Simulation: Test und Kalibrierung von Batteriemanagementsystemen

ETAS Inc. und Maplesoft haben ein Batteriezellen-Simulatorpaket für Hardware-in-the-Loop-Tests (HIL) vorgestellt, das bei Test und Kalibrierung von Batteriemanagementsystemen höchste Ansprüche erfüllt. Diese Lösung baut auf Maplesofts effizientem, hochdetaillierten MapleSim-Batteriemodell und dem hochpräzisen Batteriezellen-Simulator (BCS) BCS-LABCAR von ETAS auf.

Anbieter von Batteriemanagementsystemen (BMS) stehen bei Test, Validierung und Kalibrierung vor einer Reihe von Herausforderungen. Die Entwicklungszyklen werden immer kürzer und die Budgets für reale Prototypen sind beschränkt. Hochdetaillierte Batteriemodelle sind rechenaufwendig und daher nur schwer in Echtzeit auszuführen. Die Parametrierung verlangt viel Zeit und ein umfassendes Verständnis der Batteriezellen. Neben diesen Herausforderungen bietet die Hardware des Testsystems oft nicht die erforderliche Genauigkeit bei der Signalmessung, den Strombereich zum Lastausgleich oder die Dynamik zur Emulation der Zellen, um die Ergebnisse des hochdetaillierten Batteriemodells genau zu reproduzieren. Die Kombination aus ETAS-Hardware und Maplesoft Anlagenmodell geht diese Probleme an.

Hardware-in-the-Loop-System

Der ETAS Batteriezellen-Simulator (BCS-LABCAR) ist ein Hardware-in-the-Loop-System, speziell für Test, Validierung und Kalibrierung von Batteriemanagementsystemen (BMS) auf der Signalebene. BCS-LABCAR ist ein hochpräziser Batteriezellen-Simulator, mit dem sich das Verhalten einzelner Zellen und ganzer Batteriepacks unter einer Vielzahl schwieriger Betriebsbedingungen, z.B. Ladungsausgleich, Überladung, Tiefentladung oder Impulsbetrieb, emulieren lässt. Das System ist hochmodular und daher skalierbar, um einzelne Zellen und Batteriepacks mit bis zu 200 Zellen zu emulieren. Das System umfasst außerdem ein Echtzeit-Simulationstarget (ETAS LABCAR-RTPC), mit dem sich Batteriemodelle von Drittanbietern – z.B. das MapleSim-Batteriemodell – leicht integrieren und in Echtzeit ausführen lassen.

Der BCS-LABCAR-Controller ermöglicht die aktive Kompensation beliebiger Temperaturschwankungen und steuert die Spannung am elektrischen Anschlusspunkt des BMS mit einer Genauigkeit von +/‑ 500 µV in einem Bereich von 0,01 bis 8,01 V pro Zelle. So ist die gleiche Präzision im gesamten Temperaturbereich gewährleistet – eine Grundbedingung für realistische und reproduzierbare Tests.

Modell mit Hilfe der Batterie-Bibliothek erzeugen

Das MapleSim-Batteriemodell kann mit Hilfe der MapleSim Batterie-Bibliothek aus einer Vielzahl verschiedener Zellenkonfigurationen und Technologien erzeugt werden. Die Komponenten der Bibliothek sind nach einer einzigartigen Methode zur rigorosen Diskretisierung entwickelt worden. Sie bilden die elektrochemischen Reaktionen in der Zelle nach, um zahlreiche Einzelheiten zu erfassen, die in anderen Modellen – gewöhnlich auf der Grundlage einer Ersatzschaltung – nicht verfügbar sind. Alle wichtigen Technologien (Li-Ionen- und NiMH-Varianten) werden abgedeckt und lassen sich anhand der Testdaten direkt kalibrieren, wobei das mitgelieferte Werkzeug zur Parameterabschätzung für eine noch höhere Genauigkeit sorgt. Dynamische Einflüsse, einschließlich Ladungserholung, Spannungsprofil und Ladezustand, werden mit höchstmöglicher Genauigkeit erfasst, wobei die Ausführungsgeschwindigkeit den Einsatz in Echtzeit erlaubt. Für thermische Studien berechnet das Modell außerdem den Energieverlust während der Lade/Entladezyklen. Dieser Verlust kann in das übrige System übernommen werden.

Nach der Konfigurierung in MapleSim kann das Zellen- oder Batteriemodell als optimierter Code exportiert und für HIL-Tests direkt in die Echtzeitplattform integriert werden. In diesem Beispiel wurde der Code nach dem neusten FMI-Standard (Functional Mockup Interface) erstellt, der jetzt auch von der LABCAR-RTPC-Plattform unterstützt wird.

„Unser übergreifendes Ziel bei der MapleSim Batterie-Bibliothek ist es, unseren Kunden die benötigte dynamische Genauigkeit zu bieten und gleichzeitig die Ausführung in Echtzeit zu ermöglichen“, erklärte hierzu Paul Goossens, VP Engineering Solutions bei Maplesoft. „Hierzu mussten die Modelle mit einem geeigneten Maß an Abstraktion zwischen einfachen Ersatzschaltungsmodellen und rechenintensiven CFD-basierten Modellen, bei denen keine Chance zur Ausführung in Echtzeit besteht, entwickelt werden. Unsere Modelle bauen auf jahrzehntelanger Forschung, führenden Techniken und unseren leistungsfähigen Technologien zur symbolischen Lösung von Problemen auf, um das richtige Verhältnis von Genauigkeit und Geschwindigkeit zu erreichen, wie wir es für die Arbeit mit ETAS benötigen.“

„Unser Ziel ist es, die Effizienz bei der Entwicklungsarbeit unserer Kunden immer weiter zu steigern. Dazu bieten wir ihnen Lösungen nach dem neusten Stand der Wissenschaft“, sagte Dr. Tobias Kreuzinger, Senior Manager bei ETAS Inc. „Die Kombination aus der hochpräzisen BCS-LABCAR-Umgebung und den äußerst schnellen und detaillierten MapleSim-Batteriemodellen eröffnet völlig neue und nie dagewesene Möglichkeiten bei Test und Kalibrierung von Batteriemanagementsystemen.“

 

Bild: Das neue Batteriezellen-Simulatorpaket von Maplesoft und ETAS erfüllt hohe Ansprüche bei Test und Kalibrierung von Batteriemanagementsystemen.

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