Keine Batterie? Lassen Sie uns trotzdem ein paar Tests durchführen. Die Rolle eines Batterieemulators beim Testen von Elektrofahrzeugen

Die Verwendung echter Batterien erfordert zeitaufwändige Prozesse wie Laden, Entladen und Ruhenlassen der Batterie, um sie auf einen für die Prüfung geeigneten Ladestand (state of charge, SOC) zu bringen. Bei der Batterieemulation werden all diese Vorbereitungen erheblich reduziert, da der Batterieemulator sofort die benötigten realistischen Batterieeigenschaften liefert, was den Ingenieuren hilft, sich auf die Prüfung und nicht auf Nuancen des Batterieverhaltens zu konzentrieren.

​Abbildung 1: Ergebnisse von Kunden zeigen, dass sich die Gesamttestzeit um 70 % verkürzt, wenn echte Batterien durch einen NHR-Batterieemulator ersetzt werden.

Um dies zu demonstrieren, stellte NH Research (NHR) Daten aus einem realen Szenario zusammen, in dem neun Tests mit einer echten Batterie durchgeführt wurden, und verglich sie mit den Ergebnissen derselben Tests mit dem Batterieemulator von NHR. Der Batterieemulator zeigte eine 70%ige Verringerung der Testzeit (siehe Abbildung 1), die hauptsächlich aus den Leerlauf- und Ruhezeiten resultierte.

Batterien sind Hochspannungs- und Hochenergiegeräte, die im Falle eines Ausfalls ein hohes Risiko darstellen. Bei allen damit verbundenen Tests geht es daher nicht nur darum, die ordnungsgemäße Funktion, sondern auch den sicheren Ausfall zu gewährleisten. Risiken wie Kontakt mit gefährlichen Gasen oder ätzenden Stoffen, Brand oder Explosion haben EV-Unternehmen dazu veranlasst, Sicherheitsrichtlinien zu erstellen, in denen festgelegt ist, wie und wann Tests mit echten Batterien durchgeführt werden können, wobei die Testzeit in der Regel auf die Arbeitszeiten beschränkt ist. Die Verwendung eines Batterieemulators birgt diese Risiken nicht und bietet eine Möglichkeit, die Tests ohne diese Bedenken und Einschränkungen voranzutreiben.

Sicherheitsüberlegungen beim Testen von Elektrofahrzeugbatterien

Wenn sich eine Batterie abnutzt, ändert sich ihr Verhalten unweigerlich aufgrund von Lade-/Entladezyklen oder einfach aufgrund der Alterung. Darüber hinaus erfordern Batterien ein umfangreiches Umweltmanagement, wie z. B. Kühlmittelsysteme und Temperaturänderungen, um ordnungsgemäß zu funktionieren. Aus diesem Grund ist die Leistungsabgabe echter Batterien nicht ausreichend wiederholbar, um weitere Komponenten gründlich zu testen. Um diese Bedingungen realistisch, aber wiederholbar zu erfüllen, modellieren Batterieemulatoren echte Batterien als bidirektionale Spannungsquelle mit einem Serienwiderstand (siehe Abbildung 2). Auf diese Weise kann jede Batterie in jedem SOC simuliert werden, was wiederholbare und genaue Ergebnisse liefert.

^{Abbildung 2: Äquivalentes Modell einer Batterie}

​Batterieemulatoren müssen so konzipiert sein, dass sie eine Ausgabe erzeugen, die wirklich jeden SOC einer Batterie repräsentiert, indem sie diesem äquivalenten Modell folgen. In diesem „Batterieemulationsmodus“ passt der Emulator die Klemmenspannung (V_batt) automatisch an, indem er den zu- und abfließenden Strom misst und daraus die Spannung berechnet, die erforderlich ist (V_ocv), um wie bei einer Batterie unabhängig vom Stromfluss die gewünschte Leistung an der Klemme konstant aufrechtzuerhalten.

Bei der Auswahl eines Batterieemulators sollten Sie Folgendes beachten.

