Zvyšování bezpečnosti bateriových systémů pomocí simulací v softwaru Ansys - 1.část

Elektromagnetismus a elektronika

Bateriové systémy obsahují velké množství energie. To v kombinaci s velmi hořlavými materiály, z kterých se bateriové články skládají, znamená vysoké bezpečnostní riziko vzniku požáru s vážnými následky.  Obzvláště nebezpečné jsou tyto požáry v oblasti elektromobilismu a přepravy baterií.

Jednou z možností pro snížení bezpečnostních rizik je správně fungující BMS (battery management system). Tento systém automaticky vyhodnocuje stav jednotlivých článků i celého bateriového systému, umožňuje tak řídit vytížení jednotlivých článků pro zvýšení jejich životnosti a ochrany. Je základem pro splnění bezpečnostních norem v oblastech:

• Ochrana proti vnějšímu zkratu
• Ochrana proti přebití bateriových článků
• Ochrana proti nadměrnému vybití článků

Reálný BMS systém se skládá z velké části elektronických komponent a jejich softwarového vybavení. Velké množství komponent znamená vysoké riziko jejich poškození a nesprávné funkce BMS. Proto je potřeba ověřit správnou funkci všech jejích komponent. To se týká především těchto 3. oblastí:

1) Elektromagnetismus a tepelné výpočty elektronických komponent BMS

2) Vývoj řídicího softwaru BMS

3) Analýzy funkční bezpečnosti BMS

Pomocí softwarů Ansys lze všechny tyto oblasti prozkoumat a ověřit správnou funkčnost BMS bateriových systémů.

1) Elektromagnetismus a tepelné výpočty elektronických komponent BMS

Výkonovými polovodiči BMS protékají značné proudy a tím je výrazně ohřívají. V kombinaci se složitým odvodem tepla z bateriových systémů toto může vést ke značným problémům s jejich chlazením. Navíc málo prostoru může způsobit špatnou elektromagnetickou kompatibilitu EMC/EMI a selhání BMS.

EMC/EMI systému BMS lze simulovat v softwarech Ansys HFSS nebo Ansys SIwave, ze kterých je možné získat rozložení elektromagnetického pole a jeho vyzařování do okolí a tedy ověřit správnou elektromagnetickou funkčnost BMS. Velmi důležitou součástí je také chlazení výkonových komponentů BMS, které lze simulovat v softwaru Ansys Icepak. Takto zkontrolujeme, zda budou provozovány v povolených teplotách. Reálné měření na všech komponentách by bylo značně nepraktické a náročné, simulace dávají přehled o celém systému a jeho nejkritičtějších místech.

Rozložení ztrát a teploty na výkonovém tranzistorovém modulu a jeho chlazení zobrazuje obr. 1a, b.

Obr. 1a.: Rozložení ztrát v tranzistoru

Obr. 1b.: Rozložení teploty v tranzistoru

Software Ansys SCADE umožňuje vývoj, ladění a testování aplikační vrstvy safety-critical embedded softwaru pomocí grafického rozhraní, ve kterém se vytváří model výsledného softwaru. Hlavní výhodou je automatické generování kódu z modelu do jazyka C nebo Ada certifikovaným generátorem, který zaručuje totožné chování modelu a vygenerovaného kódu. Ansys SCADE také umožňuje automatickou tvorbu certifikační dokumentace, která je v případě manuálního psaní velmi časově náročná.rávně navržený software je nedílnou součásti funkčního BMS. S rostoucí komplexností bateriových systémů rostou i nároky na spolehlivý, bezpečný a rychlý běh softwaru. Během ručního psaní kódu často dochází k jeho přepisování, ať už vinou chyb softwaru objevených při testování nebo dodatečnými úpravami při změně konfigurace systému či při definování nových požadavků na systém. Všechny tyto změny a následné testování softwaru jsou časově nákladné a mnohdy i nepřehledné. To vše v konečném důsledku vede k prodloužení doby vývoje a jeho prodražení.

Tvorba aplikačního softwaru v Ansys SCADE založená na grafickém editoru je zobrazena na obr. 2.

Obr. 2.: Ansys SCADE grafický editor, příklad implementace stavového diagramu

Obr. 3. ukazuje obvyklý postup při tvorbě softwaru. Ansys SCADE je schopen snížit náklady na vývoj softwaru až o 50% oproti ručně psanému kódu, neboť SCADE zaručuje, že vygenerovaný kód se chová stejně jako model softwaru. A tedy není nutné vygenerovaný kód znovu testovat.

Obr. 3.: Vývoj softwaru 

3) Analýzy funkční bezpečnosti BMS

Pro získání certifikace BMS je nezbytné provést analýzy funkční bezpečnosti FuSa (Functional safety  analysis) podle příslušné normy. Během analýz je potřeba nalézt všechny možné poruchy, které mohou nastat a určit, jestli mohou ohrozit systém nebo jeho okolí. Pokud může být porucha nebezpečná, potom se musí navrhnout opatření, která zabrání vzniku poruchy nebo minimalizují její dopad. Tyto analýzy jsou rozsáhlé a většinou velmi nepřehledné a při použití široce rozšířených nástrojů i vzájemně nepropojené. Tento přístup často způsobí chyby, kdy data v jedné analýze nesouhlasí s daty v jiné.

Software Ansys medini je nástroj na tvorbu analýz funkční bezpečnosti založený na jazyku SysML, který v sobě integruje všechny potřebné analýzy. Obr. 4. zobrazuje propojení jednotlivých FuSa analýz s modelem systému, tvorbu analýz jako jsou HARA, Safety Requiremens, FMEA, HAZOP, FTA. Obr. 5. ukazuje analýzu HARA s určením hodnoty ASIL a její dekompozici.

Obr. 4.: Propojení FuSa analýz s modelem systému 

Obr. 5.: HARA analýza s určením hodnoty ASIL a její dekompozice 

Hlavní výhodou softwaru Ansys medini je jeho přehlednost. Jednotlivé analýzy jsou propojeny a navazují na sebe. Hlavním přínosem Ansys medini je automatická tvorba certifikační dokumentace, která zajišťuje jednotnost formátování, přehledné výsledky a stejnou kvalitu vygenerované dokumentace. Tím je software Ansys medini schopen výrazně snížit náklady na tvorbu FuSa analýz až o 50%.

Autoři: Radek Fajtl, Petr Pichlík