在電動汽車開發(fā)過程的驗(yàn)證階段會用到模擬系統(tǒng)（Hardware in the Loop Simulation，以下簡稱 HILS）。在沒有電池管理系統(tǒng)（BMS）監(jiān)控電池包單個電芯的情況下，或是在通過模擬電動汽車的駕駛環(huán)境來檢驗(yàn)每個電芯的充放電控制時，都會結(jié)合電池實(shí)體和模擬系統(tǒng)進(jìn)行檢測。這種檢測要求將每個電芯的電壓和溫度測量數(shù)據(jù)高速并實(shí)時地傳輸至模擬系統(tǒng)。 本文以使用數(shù)據(jù)采集儀測量每個電芯的電壓和溫度并將獲取的數(shù)據(jù)與 HILS 相結(jié)合為例進(jìn)行介紹。

為了精確掌握電池電芯充放電過程中電壓變化的微觀細(xì)節(jié)，必須在毫秒（ms）級別的極短時間段內(nèi)完成數(shù)據(jù)采集工作。而當(dāng)我們面臨要求極高實(shí)時性的控制仿真HILS系統(tǒng)時，則需要在系統(tǒng)中快速采集大量電芯的測量數(shù)據(jù)。因此，數(shù)據(jù)采集儀必須具備在多通道運(yùn)作環(huán)境下的高精度采樣能力，以及低延遲的高速輸出功能。在測量高壓電池電芯時，我們還必須對電芯實(shí)施絕緣測試，以確保測試過程的安全性。

用于這些測量的數(shù)據(jù)采集儀需要具備以下三項(xiàng)性能要求：

?能實(shí)時輸出高速采樣測量的數(shù)據(jù)

?具備高絕緣性

?可支持電池測量的通道數(shù)量

HIOKI 的數(shù)據(jù)采集儀 LR8102 是對實(shí)體電池進(jìn)行充放電控制模擬的理想之選。它與電壓·溫度模塊 M7100 組合成一個測量系統(tǒng), 可以測量電池每個電芯的電壓和溫度，并將測量數(shù)據(jù)高速輸出到實(shí)時模擬系統(tǒng)。 (采樣速度受測量參數(shù)和所用通道數(shù)量的限制）。

數(shù)據(jù)采集儀 LR8102 和電壓·溫度模塊 M7100 是與 HILS 搭配的理想選擇，原因有以下3個。

1. 能實(shí)時輸出高速采樣測量的數(shù)據(jù)：最高采樣速度 5 ms

對于數(shù)量龐大的電芯數(shù)據(jù)， LR8102 可以通過 UDP（User Datagram Protocol）實(shí)時輸出每次采樣。

一般數(shù)據(jù)采集儀的測量和數(shù)據(jù)輸出時序

一般而言，數(shù)據(jù)采集儀所獲取的數(shù)據(jù)通過通訊指令上傳至上位系統(tǒng)。每個數(shù)據(jù)獲取的過程可能需要耗費(fèi)數(shù)十或數(shù)百毫秒（ms）。上位系統(tǒng)接收數(shù)毫秒（ms）級采樣數(shù)據(jù)的時間，可能會與其實(shí)際測量時間產(chǎn)生較大偏差。圖1 展示了典型的數(shù)據(jù)采集儀在測量與數(shù)據(jù)輸出方面的時序。電壓值在t7前便已超出閾值，然而直到t9之前，卻無法獲取數(shù)據(jù)。為確保上位系統(tǒng)在不損失數(shù)據(jù)的前提下獲取至0.1ms的測量數(shù)據(jù)，必須在同一時間內(nèi)獲取多個數(shù)據(jù)。然而，在實(shí)時獲取數(shù)據(jù)、反饋計算結(jié)果的HILS環(huán)境中，即便同時獲取多個數(shù)據(jù)，也只能采用其中最新生成的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)采集儀 LR8102 可通過 UDP 實(shí)時輸出每次采樣的測量數(shù)據(jù)。 通過新設(shè)計的高速差分通訊，每個模塊測量的數(shù)據(jù)都會被收集到所連接的數(shù)據(jù)采集儀主機(jī)中。 副儀器與主儀器之間的數(shù)據(jù)傳輸采用高速光纖通信。 所有測量數(shù)據(jù)會在 5 ms 內(nèi)匯總到主儀器。 匯總的數(shù)據(jù)使用Real-time OS系統(tǒng)通過LAN輸出。如此，從測量源頭至輸出環(huán)節(jié)的硬件配置可以提供充足的帶寬以實(shí)施實(shí)時處理，進(jìn)而達(dá)到對測量數(shù)據(jù)采集時間的低延遲要求，從而實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)采集時間的低延遲。數(shù)據(jù)采集儀通過 UDP 向系統(tǒng)輸出高速實(shí)時數(shù)據(jù)，可將測量數(shù)據(jù)連接到 HILS控制路。