Anpassbarkeit

​Um eine beliebige Batterie zu modellieren und an die Testanforderungen anzupassen, müssen die Spannungs- und Widerstandswerte sowie das Verhalten des äquivalenten Batteriemodells programmierbar sein. Abgesehen von der Einstellung der gewünschten Spannung kann zum Beispiel die Möglichkeit, die Spannung mit langsamen Raten zu verändern, die erwartete Spannungsänderung beim Laden oder Entladen einer Batterie emulieren. Abbildung 3 zeigt diesen Effekt des programmierbaren Serienwiderstands, wenn er mehreren Entladeimpulsen ausgesetzt ist. Da die Spannungsänderung bei einem programmierbaren Serienwiderstandsmodell proportional zum Strom ist, können Ingenieure ein Gerät so testen, als ob es an eine neue (niedriger Widerstand) oder eine alte (höherer Widerstand) Batterie angeschlossen wäre. Dieser Ansatz ermöglicht eine schnellere, einheitliche und sichere Prüfung.

^{Abbildung 3: Simulation der Batterie eines Elektrofahrzeugs mit einem Serienwiderstandsmodell}

​Geringe Kapazität

Abgesehen von der Programmierbarkeit des Widerstands muss ein Batterieemulator eine geringe Ausgangskapazität haben, um die Auswirkungen des Widerstands bei Stromänderungen genau zu emulieren. Dies ist ein wichtiger Unterschied zu bidirektionalen Stromversorgungen, die in der Regel eine hohe Ausgangskapazität haben, um das Rauschen zu reduzieren.

Abbildung 4 zeigt einen Vergleich zwischen einer echten und einer emulierten Batterie. Die Eigenschaften der emulierten Batterie stimmen zum Teil wegen der geringen Ausgangskapazität genau mit den Eigenschaften der realen Batterie überein.

^{Abbildung 4: Echte Batterie (links) im Vergleich zum Batterieemulator von NHR (rechts)}

​Skalierbarkeit durch Software

Zusätzlich zu der geringen Kapazität und der Programmierbarkeit des Batterieemulators erwarten die Prüfingenieure für Elektrofahrzeuge, dass die Batterieemulatoren die folgenden Eigenschaften aufweisen:

• ​Bidirektionale, isolierte Anschlüsse, die EMF-Rückwirkungen sicher handhaben
• ​Modularität, um die Leistung zu erhöhen und die sich entwickelnden Testanforderungen zu erfüllen
• ​Schnelle Reaktionszeiten, um reale Bedingungen zu emulieren und die Testzeit zu verkürzen

​Die ganzheitliche Prüfung von EV-Antriebssträngen erfordert offene Konnektivität und flexible Prüfsoftware, um mehrere Prüfstationen zu verwalten, Mess- und Kommunikationskanäle hinzuzufügen oder in andere Prüfgeräte zu integrieren. Als Teil des NI-Portfolios lassen sich die Batterieemulatoren von NHR nahtlos in die Prüfsoftware von NI, einschließlich VeriStand und TestStand, sowie in Daten- und Asset-Management-Tools wie die SystemLink™-Software integrieren. Prüfingenieure für Elektrofahrzeuge profitieren von der verlustfreien Datenprotokollierung, der automatisierten Berichterstellung, den integrierten Workflows und den Analysemöglichkeiten über den gesamten Lebenszyklus von NI, was sich in geringeren Gesamtkosten für Prüfungen, einer kürzeren Markteinführungszeit und einer höheren Produktleistung niederschlägt.

Wahl zwischen bidirektionalen Netzteilen und Batterieemulatoren für die Batteriesimulation

Bei der Entscheidung zwischen einer bidirektionalen Stromversorgung und einem Batterieemulator für die Batteriesimulation sind wichtige Überlegungen zu berücksichtigen. Die Auswahl der falschen Geräte kann Projekte verzögern, die Sicherheitsrisiken erhöhen und die Produktivität beeinträchtigen. Die Verwendung einer bidirektionalen Gleichstromversorgung für die Batteriesimulation kann viele Einschränkungen in der Funktionalität aufweisen, da sie als herkömmliche Netzversorgung und nicht für die Simulation einer Batterie konzipiert ist.

