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Simulink 및 Simscape를 사용한 배터리 시스템 개발

배터리 시스템 개발 워크플로

전동화는 전기차(예: 승용차, 버스), 선박, 전기 항공기, 계통 연계형 에너지 저장 시스템, 태양광 발전 시스템 등 다양한 응용 분야에서 배터리 사용을 이끌고 있습니다. 이러한 응용 분야는 셀 선택, 전력/에너지 밀도, 부피, 무게, 수명 등 배터리 시스템 설계에 대한 서로 다른 요구사항이 있습니다.

테스트하기 전에 배터리 시스템 설계를 시뮬레이션하면 배터리팩의 동적 거동에 대한 이해를 얻을 수 있습니다. 다음과 같은 작업도 가능해집니다.

  • 소프트웨어 알고리즘 탐색 및 비교
  • 구동 테스트 케이스 확장
  • 배터리 셀부터 배터리 시스템까지의 기술 개발 사이클 단축

배터리 시스템 개발 워크플로는 배터리 셀 구축에서 시작합니다. 5가지 주요 작업이 배터리 셀 설계와 배터리 시스템 사이에서 가교 역할을 합니다. 그러한 작업은 다음과 같습니다.

  • 배터리팩 설계
  • 전기 및 열 배터리팩 구성요소 설계
  • BMS(배터리 관리 시스템) 알고리즘 개발
  • 구성요소를 통합하여 데스크탑 시뮬레이션 실행
  • HIL(Hardware-in-the-Loop) 테스트 및 배포

배터리 셀과 배터리 시스템 사이에 가교 구축

Simulink® 및 Simscape™를 사용한 배터리 시스템 개발 워크플로는 구성요소 설계 및 알고리즘을 검증하기 위한 데스크탑 시뮬레이션을 수행할 수 있도록 시스템 구성요소들을 통합하는 단계부터 시작합니다(데스크탑 시뮬레이션 참조). 그다음 단계는 신속 프로토타이핑과 HIL(Hardware-in-the-Loop) 테스트를 사용한 실시간 모델 시뮬레이션입니다(배터리 시스템의 실시간 시뮬레이션 참조). 개발의 마지막 단계는 하드웨어 구현, 배포 및 테스트입니다(하드웨어 구현 참조).

왼쪽부터 오른쪽으로 데스크탑 시뮬레이션, 실시간 시뮬레이션, 하드웨어 구현이 나타나 있는 개발 워크플로의 다이어그램.

Simulink 및 Simscape를 사용한 배터리 시스템 개발 워크플로.

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배터리팩 설계

MATLAB®에서 Simscape Battery™ API(애플리케이션 프로그래밍 인터페이스)를 사용하여 배터리팩을 설계할 수 있습니다. 설계의 기초 요소에는 셀 설계, 병렬 조립, 모듈, 모듈 조립, 배터리팩 설계 등이 포함됩니다.

x축에는 셀 개수가 있고 y축에는 kWh 단위의 에너지가 있으며 셀, 병렬 조립, 모듈, 모듈 조립 및 팩 설계가 순서대로 선형적으로 증가하는 좌표 평면.

셀부터 팩까지의 배터리팩 설계.

Simscape Battery를 사용하면 다음과 같은 작업을 수행할 수 있습니다.

  • 전열 거동 모델링 및 배터리 셀 모델의 충전 동역학, 노화, 열 및 열 전달 효과 포함.
  • 제조사의 데이터시트 기준으로 셀 파라미터화.
  • 셀에서 모듈까지 그리고 모듈에서 팩까지, 다양한 기하구조와 위상으로 배터리 모델 구축 및 시각화.
  • 사용자 지정 가능한 유체 경로 및 배터리팩으로의 열적 결합으로 냉각 플레이트 모델링.
  • 셀 간 온도 편차 탐색 및 냉각 효율 측정.
  • 배터리팩 설계를 위한 사용자 지정 Simulink 라이브러리 모델 생성.
  • 적절한 모델 해상도를 설정하여 모델 충실도와 시뮬레이션 속도 간의 균형 달성.

핵심 요점

  • 다양한 모델 해상도로 사용자 지정 배터리팩 개발.
  • 배터리 모델에 열 효과 추가.
  • 단 한 줄의 코드로 시뮬레이션을 위한 배터리팩 모델 생성.

배터리 셀부터 배터리 시스템까지

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배터리 열 관리 시스템

엔지니어는 MATLAB 및 Simulink로 배터리 열 관리 시스템을 설계하여 배터리팩의 온도가 사양 범위를 벗어나지 않도록 조절하고, 다양한 동작 조건에서 최적의 성능을 내도록 할 수 있습니다. 

배터리 및 배터리팩 냉각 시스템 다이어그램.

Simscape Battery를 사용한 새 리튬이온 배터리와 노화 리튬이온 배터리의 열 분석 비교.

