Un modello termico a livello di pacco batteria può essere sviluppato raggruppando le celle in moduli con effetti termici e successivamente i moduli in un pacco. È possibile eseguire l’analisi delle prestazioni termiche su pacchi batteria con diversi livelli di invecchiamento al fine di soddisfare i criteri di garanzia al termine del ciclo di vita.

È possibile utilizzare Simscape e i blocchi di Simscape Fluids™ nei domini del gas, liquido e termico per modellare soluzioni di raffreddamento/riscaldamento attivo, passivo o ibrido. È inoltre possibile esplorare varie architetture dei sistemi di raffreddamento/riscaldamento tracciando delle rappresentazioni schematiche per posizionare tubi, valvole, scambiatori di calore e serbatoi.

Nel caso di un sistema a circuito liquido, è possibile modellare un serbatoio di espansione che contiene il fluido di riserva; piastre di raffreddamento che convogliano il fluido di lavoro vicino alle celle della batteria; un sistema di circolazione a motore con pompa, percorso del flusso e valvole; inoltre, diversi tipi di scambiatori di calore, come riscaldatori cablati o radiatori.

Dopo aver creato un modello del sistema di raffreddamento/riscaldamento, è possibile eseguire simulazioni, perfezionare il progetto esplorando il dimensionamento dei componenti e i parametri del sistema e soddisfare requisiti quali la dissipazione del calore e il consumo energetico.

Simulink facilita la progettazione di controlli a circuito chiuso che combinano tecniche di feedforwarding e PID per i controlli del sistema di circolazione, come il controllo del flusso di alimentazione (valvola), il controllo del flusso di massa (pompa) e il controllo della selezione del percorso di scambio termico. Con Simscape Battery è possibile utilizzare blocchi predefiniti, come Battery Coolant Control e Battery Heater Control, per costruire algoritmi di controllo della gestione termica delle batterie. Con Stateflow^® è inoltre possibile progettare una logica di controllo di supervisione per passare da una modalità di funzionamento all’altra, come il riscaldamento o il raffreddamento, in base alla temperatura ambiente e alla temperatura della batteria.

Rispetto all’uso di un filtro di Kalman, il ricorso a una rete neurale per sviluppare uno stimatore del SOC non richiede informazioni dettagliate sulla batteria o sul suo comportamento non lineare. La rete viene addestrata con dati sulla corrente, la tensione e la temperatura e il SOC come risposta.

La stima dello stato di salute è più soggettiva rispetto alla stima dello stato di carica e non esiste un accordo universale sulla definizione di stato di salute. Di conseguenza, ciascuna organizzazione potrebbe utilizzare un proprio metodo specifico per quantificare una stima del SOH, rendendo impossibile l’impiego di soluzioni generiche e standard. Utilizzando Simulink e Simscape, è possibile sviluppare e simulare algoritmi di stima del SOH personalizzati, in linea con l’interpretazione specifica di salute della batteria da parte della propria organizzazione.

La carica della batteria è controllata con un algoritmo a corrente costante/tensione costante (CC-CV). Si tratta di un approccio comune che mantiene la durata della batteria evitando sovracorrenti e sovratensioni durante la carica. La corrente è limitata durante la carica fino al raggiungimento di una tensione preimpostata.

Per proteggere la batteria è necessario monitorare la corrente, la tensione e la temperatura. Simscape Battery fornisce blocchi che possono essere incorporati negli algoritmi BMS.

La capacità di eseguire simulazioni realistiche, fondamentali per lo sviluppo di software di controllo BMS, ha inizio con un modello accurato del pacco batteria. Le batterie sono spesso progettate utilizzando modelli di analisi degli elementi finiti (FEA) che tengono conto della configurazione fisica delle batterie e ne acquisiscono le proprietà elettrotermochimiche. Sebbene questi modelli siano eccellenti per la progettazione e l’ottimizzazione della chimica e della geometria di un pacco batteria, gli ingegneri di sistemi di controllo hanno bisogno di modelli più idonei alla progettazione a livello di sistema e allo sviluppo software. 

Nello sviluppo di algoritmi BMS in Simulink, è possibile utilizzare circuiti equivalenti per simulare il comportamento termoelettrico della cella di batteria. Il circuito equivalente comprende tipicamente una sorgente di tensione, una resistenza in serie e una o più coppie resistore-condensatore in parallelo. La sorgente di tensione fornisce la tensione a circuito aperto, mentre gli altri componenti modellano la resistenza interna e il comportamento della cella in funzione del tempo. Questi elementi del circuito equivalente dipendono, in generale, dalla temperatura e dallo stato di carica (SOC). Poiché queste dipendenze derivano dalla chimica di ciascuna batteria, devono essere determinate utilizzando misurazioni eseguite su celle di batteria dello stesso tipo di quelle impiegate per la progettazione del controller. È possibile utilizzare le ottimizzazioni di Simulink e MATLAB per parametrizzare un circuito equivalente tramite correlazione del modello con i dati sperimentali.

Oltre al modello di pacco batteria, le simulazioni realistiche dei sistemi di batterie richiedono modelli accurati dei componenti dei circuiti che collegano il sistema di batterie alla fonte di alimentazione e al carico. Simscape Electrical, un prodotto complementare Simulink, fornisce librerie complete dei componenti elettrici attivi e passivi necessari per assemblare un circuito completo per sistemi di batterie, come il front-end analogico per il bilanciamento delle celle. La sorgente di carica può essere costituita da un’alimentazione in corrente continua, come un impianto fotovoltaico (PV), o da una sorgente in corrente alternata, per la quale viene eseguito il raddrizzamento della corrente. 

