sensor + test 2012

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Sensor + Test 2012 - 22. Mai 2012, Nürnberg

Sonderforum „Elektromobilität“

Test- und Simulationsfeld für denelektrischen Antriebsstrang

» Prüfe n - Te s te n - Be we rte n - O p tim ie re n «

Fraunhofer IFAM Dip l. -Ing . Sta nis la v Va s i , Étie nne Le ducć

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Hintergrund

Vorstellung des Prüffelds

Beispiel: Hardware in the Loop (HiL) - Batteriemodellierung

Herausforderungen und Fragen an die Messtechnik

Inhalt

Sensor + Test 2012 - 22. Mai 2012, Nürnberg - Sonderforum "Elektromobilität"

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Hintergrund




Inhalt


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Hintergrund

Nachvollziehen und Vertiefen der Erfahrungen aus Feldversuchen


ca. 100 E-Fahrzeuge (BEV) insgesamt auf den Straßen der Modellregion Bremen-Oldenburg (u.a. 75 PKW / NKW)

Fahrzeuge bei verschiedenen Akteuren im Einsatz• Kommerzielle Nutzer (Einbindung von BEV in bestehende

Flotten)• Private Nutzer (privates Car-Sharing mit BEV)

Nahezu alle Fahrzeuge liefern In-Time Daten durch direkte Anbindung von Datenerfassungstechnologien an den Fahrzeugdatenbus (CAN) (elektrische, mechanische, thermische Daten des Fahrzeugverhaltens)

Persönliche Erfahrungsberichte der Nutzer (Fragebögen, Interviews…)

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Modellierung von Energiespeichern:

am Beispiel von Batteriesystemen

Mathematische Beschreibung des transienten BatterieverhaltensModellierung der sich in Abhängigkeit einer Stromlast (z. B. Moment ~ Motorstrom) ergebenden BatteriespannungModellierung von DegradationsmechanismenBestimmung des SOC als f(x)

Optimierung, Verifikation und Applikation von Energiespeichermodellen

Hintergrund

MATLAB/Simulink

MotorIMAX

UBAT

IDC

Fahrzykl.

Prüffeld


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Hintergrund (mittel-/langfristig)

Optimierung, Verifikation und Applikation von Gesamtmodellen

Komponenten-modelle

Fahrzeug-modell

Gesamt-fahrzeugmodell

1.) Abgleich der Modelle mit realem Fahrzeugverhalten2.) Applikation der Modelle auf Simulationsprüffeld

Vorhersage Fahrzeugverhalten

Zahl aufwändiger Fahrzeugtests verringern Entwicklungszeiten und -kosten verringern


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Hintergrund




Inhalt


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2 gleiche PrüfsträngePsum= 100 kWMmax= 500 Nm bis 2500 / minnmax= 8000 / min (Mrest= 156 Nm)Prüfung eines oder zweiergleicher Motoren (Wasserkühlung mgl.)

1

1

3

3SchallschutzeinhausungPersonen- und Schallschutz Temperaturkompensation

4

4Testcontainer (extern)Temperaturbereich -40 … +140°CEUCAR Hazard level 7

Prüffeldlayout

DC-QuellePmax= 120 kWU= 10…1000 VI= +/- 600 A

2

2 Simulator(z.B. Batterie)


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Motorprüfung - Fahrzyklussimulation


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Temperaturkammer- T= -40 °C … +140 °C- Ständige N2-Inertisierung- Überdruckgeschützt- Max. 500 kg Systemmasse

Testcontainer- ext. Sicherheitsbereich- F90-Brandschutzwände- ausgelegt nach EUCAR 7


Energiespeicherprüfung


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Basis-Funktionen


Energiespeicher speist Motor

Motor speist an Energiespeicher zurück

Last speist ins Netz zurück

Fahrzyklensimulation Motorprüfung

Simulator speist Motor

Motor speist an Simulator zurück

Simulator speist ins Netz zurück

Definierter Ausgangszustand (bzgl. Ladung/Temperatur)

