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Batterieemulation

Sicherheit auf zwei Wegen

16. August 2017, 10:37 Uhr | Constantin Tomaras

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Effizienz als Prüftechniktrend

Können Sie etwas zur Effizienz Ihrer Lösung in gewöhnlichen Laboren sagen?

Mit der Keysight EV1003A Lösung können wir im europäischen Netz mindestens 85% der Nutzenergie zurückspeisen. Im Feldversuch gestaltete sich der Teststand sogar noch effektiver, allerdings tendieren wir eher zu einer konservativen Spezifikation - vor allem um auch regionale Netzunterschiede abzudecken.

Da ein erheblicher Anteil der operativen Kosten des Teststands auf die Kühlung entfallen würde (bei thermischer Abfuhr der gesamten Energie), haben wir die regenerative Performance optimiert.

Können Sie ein wenig das Gerätedesign skizzieren?

Letztendlich haben wir mit Leistungshalbleitern sehr viel Designaufwand in die Schaltungstechnik investiert und diese über mehrere Wochen / Monate hinweg optimiert. Im iterativen Designprozess wurden die Technologiebausteine aufeinander abgestimmt und im Hinblick auf die Zielapplikation optimiert. Das generelle Prinzip unterscheidet sich nicht wesentlich von der Herangehensweise unserer Kunden, die an HEV/EV Lösungen arbeiten.

Welche Prüftechniktrends sehen Sie in der Elektromobilität?

Neben dem reinen elektrischen Antriebsstrang ist auch die Rückgewinnung der Bremsenergie von großem Interesse. Da diese vermehrt mit 48-Volt-Systemen umgesetzt wird, finden wir auch dort ein Leistungselektroniksystem. Die 12-Volt-Technologie wird bei der Bremskraftrückgewinnung an den Rand gedrängt, da sie zu wenig Bremsenergie in die Batterie zurückführt.

Neben steigenden Spannungen bei Hochvolt-Komponenten, die jenseits von 300 Volt operieren werden, gibt es auch eine Reihe von Testnotwendigkeiten im Niedrigvolt-Bereich.

Dort adressieren AC/DC-Ladegeräte Batterien von 12 V bis 60 V und das Gegenstück bildet ein on-board-Ladegerät im Elektroauto, das die korrekte HV-Ladung gewährleistet – somit ist beispielsweise auch ein DC/DC-Wandler von 300 V auf 12 V Gegenstand von Messaufgaben.

Alles in allem gibt es immer mehr Hochleistungskomponenten, die mit deutlich höheren Kapazitäten umgehen müssen; deren Abstimmung und Optimierung wird letztlich performancekritisch sein.

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Was zeichnet Ihre bidirektionale Quelle aus?

Zwischen Batterie-Charakterisierung und -Emulation besteht ein erheblicher Anspruchsunterschied: Beim Charakterisieren wird im Wesentlichen mit konstantem Strom oder konstanter Spannung geladen und entladen. Dies sind langsame Vorgänge. Die Emulation einer Batterie ist wesentlich anspruchsvoller, da Batterien unmittelbar auf Lastwechsel reagieren.

Zur Emulation einer Batterie muss ein System deshalb eine möglichst schnelle Transientenantwort und kurze Anstiegs- und Abfallzeiten besitzen. Unser System ist mit einem Transienten-Ausregelverhalten von unter 500 µs sowie Anstiegs- und Abfallzeiten bis zu 400 kV/s bzw. 3,2 kA/s besonders schnell.

Für Powertrain-Tests an Elektrofahrzeugen werden aktuell Testsysteme benötigt, die Leistungen von 180 kW und mehr generieren und aufnehmen können. Wesentlich ist dabei der regenerative Teil - Im Lastbetrieb sind das 180 kW, einfaches Wegkühlen bedeutete enorme Energiekosten.

Neben einem eingebauten Arbiträrgenerator verfügt das System über einen integrierten Digitizer mit 5 µs Zeitauflösung, die Messfunktionalität eines 6,5-stelligen Multimeters und einen speziellen Chip für genaue Ah- bzw. Wh-Messungen. Durch diese Hardwareeigenschaften lässt sich das System per Software in einen hervorragenden Batterieemulator verwandeln.

Hierfür werden die Leerlaufspannung und der Innenwiderstand einer realen Batterie bei verschiedenen Temperaturen als Funktion des Ladezustands charakterisiert.

In der Software gibt der Benutzer dann einen Start-Ladezustand sowie einige weitere Parameter vor und das System nutzt die aus der Charakterisierung gewonnenen Daten, um die Hardware dynamisch als Batterieemulator zu steuern.

Batterieemulation ist im EV-Bereich ein hochaktuelles Thema. Während Bleisäure-Batterien relativ harmlos sind, enthalten Lithium-Ionen-Batterien leicht entzündliche und explosive Stoffe. Beim Test von Ladesystemen und DC/DC-Konvertern müssen auch kritische Temperaturen und Ladezustände betrachtet werden.

Für diese Zustände ist die Emulation einer Batterie deutlich sicherer als die Verwendung einer realen Batterie.