Fortgeschrittenere Batterieemulatoren wie der Tester und Emulator für Mittel- und Hochspannungs-DC-Batteriepacks von NI ermöglichen eine reale Simulation der Batterieeigenschaften durch die Modellierung des Reihenwiderstands der Batteriepacks (RINT). Das RINT-Modell bietet eine Simulation des internen chemischen Widerstands der Batterie sowie zusätzlicher Batteriepackwiderstände, die durch interne Verbindungen, Kontakte und Sicherheitskomponenten erzeugt werden. Das RINT-Modell kann mit einer echten bidirektionalen Quelle und einem programmierbaren Reihenwiderstand implementiert werden.

Wie bei einer echten Batterie passen die Batterieemulatoren von NI die Ausgangsspannung in Abhängigkeit von Richtung und Amplitude des Stromflusses an. Diese automatische Anpassung der Ausgangsspannung simuliert die Eigenschaften realer Batteriepacks besser, insbesondere im Vergleich zu herkömmlichen DC-Bus- und Quelle/Last-Simulationssystemen.

Batterieemulatoren von NI bieten gegenüber herkömmlichen bidirektionalen Netzteilen die folgenden Vorteile:

• Reihenwiderstand — Ein Hauptmerkmal der Batteriesimulation ist ein integrierter programmierbarer Reihenwiderstand mit niedriger Kapazität. NI-Batterieemulatoren verfügen über einen programmierbaren Reihenwiderstand, der im Gegensatz zur Software in die Hardware integriert ist, um genaue Tests unter realen Bedingungen zu gewährleisten. Wie bei einer echten Batterie passen NI-Batterieemulatoren die Ausgangsspannung in Abhängigkeit von Richtung und Amplitude des Stromflusses an.
• Niedrige Ausgangskapazität — Batterieemulatoren mit niedriger Ausgangskapazität bieten eine genaue Simulation der Reihenwiderstandseffekte, sodass sich die Ausgangsspannung proportional an Stromänderungen anpassen kann. Im Vergleich dazu haben viele regenerative Netzteile eine hohe Ausgangskapazität, um das ausgegebene Rauschen zu reduzieren. Dies macht jedoch die Reihenwiderstandsfunktion zunichte und kann neben langsameren Reaktionsraten auch zu einer ungenauen Batteriesimulation führen. NI-Batterieemulatoren verfügen über eine geringe Ausgangskapazität, sodass sich Sollwerte schnell ändern können, um reale Bedingungen genau zu emulieren.
• Sicherheit — Netzteile erfordern in der Regel Zusatzpakete für Sicherheitsschütze und verfügen nicht über zusätzliche Sicherheitsfunktionen wie Verriegelungen, Not-Aus-Schalter usw. Das Hinzufügen dieser Komponenten ist zeitaufwändig und erschwert den Testaufbau erheblich, was zu Verzögerungen und zusätzlichen Arbeitskosten führt. NI-Batterieemulatoren verfügen über alle diese Funktionen sowie mehrere integrierte Sicherheitsebenen.
• Festgelegte Genauigkeit — Netzteile geben in der Regel nur die Last-/Leitungsregelung an (in welchem Ausmaß sich ein Ausgang unter verschiedenen Leitungs-/Lastbedingungen ändern kann), berücksichtigen jedoch nicht die festgelegte Genauigkeit oder den gewünschten Ausgang. NI dokumentiert eindeutig die empirische Regelgenauigkeit für alle Bedingungen, einschließlich Last/Leitung und fehlerhafte Abweichungen vom gewünschten Wert.
• Messgenauigkeit — Netzteile sind Allzweckprodukte, und batteriespezifische Messungen wie Ahr oder kWhr werden oft der Software des Benutzers überlassen, um sie nachzuverfolgen und zu bestimmen. NI-Batterieemulatoren führen präzise Batterietestmessungen direkt in der Hardware durch, wodurch die Programmierung einfacher und effektiver wird.
• Festlegen von Methoden und Steuerung — Das Testen von Netzteilen erfordert eine aufwändige Softwareprogrammentwicklung. NI-Batterieemulatoren verfügen über Betriebsarten, die die Batterieemulation unterstützen, und unsere Softwarelösungen bieten sofort einsatzbereite Steuerungslösungen, um Integrationszeit und -aufwand zu beseitigen. 

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