"CompactRIO a fourni une grande modularité et flexibilité pour tester différentes configurations du véhicule électrique au cours de son développement."
Le défi:
Développer une unité centrale de surveillance et de contrôle flexible, robuste et en temps réel pour un véhicule électrique Formula Student, qui respecte les normes de sécurité SAE exigeantes et gère de manière optimale le système de traction et de stockage d'énergie.
La solution:
Utilisez LabVIEW Real-Time et LabVIEW FPGA sur une plate-forme CompactRIO pour implémenter et développer l'unité centrale de contrôle électronique, garantissant une gestion robuste, rapide et sûre des systèmes critiques du véhicule, et offrant la flexibilité nécessaire à l'inclusion de nouvelles fonctionnalités.
Introduction
Les véhicules électriques sont considérés comme l'avenir de l'industrie automobile en raison de la nécessité d'un transport plus respectueux de l'environnement. Cependant, ces véhicules nécessitent des systèmes de surveillance et de contrôle plus complexes que ceux à combustion interne. Ces aspects impliquent la nécessité de développer de nouvelles méthodes de contrôle et de supervision, ainsi que des architectures temps réel pour garantir leur sécurité et leur efficacité. C'est pourquoi dans cette étude de cas, le développement et la mise en œuvre d'une unité de supervision et de contrôle pour un véhicule électrique sont présentés.
L'unité est conçue pour être utilisée dans une Formula Student électrique.
La Formula Student, considérée comme le prélude à la Formule 1, est un cadre d'innovation dans lequel les étudiants peuvent s'entraîner et rechercher de nouvelles technologies, la plus prédominante ces dernières années étant les véhicules électriques. L'équipe Formula Student Bizkaia de l'ETSI de Bilbao (UPV/EHU) (fsbizkaia.com) a rejoint cet engagement envers l'innovation en concevant sa première monoplace électrique de la saison 2012, la FSBe2012.
Formule Étudiant Électrique 2012 : FSBe2012
Le FSBe2012 est composé d'un système de traction basé sur un double moteur à courant continu, dont la puissance est gérée par deux pilotes indépendants qui obtiennent l'énergie d'une batterie LiFePo4 à 48 cellules. Afin de garantir une gestion et une supervision correctes, un système de contrôle centralisé est nécessaire, minimisant les coûts, l'espace et la complexité du système.
La conception proposée (Figure 1) se compose de plusieurs modules chargés de gérer les différents aspects du véhicule et tous supervisés et contrôlés au moyen de l'unité centrale de contrôle électronique (cECU) mise en œuvre au moyen d'un CompactRIO.
Les différents modules du véhicule communiquent avec le cECU à l'aide de quatre types de communication, sélectionnés en fonction des exigences de sécurité établies par la réglementation FSAE :
Communication CANOpen avec le BMS (Battery Management System) via la carte NI 9881 et la bibliothèque NI Industrial Communications for CANOpen.
Communication CAN avec les modules distants via la carte NI9862, en utilisant le FPGA du CompactRIO.
Communication RS232 avec le dispositif GPS et le dispositif de télémétrie via la carte NI 9870.
Entrées numériques et sorties à relais statiques via la carte NI 9423 et NI 9485 respectivement pour les signaux du circuit de sécurité et du tableau de bord (boutons poussoirs de démarrage et voyants d'état).
Unité centrale de contrôle électronique (cECU)
Le cECU est le cerveau du véhicule, exécutant le contrôle de supervision chargé de répondre aux exigences de sécurité, tout en permettant d'extraire les performances maximales du véhicule. En ce sens, l'utilisation de la plate-forme CompactRIO a permis d'obtenir une conception compacte, fiable et flexible en peu de temps.
Cinq fonctionnalités de base sont implémentées dans le cECU :
Surveillance de la batterie.
Gestion de la communication avec les modules déportés : accélérateur, vitesse...
Contrôle de traction.
Gestion des entrées/sorties directes du cECU, y compris les signaux de sécurité et du circuit de tableau de bord.
Journal de données et télémétrie du véhicule.
Afin de remplir correctement ces fonctionnalités, le système est géré par une machine à états implémentée via une architecture producteur-consommateur et utilisant des files d'attente LabVIEW Real Time FIFO RT. L'utilisation de cette structure LabVIEW classique permet de définir de manière univoque la situation du véhicule, garantissant la sécurité du pilote. Six états ont été définis : Arrêt, Démarrage, Prêt à fonctionner, En cours d'exécution, Erreur et Erreur de sécurité.
A chaque état de la machine d'état est associée une série de fonctionnalités qu'elle doit remplir, déjà introduites précédemment, et qui sont implémentées au travers de tâches. Ainsi, le gestionnaire de la machine d'état est chargé de réaliser l'activation, ou à défaut, la désactivation contrôlée, de la tâche correspondante (Figure 2). L'utilisation d'événements, de RT FIFOs et la paralysie simple offerte par LabVIEW permettent, de manière simple, de mettre en œuvre des méthodes pour assurer le déterminisme et la concurrence dans les tâches. Un élément fondamental dans la synchronisation des tâches est la table variable véhicule, mise en œuvre au moyen d'une variable globale partagée en exclusion mutuelle. Cela permet à certaines tâches de mettre à jour les données du tableau, tandis que d'autres utilisent ces données pour gérer le véhicule.
Les tâches mises en œuvre sont les suivantes :
BMS : surveille l'état des batteries grâce à la communication avec ce module.
I/O : gère les entrées et sorties numériques, les paquets de communication CAN ainsi que les paquets de communication RS232, de par leur nature. Ces signaux sont traités par le FPGA du CompactRIO, qui les analyse plus rapidement et en parallèle, réduisant ainsi le coût de calcul du CPU.
Traction Control : calcule la référence de couple des variateurs en fonction de la référence d'accélération de la pédale d'accélérateur.
Data log et télémétrie : gère à la fois l'envoi des données par radio et leur stockage. L'utilisation de fichiers TDMS simplifie grandement la saisie des données, en offrant des mécanismes simples qui garantissent l'exécution du contrôle de supervision en temps réel.
La validation
Afin de vérifier les avantages de la conception, une série de tests de vérification a été effectuée à la fois sur le véhicule électrique et sur le système de contrôle.
En utilisant le Real Time Execution Trace Toolkit, la conformité aux exigences de temps du système a été vérifiée facilement et rapidement. De même, l'utilisation de DIADEM a permis d'évaluer graphiquement les données acquises dans les simulations en cours (Figure 3). Une fois la validation passée, le véhicule a participé à la Formula Student Spain sur le circuit de Montmeló, passant tous les tests et se qualifiant comme le meilleur véhicule électrique espagnol de la compétition de la saison 2012.
Conclusion
Basé sur une architecture CompactRIO, une unité centrale de surveillance et de contrôle a été développée pour un véhicule électrique Formula Student. L'utilisation de ce dispositif s'est traduite par une grande modularité et flexibilité pour tester différentes configurations du véhicule électrique au cours de son développement. De plus, la programmation à l'aide de LabVIEW Real-Time permet de déboguer rapidement et facilement du code pour différentes configurations.
Informations sur l'auteur : Sara Mata Formula Student Bizkaia Team, Université du Pays basque (UPV/ EHU) Espagne
