Hochspannung garantiert - AutomobilKONSTRUKTION

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Hochspannung garantiert

Mit dem HIL-Simulator können Batteriemanagementsysteme automatisiert und reproduzierbar getestet werden
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In Hybrid- oder Elektrofahrzeugen sorgt das Batteriemanagementsystem dafür, die Hochvoltbatterie stets im optimalen Bereich zu betreiben. Dieser Artikel stellt Hardware-in-the-Loop (HIL)-Systeme zum Testen dieser sicherheitskritischen BMS vor.

Der Beitrag stammt von der Dspace GmbH, Paderborn

Batterien für Hybrid- oder Elektrofahrzeuge bestehen üblicherweise aus einzelnen Zellen mit einer Spannung von rund 4 V. Durch Reihenschaltung werden Spannungen über 600 V realisiert. Wesentliche Aufgabe des Batteriemanagementsystems (BMS) ist es, jede einzelne Zelle gegen Überladung, Tiefenentladung und Überhitzung zu schützen. Hierzu dient das Cell Balancing, das einen stets gleichen Ladezustand aller Zellen gewährleistet. Zusätzlich ermittelt das BMS die aktuelle Restkapazität der Batterie.
Aufbau und HIL-Test des BMS
Ein BMS gliedert sich in das eigentliche BMS-Steuergerät und die Zellmodule (ZM). Beide sind über einen galvanisch isolierten CAN-Bus miteinander verbunden. Das ZM ist sowohl für die Messung der Zellenspannungen als auch für die gezielte Entladung einzelner Zellen zuständig. Das übergeordnete BMS-Steuergerät sorgt dafür, dass stets die Zellen mit der höheren Spannung auf das Niveau der übrigen Zellen entladen werden.
Für den HIL-Test der BMS-Regelstrategie reicht es, das BMS-Steuergerät alleine zu testen. Die Zellmodule werden in diesem Fall mittels Restbussimulation über CAN simuliert.
Für den Test des gesamten Batteriemanagements muss mindestens ein ZM in das HIL-System eingebunden werden. Für den Closed-Loop-Betrieb sind sowohl ein echtzeitfähiges Batteriesimulationsmodell als auch ein Zellenspannungsemulator zur Ausgabe der analogen Klemmenspannung an das ZM erforderlich. Dspace stellt beides in Form des Multizellenmodells der Automotive Simulation Models (ASM) und des Batteriespannungsemulators EV1077 zur Verfügung.
Echtzeitfähige Multizellenbatteriemodelle
Ein Simulationsmodell für BMS-HIL-Tests muss einzelne Zellen ausreichend genau simulieren können, aber auch bei der Simulation mehrerer Zellen noch echtzeitfähig sein. Eine Einzelzelle kann durch die passende Ersatzschaltung simuliert werden. Eine Spannungsquelle repräsentiert die innere Zellspannung, während ein komplexes Impedanznetzwerk die Dynamik nachbildet. Dabei sind sämtliche Parameter der Ersatzschaltung abhängig vom Ladungszustand und der Temperatur, die von einem entsprechenden Modell berechnet werden.
Das neue Multizellenmodell besteht aus einem komplexen Einzelzellenmodell, um das grundsätzliche Verhalten des verwendeten Zellentyps zu beschreiben, und aus einem Deltamodell. Dieses berechnet die Abweichung der Zellenspannung jeder einzelnen Zelle von der Referenzspannung. Dafür können Kapazität, anfänglicher Ladungszustand und die Abweichung vom Referenzwert des Innenwiderstandes für jede Zelle vorgegeben werden. Dieser neue Modellansatz verringert die Rechenzeit im Vergleich zu einer Reihenschaltung aus 100 Einzelzellenmodellen auf einem Dspace-Echtzeitsystem um den Faktor zwölf.
Zellenspannungsemulation
Wie in der realen Batterie müssen die Zellenspannungen bei der Emulation ebenfalls in Reihe geschaltet werden, da die Messung der Zellenspannung im ZM jeweils nur über eine Leitung erfolgt. Deshalb besteht die Emula- tionshardware aus galvanisch isolierten Spannungsquellen im Bereich von 0 bis 6 V. Der relativ weite Bereich erlaubt die Emulation schadhafter Zellen, so zum beispiel kurzgeschlossener Zellen (0 V) oder von Zellen mit erhöhtem Innenwiderstand (höhere Spannung beim Laden). Li-Ionen-Zellen haben eine sehr flache Entladekennlinie. Die Spannungsmessung im Steuergerät erfolgt daher mit hoher Genauigkeit. Passend dazu können die Zellenspannungen mit einer Genauigkeit von etwa ±1,5 mV über den gesamten Arbeitstemperaturbereich emuliert werden. Diese Genauigkeit bleibt auch bei auftretenden Balancing-Strömen von einigen hundert mA erhalten. Die Zellenemulationshardware misst die auftretenden Balancing-Ströme und gibt sie an das Batteriemodell für eine korrekte Simulation des Ladezustands weiter.
Jeder Kanal kann maximal 1 A liefern und senken. Er ist damit für die üblichen Balancing-Ströme ausreichend dimensioniert. Für besondere Anforderungen können bis zu vier Module parallel geschaltet werden, wodurch ±4 A erreicht werden.
Bei schnellem Wechsel der Belastung einer Batterie verändert sich die Spannung an allen Zellen nahezu gleichzeitig. Daher müssen die einzelnen Zellen ihre Spannung innerhalb eines Modelltaktes ändern können. Das erfordert sowohl eine schnelle Übertragung der Sollwerte wie auch eine schnelle Ausregelung der Ausgangsspannung. Ein Sollwertsprung ist in weniger als 500 µs vollständig ausgeregelt. Sämtliche Zellmodule erhalten ihren neuen Sollwert in weniger als 1 ms.
HIL-Integration der Emulationseinheit
Der Datenaustausch zwischen Echtzeitprozessor und der Emulationshardware für die Zellenspannung erfolgt über eine genaue und schnelle LVDS-Schnittstelle. Mit dieser überträgt der Prozessor seine Spannungssollwerte für die einzelnen Zellen und liest die real gemessenen Balancing-Ströme zurück. Zusätzlich werden auch Steuerkommandos und Statusinformationen übermittelt.
Dspace;
Telefon: 05251 1638-0;
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