“CompactRIO ha supuesto una gran modularidad y flexibilidad a la hora de comprobar diferentes configuraciones del vehículo eléctrico durante su desarrollo.”
El Reto:
Desarrollar una unidad central de supervisión y control flexible, robusta y en tiempo real para un vehículo Formula Student eléctrico, que cumpla la exigente normativa de seguridad SAE y gestione el sistema de tracción y de almacenamiento de energía de forma óptima.
La Solución:
Emplear LabVIEW Real-Time y LabVIEW FPGA en una plataforma CompactRIO para implementar y desarrollar la unidad central de control electrónico, garantizando una gestión robusta, rápida y segura de los sistemas críticos del vehículo, y proporcionando la flexibilidad necesaria para la inclusión de nuevas funcionalidades.
Introducción
Los vehículos eléctricos están considerados como el futuro de la automoción debido a la necesidad de transportes más respetuosos con el medio ambiente. Sin embargo, estos vehículos requieren sistemas de supervisión y control más complejos que los de combustión interna. Estos aspectos suponen la necesidad de desarrollar nuevos métodos de control y supervisión, así como de arquitecturas en tiempo real para garantizar la seguridad y eficiencia de los mismos. Es por ello que en el presente caso de estudio se presenta el desarrollo e implementación de una unidad de supervisión y control para un vehículo eléctrico.
La unidad está diseñada para su uso en un Formula Student eléctrico.
Formula Student, considerada la antesala de la Fórmula 1, es un marco de innovación en el que los estudiantes pueden formarse e investigar en nuevas tecnologías, siendo la más predominante en los últimos años la de los vehículos eléctricos. A esta apuesta por la innovación se ha sumado el equipo Formula Student Bizkaia de la ETSI de Bilbao (UPV/EHU) (fsbizkaia.com), diseñando en la temporada 2012 su primer monoplaza eléctrico, el FSBe2012.
Formula Student Electric 2012: FSBe2012
El FSBe2012 está compuesto por un sistema de tracción basado en un doble motor DC, cuya potencia gestionan dos drivers independientes que obtienen la energía de una batería LiFePo4 de 48 celdas. Con el fin de garantizar una correcta gestión y supervisión, se requiere de un sistema de control centralizado, minimizando costes, espacio y complejidad en el sistema.
El diseño propuesto (Figura 1) consta de varios módulos encargados de gestionar los diferentes aspectos del vehículo y todos ellos supervisados y controlados mediante la unidad central de control electrónico (cECU) implementada mediante un CompactRIO.
Los diferentes módulos del vehículo se comunican con la cECU utilizando cuatro tipos de comunicación, seleccionados en función de los requisitos de seguridad establecidos por la normativa FSAE:
Comunicación CANOpen con el BMS (Battery Management System) mediante la tarjeta NI 9881 y la librería NI Industrial Communications for CANOpen.
Comunicación CAN con los módulos remotos mediante la tarjeta NI9862, usando la FPGA del CompactRIO.
Comunicación RS232 con el dispositivo GPS y el de telemetría mediante la tarjeta NI 9870.
Entradas digitales y salidas relé de estado sólido mediante la tarjeta NI 9423 y NI 9485 respectivamente para las señales del circuito de seguridad y del Dashboard (pulsadores de arranque y leds de estado).
Unidad Central de Control Electrónico (cECU)
La cECU constituye el cerebro del vehículo, ejecutando un control de supervisión encargado de cumplir los requisitos de seguridad, mientras permite extraer el máximo rendimiento al vehículo. En este sentido, la utilización de la plataforma CompactRIO ha permitido conseguir un diseño compacto, fiable y flexible en un tiempo reducido.
Cinco funcionalidades básicas son implementadas en la cECU:
Monitorización de las baterías.
Gestión de la comunicación con los módulos remotos: acelerador, velocidad…
Control de tracción.
Gestión de E/S directas de la cECU, incluyendo las señales del circuito de seguridad y dash.
Log de datos y telemetría del vehículo.
Con el fin de cumplir estas funcionalidades de forma correcta, el sistema está gestionado por una máquina de estados implementada mediante una arquitectura productor-consumidor y haciendo uso de colas FIFO RT de LabVIEW Real Time. La utilización de esta estructura clásica de LabVIEW permite definir unívocamente la situación del vehículo, garantizando la seguridad del piloto. Se han definido seis estados: Stop, Starting, Ready-to-Run, Running, Error y Security Error.
Cada estado de la máquina de estados tiene asociadas una serie de funcionalidades que debe cumplir, ya introducidas previamente, y que se implementan mediante tareas. Así, el gestor de la máquina de estados es el encargado de realizar la activación, o en su defecto la desactivación controlada, de la tarea que corresponda (Figura 2). El uso de eventos, RT FIFOs y la sencilla paral elización que ofrece LabVIEW permiten, de una forma sencilla, implementar métodos para asegurar un determinismo y la concurrencia en las tareas. Un elemento fundamental en la sincronización de las tareas es la tabla de variables del vehículo, implementada mediante una variable global compartida en exclusión mutua. Esto permite que unas tareas actualicen los datos en la tabla, mientras que otras usen esos datos para gestionar el vehículo.
Las tareas implementadas son las siguientes:
BMS: supervisa el estado de las baterías mediante la comunicación con éste módulo.
I/O: gestiona las entradas y salidas digitales, los paquetes de comunicación CAN así como los paquetes de comunicación RS232, debido a la naturaleza de las mismas. Estas señales son procesadas mediante la FPGA de la CompactRIO, que las analiza a mayor velocidad y en paralelo, disminuyendo el coste computacional de la CPU.
Control Tracción: calcula la referencia de par de los variadores en función de la referencia de aceleración del pedal de aceleración.
Log de datos y telemetría: gestiona tanto el envío de datos vía radio como el almacenamiento de los mismos. La utilización de ficheros TDMS simplifica en gran medida la captura de datos, al ofrecer mecanismos sencillos que garanticen la ejecución en tiempo real del control supervisor.
Validación
Con el fin de verificar las bondades del diseño, se han realizado una serie pruebas de comprobación tanto del vehículo eléctrico como del sistema de control.
Mediante el uso del Real Time Execution Trace Toolkit, se comprobó, de forma sencilla y rápida, el cumplimiento de los requisitos temporales del sistema. De igual modo, el uso de DIADEM permitió evaluar de forma gráfica los datos adquiridos en las simulaciones de carrera (Figura 3). Una vez superada la validación, el vehículo compitió en Formula Student Spain en el circuito de Montmeló, superando todas las pruebas y calificándose como mejor vehículo eléctrico español en la competición de la temporada 2012.
Conclusión
Basándose en una arquitectura CompactRIO, se ha desarrollado una unidad central de supervisión y control para un vehículo Formula Student eléctrico. El uso de este dispositivo ha supuesto una gran modularidad y flexibilidad en cuanto a la hora de comprobar diferentes configuraciones del vehículo eléctrico durante su desarrollo. Además, la programación mediante LabVIEW Real-Time aporta rapidez y facilidad en la depuración del código para las diferentes configuraciones.
Información del Autor: Sara Mata Equipo Formula Student Bizkaia, Universidad del País Vasco (UPV/ EHU) España
