年Valeo销售额达173亿欧元，研发投入占营业额的8.7%。截至2021年12月31日，Valeo在31个国家拥有103,300名员工、185个生产基地、21个研究中心、44个开发中心和18个分销平台。

Moctar Coulibaly，法国Valeo电气化移动出行动力总成部门OBC & DCDC研发平台总监，在电力电子、电网稳态控制和滤波、变频转换器和控制与系统设计方面拥有超过17年的经验。Moctar Coulibaly及其团队负责Valeo车载充电机（OBC）和组合充电器（包括用于高压产品的DCDC）的开发并将其推向市场。

电动车（Electric Vehicles ，EVs）作为21世纪绿色环保交通工具，得到了来自消费者和政府的高度认可。随着市场的迅猛发展，高标准的需求不断涌现，例如：消费者希望能够实现随时快速为电动车充电。电动车产业技术面临的挑战复杂多样，大规模电动车充电给电网带来了全新挑战，如何与电网实现能源互联成为重要课题。

下图展示了配备Valeo电动车硬件和包含Valeo自主开发、评估和转售产品的90多款电动汽车模型，不同产品功率范围如图所示：

02 项目挑战

性能卓越的车载充电机（OBC）不仅能够提升消费者的可用性，而且能够加速电动车推向市场，因此OBC一直是电动汽车行业技术研究的热门领域。

现今，OBC的角色不再局限于“充电装置”，OBC既可用于交流充电电源转换和通信，也可用于直流充电和通信，其用途既适用于插电式混合动力汽车，也适用于纯电动汽车。作为汽车和公共电网之间的接口，OBC将能量从电网交流源转换为汽车高压电池的直流电压。由于电动汽车与公共电网要进行大量交互，因此其设计和使用在本质上必须符合公共电网的使用规定。

包括考虑动态元器件开发在内，Valeo面临的挑战有：
1可变的电网/线路阻抗2电压的下降/谐波/负载分布3谐波注入和抑制V2X也被赋予了新的功能，且每种功能都有其严格的要求：
1V2G（Vehicle to Grid）：电动汽车与电网互动2V2H（Vehicle to Home）：电动汽车与住宅电能互动3V2L（Vehicle to Load）：电动汽车与其他负载互动

03 OBC仿真系统要求

OBC的每个主要组件都面临着各自的研发挑战和设计问题:

AC/DC PFC (功率因数校正)要求考虑和测试以下方面：

高达80kHz的开关频率
关于电网电压和频率变化、谐波、电压降的IEC测试
系统和电网动态的保真度
大电流变化的监测

要求：对象模型（在FPGA上运行）的实时时间步长必须足够低，例如低于200ns。

DC/DC LLC谐振变换器要求考虑和测试以下方面：

高达400kHz的开关频率和高精度PWM
在工作频率（接近共振）下，锐化增益曲线
二极管导通起关键作用（二级控制）

要求：精确采样、插值、开关信号检测，对象模型的实时时间步长必须足够低，例如低于100ns。

"eHS Gen5几乎达到了FPGA计算性能的极限，以实现最高的仿真精度。我们现在能够实现100ns的时间步长和625ps的开关信号精度——这使得eHS Gen5成为世界上速度最快的仿真平台。"

—— Sébastien Cense

OPAL-RT能源转换产品经理

04 解决方案&研发过程

Valeo团队认为LLC中的PWM检测精度是测试的重中之重，原因在于：

这一精度意味着测试中可以观测到的最小频率变化值；
映射到LLC增益曲线的最小频率变化值，反映了换流器增益的最小变化值；
如果谐振频率附近的增益曲线斜率很高（在共振频率附近），则一个很小的变化值也可能被放大的很明显。

为满足所有测试需求，Sébastien Cense与Moctar深入探讨后制定的测试规范中还包含以下目标：

打造目前市面上速度最快的电力电子实时仿真器实现100ns时间步长的仿真充分利用625ps的开关采样率

最终，eHS GEN5实现了用户体验和可靠性的双向提升。在可用性方面，以用户的基本需求为中心，简化了Simulink中的工作流程，用户可直接访问Schematic Editor（OPAL-RT用于构建电力电子器件的直观用户界面），能够在很短时间内完成模型的配置。

在PWM采样精度方面，为了响应开发过程中的严格要求， OPAL-RT为每个开关循环周期提供至少4000次计数，与Valeo的最高开关频率相比，这是一个非常优秀的比率。

eHS Gen5还带来了无与伦比的速度：运行对象模型的时间步长在100-200ns之间。这使得Valeo能够仿真系统的动态变化。在未来的版本中我们还会做出更多改进，例如二极管导通仿真的优化。

05 项目成果

OPAL-RT新一代基于FPGA的电力电子工具包（eHS Gen5）有助于提高车载充电机及包括连接点在内的整个系统的稳健性。另外，eHS Gen5在谐振换流器LLC/CLLC和电网及PFC控制的动态行为研究方面有出色表现。基于此，Valeo和OPAL-RT在该项目的合作上取得了巨大的成功。

为了验证客户要求，低于1ns的PWM分辨率被认为是达到模型中可接受的电池电流纹波水平的关键。使用相同的车载充电机控制器与仿真器互联，可轻松复现现场事件。

在早前Moctar供职于GE能源公司期间，OPAL-RT与Moctar及其团队已经有过深入合作。Moctar认为，对于这种定制化和高复杂度的项目，OPAL-RT的专业知识和协作方法发挥着至关重要的作用。OPAL-RT与客户基于共同协作的伙伴关系，不断推动核心竞争力提升和平台持续优化，驱动精益创新，共同探寻多方受益的解决方案。

"开发电源硬件是一个昂贵且耗时的工作，因此简化和缩短开发流程显得尤为重要。在HIL环境下，eHS Gen5能够提供卓越的实时仿真性能，让我们可以在开发电源硬件之前更快速地迭代和评估新概念。

通过在最终产品的设计和测试中引入所有可能的系统变化，如电网阻抗、谐波、电压变化，我们进行了彻底的故障排除，实现了开发周期的优化。"

——Moctar Coulibaly

法国Valeo电气化移动出行动力总成

研发平台总监

在OPAL-RT 第22届全球实时仿真大会（RT22）《为未来移动交通注入新活力》主题峰会上，项目主要负责人Moctar Coulibaly（Valeo）和Sébastien Cense（OPAL-RT）与大家分享了题为《eHS Gen5 - 高PWM采样精度车载充电机和抗交流电网谐波》的主题报告。