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배터리 관리 시스템 알고리즘

잘 설계된 BMS(배터리 관리 시스템)는 다양한 충전-방전 조건 및 환경 조건에서 최상의 성능, 안전한 작동, 최적의 수명을 확보할 수 있습니다. Simulink 및 Simscape를 사용하면 배터리팩의 동적 거동을 이해하고 소프트웨어 아키텍처를 살펴보고 작동 케이스를 테스트하고 조기에 하드웨어 테스트를 시작하여 설계 오류를 줄일 수 있습니다. 엔지니어는 Simscape Battery에 내장된 BMS 제어 블록을 사용하여 설계된 배터리팩 성능을 평가하고 열 관리 시스템을 개발하고 시스템 수준 시뮬레이션을 실행할 수 있습니다.

이러한 목표를 달성하기 위해 BMS는 배터리팩의 거동과 성능을 제어하는 알고리즘으로 구성되어 있습니다.

배터리 관리 시스템 구성요소들의 다이어그램.

배터리 관리 시스템의 기능.

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데스크탑 시뮬레이션

Simulink에서 데스크탑 시뮬레이션을 사용하면 배터리 시스템 설계의 기능적 측면들을 검증할 수 있습니다. 데스크탑에서는 거동 모델을 사용하여 배터리 시스템, 환경 및 알고리즘이 시뮬레이션됩니다. 예를 들어 능동 및 수동 셀 밸런싱 구성과 알고리즘을 살펴보면서 특정 응용 사례에 대한 각 밸런싱 방식의 적합성을 평가할 수 있습니다. 하드웨어 프로토타입 과정에 돌입하기 전에 데스크탑 시뮬레이션을 사용하여 새로운 설계 아이디어를 탐색하고 여러 시스템 아키텍처를 테스트할 수 있습니다. 또한 예를 들어 절연 이상이 감지되었을 때 접촉기의 개폐가 차단되는지를 검증함으로써 데스크탑 시뮬레이션에서 요구사항 테스트도 수행할 수 있습니다.

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배터리 시스템의 실시간 시뮬레이션 

데스크탑 시뮬레이션을 통해 검증한 후에는 Simulink 모델을 사용하여 RP(신속 프로토타이핑) 또는 HIL(Hardware-in-the-Loop) 테스트를 위한 C 및 HDL 코드를 생성하여 실시간으로 BMS 알고리즘을 추가적으로 검증할 수 있습니다. RP에서는 실시간 테스트를 위한 제어 소프트웨어 코드를 손으로 직접 작성하지 않고 그 대신 제어기 모델에서 코드를 생성하여 이를 프로덕션 마이크로컨트롤러의 기능을 수행하는 실시간 컴퓨터에 배포합니다. 자동 코드 생성을 통해 모델에 적용된 알고리즘 변경 사항을 며칠이 아닌 몇 시간 안에 실시간 하드웨어에서 테스트할 수 있습니다. 또한 Simulink 내에서 실시간 제어 하드웨어와 상호 작용하여 알고리즘 파라미터를 변경하고 테스트 데이터를 기록할 수 있습니다.

신속 프로토타이핑과 마찬가지로 HIL 테스트에서는 Simulink 모델에서 코드를 생성하여 이를 실시간 컴퓨터에 배포하게 됩니다. HIL 테스트의 경우, 코드는 제어 알고리즘 모델이 아닌 배터리 시스템 모델로부터 생성되어 배터리팩, 능동 및 수동 회로 소자, 부하, 충전기 및 기타 시스템 구성요소를 나타내는 가상 실시간 환경을 제공합니다. 이 가상 환경을 통해 하드웨어 프로토타입을 개발하기 전에, 하드웨어가 손상되지 않는 환경에서 실시간으로 BMS 제어기의 기능을 검증할 수 있습니다.

데스크탑 시뮬레이션 중에 개발된 테스트는 HIL 테스트로 전달되어 BMS 설계를 발전시키는 과정에서 요구사항을 충족하도록 합니다. 마이크로컨트롤러 또는 FPGA에서 실행되는 코드를 테스트하는 데 HIL 테스트가 주로 사용되지만, Simulink Real-Time™Speedgoat® 타겟 하드웨어와 같은 신속 프로토타이핑 시스템을 대신 사용하고 HIL 설정에 연결한 후에 프로덕션 제어 하드웨어를 선택할 수도 있습니다.

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하드웨어 구현

하드웨어 구현 단계에서 데스크탑 시뮬레이션, RP 및 HIL을 통해 검증된 Simulink 제어 모델은 BMS를 위한 프로덕션 준비 코드를 생성하는 데 사용됩니다. 필요한 경우 자동차, 항공우주 및 기타 규제 대상 산업에 사용되는 공식 인증 표준에 준용하는 워크플로에 프로덕션 코드 생성을 도입할 수 있습니다.