La simulazione a livello di sistema con Simulink e Simscape consente di sviluppare una sorgente di carica elaborata intorno alla batteria e di convalidare il sistema di batterie in vari intervalli di funzionamento e condizioni di guasto. Il carico del pacco batteria può essere modellato e simulato in modo analogo. Ad esempio, il pacco batteria può essere collegato tramite un inverter a un motore sincrono a magneti permanenti (PMSM) di un veicolo elettrico (EV). Attraverso la simulazione è possibile variare il funzionamento del veicolo elettrico attraverso i cicli di guida e valutare l’efficacia del BMS in condizioni operative diverse.

Integrando la simulazione desktop nelle procedure di test, è possibile creare ed eseguire casi di test per addestrare il sistema di batterie lungo tutti i possibili rami della logica e del controllo a circuito chiuso, un livello di copertura raramente disponibile nei test con l’hardware. Con questo approccio, il modello di simulazione funge da specifica eseguibile per la progettazione e il test del sistema di batterie. Simulink supporta i test attraverso la simulazione desktop con una serie di funzioni che consentono di:

• Incorporare i requisiti come limiti, tolleranze, controlli logici e condizioni temporali nel modello con la tracciabilità delle specifiche originali
• Sviluppare complesse sequenze di test basati sulla simulazione per eseguire test funzionali, di base, di equivalenza e back-to-back
• Tracciare metriche standard del settore come decisione, condizione, copertura di condizione/decisione modificata (MC/DC), oltre alla copertura di limiti relazionali
• Generare input di test per raggiungere una copertura completa del modello e obiettivi personalizzati
• Utilizzare metodi formali per identificare gli errori di progettazione nascosti che causano integer overflow, logica morta e divisione per zero

Quando il sistema di batterie in fase di sviluppo deve soddisfare requisiti di sicurezza, è possibile integrare nel processo di sviluppo software test basati su metodi formali, in conformità a standard quali IEC 61508, IEC 61851 e ISO^® 26262.

La simulazione in tempo reale, che comprende sia la prototipazione rapida che i test HIL, fornisce agli ingegneri di sistemi di controllo dell’elettronica di potenza ulteriori informazioni sulle prestazioni della progettazione di un BMS sull’hardware. Sia nella prototipazione rapida che nei test HIL, l’obiettivo è emulare in hardware un aspetto della progettazione complessiva: il controller BMS nella prototipazione rapida e il bilanciamento del sistema di batterie nei test HIL. La simulazione in tempo reale offre diversi notevoli vantaggi nella progettazione di BMS poiché consente di:

• Eseguire la prototipazione rapida per iniziare a convalidare gli algoritmi prima di scegliere l’hardware definitivo del controller.
• Sfruttare la flessibilità di un sistema di test in tempo reale per una rapida iterazione di progettazioni e test.
• Eseguire test HIL prima che l’hardware del prototipo del sistema di batterie sia disponibile.
• Utilizzare una combinazione di test RP e HIL per addestrare gli algoritmi BMS per i casi di test che potrebbero essere difficili, costosi o distruttivi per l’hardware reale.

Poiché lo sviluppo e la modifica di prototipi hardware di un sistema di batterie possono richiedere un notevole sforzo e poiché tali prototipi sono spesso costosi da riparare, non possono essere sempre testati con il sistema elettrico in cui funzionerà il pacco batteria. Date queste restrizioni, anche piccole modifiche alla progettazione possono mettere a rischio i tempi di sviluppo e le progettazioni di BMS tendono a progredire lentamente poiché i team considerano troppo rischiosi gli scostamenti radicali dalla progettazione precedente.

Con Simulink, è possibile generare codice C/C++ e HDL dal modello dell’hardware del sistema di batterie e del sistema più ampio di cui fa parte, compresi l’alimentazione e il carico. Una volta distribuito il codice su un computer in tempo reale, è possibile eseguire simulazioni in tempo reale dell’hardware con il codice del controller prima di testare il controller in un prototipo di sistema di batterie. Di conseguenza, è possibile individuare e correggere eventuali errori di progettazione di controlli prima che danneggino l’hardware del prototipo, costoso e difficile da sostituire. È inoltre possibile individuare errori di progettazione dell’hardware, tra cui il dimensionamento errato dei componenti.

Molti sistemi HIL in tempo reale, compreso l’hardware target Speedgoat, incorporano emulatori di batterie, che consentono di emulare alimentatori portatili, pile di batterie per veicoli elettrici o di assorbire corrente per simulare batterie sotto carica.

Le simulazioni desktop, la prototipazione rapida, i test HIL e i test PIL consentono di verificare e convalidare gli algoritmi di controllo del BMS. Con Simulink, è possibile utilizzare questi stessi algoritmi come base per generare codice pronto per la produzione: codice C/C++ ottimizzato e stabile per l’implementazione su microcontroller o codice HDL sintetizzabile per la programmazione FPGA o l’implementazione ASIC. La generazione automatica di codice elimina gli errori di traduzione manuale degli algoritmi e produce codice C/C++ e HDL con equivalenza numerica agli algoritmi convalidati in Simulink. Simulando gli algoritmi di controllo in tutte le possibili condizioni di funzionamento e di guasto, è possibile garantire ulteriormente che il codice generato sia in grado di gestire le stesse condizioni nel sistema reale, anche senza testarle tutte. Se in seguito i test hardware rivelano la necessità modificare gli algoritmi, è sufficiente modificare gli algoritmi nel modello, eseguire nuovamente i casi di test di simulazione per verificare la correttezza delle modifiche e generare un nuovo codice aggiornato. Tutto il codice C/C++ e HDL generato è completamente portabile, ottimizzabile con una serie di opzioni e tracciabile bidirezionalmente al modello Simulink.