01 項(xiàng)目背景

成立于1923年的法雷奧集團(tuán)（Valeo），總部位于法國(guó)，是全球汽車制造商和移動(dòng)出行領(lǐng)域創(chuàng)新參與者的合作伙伴，致力于通過(guò)創(chuàng)新共同創(chuàng)造更清潔、更安全、更智能的移動(dòng)出行。

Valeo專注于四個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域：電氣化、先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)、內(nèi)部體驗(yàn)重塑和汽車照明。作為巴黎證券交易所上市公司，2021年Valeo銷售額達(dá)173億歐元，研發(fā)投入占營(yíng)業(yè)額的8.7%。截至2021年12月31日，Valeo在31個(gè)國(guó)家擁有103,300名員工、185個(gè)生產(chǎn)基地、21個(gè)研究中心、44個(gè)開發(fā)中心和18個(gè)分銷平臺(tái)。

Moctar Coulibaly，法國(guó)Valeo電氣化移動(dòng)出行動(dòng)力總成部門OBC & DCDC研發(fā)平臺(tái)總監(jiān)，在電力電子、電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)控制和濾波、變頻轉(zhuǎn)換器和控制與系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面擁有超過(guò)17年的經(jīng)驗(yàn)。Moctar Coulibaly及其團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)Valeo車載充電機(jī)（OBC）和組合充電器（包括用于高壓產(chǎn)品的DCDC）的開發(fā)并將其推向市場(chǎng)。

電動(dòng)車（Electric Vehicles ，EVs）作為21世紀(jì)綠色環(huán)保交通工具，得到了來(lái)自消費(fèi)者和政府的高度認(rèn)可。隨著市場(chǎng)的迅猛發(fā)展，高標(biāo)準(zhǔn)的需求不斷涌現(xiàn)，例如：消費(fèi)者希望能夠?qū)崿F(xiàn)隨時(shí)快速為電動(dòng)車充電。電動(dòng)車產(chǎn)業(yè)技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)復(fù)雜多樣，大規(guī)模電動(dòng)車充電給電網(wǎng)帶來(lái)了全新挑戰(zhàn)，如何與電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)成為重要課題。

下圖展示了配備Valeo電動(dòng)車硬件和包含Valeo自主開發(fā)、評(píng)估和轉(zhuǎn)售產(chǎn)品的90多款電動(dòng)汽車模型，不同產(chǎn)品功率范圍如圖所示：

02 項(xiàng)目挑戰(zhàn)

性能卓越的車載充電機(jī)（OBC）不僅能夠提升消費(fèi)者的可用性，而且能夠加速電動(dòng)車推向市場(chǎng)，因此OBC一直是電動(dòng)汽車行業(yè)技術(shù)研究的熱門領(lǐng)域。

現(xiàn)今，OBC的角色不再局限于“充電裝置”，OBC既可用于交流充電電源轉(zhuǎn)換和通信，也可用于直流充電和通信，其用途既適用于插電式混合動(dòng)力汽車，也適用于純電動(dòng)汽車。作為汽車和公共電網(wǎng)之間的接口，OBC將能量從電網(wǎng)交流源轉(zhuǎn)換為汽車高壓電池的直流電壓。由于電動(dòng)汽車與公共電網(wǎng)要進(jìn)行大量交互，因此其設(shè)計(jì)和使用在本質(zhì)上必須符合公共電網(wǎng)的使用規(guī)定。

包括考慮動(dòng)態(tài)元器件開發(fā)在內(nèi)，Valeo面臨的挑戰(zhàn)有：
1可變的電網(wǎng)/線路阻抗2電壓的下降/諧波/負(fù)載分布3諧波注入和抑制V2X也被賦予了新的功能，且每種功能都有其嚴(yán)格的要求：
1V2G（Vehicle to Grid）：電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)2V2H（Vehicle to Home）：電動(dòng)汽車與住宅電能互動(dòng)3V2L（Vehicle to Load）：電動(dòng)汽車與其他負(fù)載互動(dòng)

03 OBC仿真系統(tǒng)要求

OBC的每個(gè)主要組件都面臨著各自的研發(fā)挑戰(zhàn)和設(shè)計(jì)問(wèn)題:

AC/DC PFC (功率因數(shù)校正)要求考慮和測(cè)試以下方面：

• 高達(dá)80kHz的開關(guān)頻率

• 關(guān)于電網(wǎng)電壓和頻率變化、諧波、電壓降的IEC測(cè)試

• 系統(tǒng)和電網(wǎng)動(dòng)態(tài)的保真度

• 大電流變化的監(jiān)測(cè)

要求：對(duì)象模型 （在FPGA上運(yùn)行）的實(shí)時(shí)時(shí)間步長(zhǎng)必須足夠低，例如低于200ns。

DC/DC LLC諧振變換器要求考慮和測(cè)試以下方面：

• 高達(dá)400kHz的開關(guān)頻率和高精度PWM

• 在工作頻率（接近共振）下，銳化增益曲線

• 二極管導(dǎo)通起關(guān)鍵作用（二級(jí)控制）

要求：精確采樣、插值、開關(guān)信號(hào)檢測(cè)，對(duì)象模型的實(shí)時(shí)時(shí)間步長(zhǎng)必須足夠低，例如低于100ns。