圖 2 顯示了對 LR8102 的 UDP 輸出通訊周期的演示測試結(jié)果：通過 UDP 每 5 ms輸出一次測量數(shù)據(jù)，并觀察延遲情況。發(fā)現(xiàn)即使經(jīng)過超過 14萬次重復(fù)繪制，在 5 ms ± 600 μs的范圍內(nèi)通訊周期也非常穩(wěn)定。 因周期內(nèi)穩(wěn)定性高，即使在數(shù)據(jù)高速輸出到模擬系統(tǒng)的情況下，也能確保穩(wěn)定地獲取測量數(shù)據(jù)。(圖中顯示的是通過交換 HUB 接收一個數(shù)據(jù)包的結(jié)果。）

2. 高絕緣性能：DC1500 V CAT II

高絕緣性能對于安全測量高壓電池包中的電芯電壓至關(guān)重要。 例如，測量總電壓為 800 V 的電池包的電芯電壓，要求模塊與模塊之間的絕緣性能達(dá)到 800 V，模塊與大地之間的絕緣性能達(dá)到 800 V。 根據(jù) EN IEC 61010 安全標(biāo)準(zhǔn)，電壓?溫度模塊 M7100 的絕緣性能達(dá)到1500 V DC CAT II，可以對高壓系統(tǒng)進(jìn)行安全測量。

3. 可支持高壓電池測量的通道數(shù)：800 ch（5 ms 采樣時）

要測量高壓電池包中電芯的電壓和溫度，需要進(jìn)行多通道測量。 例如，如果電芯的電壓為 4 V，那么總電壓為 800 V 的電池包就有 200個電芯。 在電動汽車開發(fā)中，目前已在實(shí)驗(yàn)層面上制造出了電壓超過 1000 V 的電池，預(yù)計未來將需要更多的通道。

數(shù)據(jù)采集儀LR8102 的輸入通道數(shù)量可通過將主機(jī)與測量模塊相結(jié)合的方式進(jìn)行自由擴(kuò)展。 如圖 3 所示，10 臺 LR8102 各自與 10 個M7100 相連可通過光纖連接進(jìn)行采樣同步，從而組成一個最多可測量 800 ch、采樣率為 5 ms 的系統(tǒng)， 所有數(shù)據(jù)在 5 ms 內(nèi)匯總到主儀器。 匯總數(shù)據(jù)通過主儀器的數(shù)據(jù)輸出專用 LAN2 端口高速實(shí)時輸出。

注：當(dāng)一個 M7100 使用的通道數(shù)小于等于 8 個且所有通道的量程均為電壓量程時，可使用 5 ms 采樣進(jìn)行測量。溫度測量可從 10 ms 采樣開始。

以下介紹數(shù)據(jù)采集儀LR8102和電壓·溫度模塊M7100最大使用數(shù)量的系統(tǒng)示例：最多可同步連接 10 臺 LR8102；如果每臺 LR8102 連接 10個 M7100，則最多可構(gòu)建一套連接 100 個 M7100 的測量系統(tǒng)。 M7100 所測量的參數(shù)可以自由組合。 在本示例中，100 個 M7100 中的 70個用于電壓測量，30 個用于溫度測量。

如圖 4 所示，10臺 LR8102 通過光纖連接，以實(shí)現(xiàn)同步采樣；每臺LR8102 連接10個 M7100 電壓·溫度模塊。 通過這個測量系統(tǒng)，可以同時測量電壓（560 ch，5 ms 采樣）和溫度（450 ch，10 ms 采樣）。 所有數(shù)據(jù)都會在 5 ms內(nèi)匯總到主機(jī)上，并通過數(shù)據(jù)輸出專用 LAN2端口高速實(shí)時輸出。 通過這種方式，LR8102 和測量模塊可組成一套多通道測量系統(tǒng)，與 HILS 配合使用，可用于1500 V 電池系統(tǒng)進(jìn)行充放電測試。

注：當(dāng) 1個 M7100 使用的通道數(shù)小于等于 8 個且所有通道的量程均為電壓量程時，可使用 5 ms 采樣進(jìn)行測量。溫度測量可從 10 ms 采樣開始。

數(shù)據(jù)采集儀的采樣和數(shù)據(jù)輸出速度對于將數(shù)據(jù)采集儀集成到 HILS 等要求實(shí)時性的控制模擬系統(tǒng)中非常重要。并且，在測量高壓電池包的情況下，要求儀器具備多通道以及可靠的絕緣性能。HIOKI 的 LR8102 數(shù)據(jù)采集儀與 M7100 測量模塊相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)安全、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集，采樣率高達(dá) 5 ms，并可進(jìn)行實(shí)時高速數(shù)據(jù)輸出。 支持與 HILS 的適配集成，有助于電動汽車的開發(fā)。 本產(chǎn)品附帶的 DVD 光盤包含一個用于接收系統(tǒng)的示例程序。 運(yùn)行該示例程序可通過 UDP 接收 LR8102 的測量值，將其轉(zhuǎn)換為各種輸出格式的物理量并保存到文件中，這樣您就可以立即試用 UDP 的操作了。

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