"eHS Gen5幾乎達(dá)到了FPGA計(jì)算性能的極限，以實(shí)現(xiàn)最高的仿真精度。我們現(xiàn)在能夠?qū)崿F(xiàn)100ns的時(shí)間步長(zhǎng)和625ps的開關(guān)信號(hào)精度——這使得eHS Gen5成為世界上速度最快的仿真平臺(tái)。"

—— Sébastien Cense

OPAL-RT能源轉(zhuǎn)換產(chǎn)品經(jīng)理

04 解決方案&研發(fā)過(guò)程

Valeo團(tuán)隊(duì)認(rèn)為L(zhǎng)LC中的PWM檢測(cè)精度是測(cè)試的重中之重，原因在于：

• 這一精度意味著測(cè)試中可以觀測(cè)到的最小頻率變化值；

• 映射到LLC增益曲線的最小頻率變化值，反映了換流器增益的最小變化值；

• 如果諧振頻率附近的增益曲線斜率很高（在共振頻率附近），則一個(gè)很小的變化值也可能被放大的很明顯。

為滿足所有測(cè)試需求，Sébastien Cense與Moctar深入探討后制定的測(cè)試規(guī)范中還包含以下目標(biāo)：

打造目前市面上速度最快的電力電子實(shí)時(shí)仿真器實(shí)現(xiàn)100ns時(shí)間步長(zhǎng)的仿真充分利用625ps的開關(guān)采樣率

最終，eHS GEN5實(shí)現(xiàn)了用戶體驗(yàn)和可靠性的雙向提升。在可用性方面，以用戶的基本需求為中心，簡(jiǎn)化了Simulink中的工作流程，用戶可直接訪問(wèn)Schematic Editor（OPAL-RT用于構(gòu)建電力電子器件的直觀用戶界面），能夠在很短時(shí)間內(nèi)完成模型的配置。

在PWM采樣精度方面，為了響應(yīng)開發(fā)過(guò)程中的嚴(yán)格要求， OPAL-RT為每個(gè)開關(guān)循環(huán)周期提供至少4000次計(jì)數(shù)，與Valeo的最高開關(guān)頻率相比，這是一個(gè)非常優(yōu)秀的比率。

eHS Gen5還帶來(lái)了無(wú)與倫比的速度：運(yùn)行對(duì)象模型的時(shí)間步長(zhǎng)在100-200ns之間。這使得Valeo能夠仿真系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化。在未來(lái)的版本中我們還會(huì)做出更多改進(jìn)，例如二極管導(dǎo)通仿真的優(yōu)化。

05?項(xiàng)目成果

OPAL-RT新一代基于FPGA的電力電子工具包（eHS Gen5）有助于提高車載充電機(jī)及包括連接點(diǎn)在內(nèi)的整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)健性。另外，eHS Gen5在諧振換流器LLC/CLLC和電網(wǎng)及PFC控制的動(dòng)態(tài)行為研究方面有出色表現(xiàn)?；诖?，Valeo和OPAL-RT在該項(xiàng)目的合作上取得了巨大的成功。

為了驗(yàn)證客戶要求，低于1ns的PWM分辨率被認(rèn)為是達(dá)到模型中可接受的電池電流紋波水平的關(guān)鍵。使用相同的車載充電機(jī)控制器與仿真器互聯(lián)，可輕松復(fù)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)事件。

在早前Moctar供職于GE能源公司期間，OPAL-RT與Moctar及其團(tuán)隊(duì)已經(jīng)有過(guò)深入合作。Moctar認(rèn)為，對(duì)于這種定制化和高復(fù)雜度的項(xiàng)目，OPAL-RT的專業(yè)知識(shí)和協(xié)作方法發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。OPAL-RT與客戶基于共同協(xié)作的伙伴關(guān)系，不斷推動(dòng)核心競(jìng)爭(zhēng)力提升和平臺(tái)持續(xù)優(yōu)化，驅(qū)動(dòng)精益創(chuàng)新，共同探尋多方受益的解決方案。

"開發(fā)電源硬件是一個(gè)昂貴且耗時(shí)的工作，因此簡(jiǎn)化和縮短開發(fā)流程顯得尤為重要。在HIL環(huán)境下，eHS Gen5能夠提供卓越的實(shí)時(shí)仿真性能，讓我們可以在開發(fā)電源硬件之前更快速地迭代和評(píng)估新概念。

通過(guò)在最終產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和測(cè)試中引入所有可能的系統(tǒng)變化，如電網(wǎng)阻抗、諧波、電壓變化，我們進(jìn)行了徹底的故障排除，實(shí)現(xiàn)了開發(fā)周期的優(yōu)化。"

——Moctar Coulibaly

法國(guó)Valeo電氣化移動(dòng)出行動(dòng)力總成

研發(fā)平臺(tái)總監(jiān)

在OPAL-RT 第22屆全球?qū)崟r(shí)仿真大會(huì)（RT22）《為未來(lái)移動(dòng)交通注入新活力》主題峰會(huì)上，項(xiàng)目主要負(fù)責(zé)人Moctar Coulibaly（Valeo）和Sébastien Cense（OPAL-RT）與大家分享了題為《eHS Gen5 - 高PWM采樣精度車載充電機(jī)和抗交流電網(wǎng)諧波》的主題報(bào)告。

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