Energiespeicher speist an Simulator zurück

Simulator speist ins Netz zurück

Energiespeicherprüfung

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Restbussimulation

(Sicherheits-) Botschaften an Motor (z.B. Tür geschlossen) fehlen Botschaften an / von Komponenten werden per CANbus übermittelt Simulation von CAN-Botschaften (z. B.) zur Sicherheitsüberbrückung

Hardware in the Loop (HiL)

Echtzeitsimulation: zeitsynchrone Verwertung der Messdaten Einfluss nicht vorhandener Komponenten kann simuliert werden Simulation durch MATLAB-Simulink-RealtimeWorkshop-xPCtarget

Weitere Funktionen


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MotorprüfungSimultane Prüfung 2er MotorenEnergierückgewinnungFeldbuskompatibel (CAN, CANopen, FLEXRay)TemperaturkompensationEchtzeitfähigkeit für HiL-Versuche


Zusammenfassung


EnergiespeicherprüfungEUCAR Hazard Level 7 (ext. Testcontainer)Definierte Zyklierung (Lade-/ Entladezyklen)Temperaturbeaufschlagung: -40 … +140 °CEnergieversorgung der Motoren durch

• reales Energiespeichersystem oder • Energiespeichersimulator (progr. DC-Quelle)

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Beispiel: Batteriemodellierung

Aufbau eines Pb-Säure-Modells (67 V, 130 Ah) in Simulink – Übersicht Zelle

1

1Hauptzweig: Klemmenspannung nach chemischen Gegebenheiten (z. B. Pb-Säure)

2

2Anlaufverhalten: reaktionsträges Verhalten bei schneller Änderung der Anforderungen

3

3Thermischer Zweig: z. B. Elektrolyttemperatur jeder Zelle

4

4 Störzweig: Energieverluste beim Aufladen

Aufbau gilt prinzipiell für Aufbau gilt prinzipiell für jedejede Batteriechemie Batteriechemie

(„nur“ anderes („nur“ anderes ParameterverhaltenParameterverhalten

))


MATLAB demos, m a tla bro o t/toolbox/physmod/simscape/simscapedemos/ssc_lead_acid_battery

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Aufbau eines Pb-Säure-Modells (Unenn= 67 V, C= 130 Ah) in Simulink - Pack

Modellaufbau:

5 (S) Module (à 13,3 V Unenn) mit je 6 Zellen

(z. B. normalverteilte) Zellspannungen zurAbbildung von Zellvariationen sind möglich

Zellspannungen bei jedem Modellierungsstart neu

Experimentelle Eingabedaten:

Entladekurven von 5 (S) x 12 V, 130 Ah Pb-Säure-Batterien

Entladekurven bei 25 °C mit C/2 (65 A) und C/1 (130 A)

Übergabe der gemessenen Stromverläufe an Modell


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Ergebnisse des Pb-Säure-Modells (67 V, 130 Ah) in Simulink - Entladekurven

Ergebnis:Ergebnis: nach Fit experimenteller nach Fit experimenteller Parameter (z. B. Parameter (z. B. Innenwiderstand) Innenwiderstand) Fehler Fehler Experiment / Simulation < 1 %Experiment / Simulation < 1 %

Problem:Problem: Einmalige Durchführung Einmalige Durchführung Parameterfit für Parameterfit für jedejede betrachtete Temperatur, betrachtete Temperatur, jedejede Lade-/Entladerate, Lade-/Entladerate, jedejede BatteriechemieBatteriechemie


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Beispiel: Batteriemodellierung - HiL


Simulationsmodell der zu modellierenden Komponenten(z.B. in MATLAB) Modellschnittstelle zu

Targetcomputer(z.B. xPC-Target zu conga embedded

Computer)Echtzeitfähiges Messsystem

(z.B. imc Cronos-PL)

Prüfling(e)(z.B. Motoren…)

Rückwirkung (z.B. I, U, T, SoC…)

Nicht-vorhandene Komponenten und deren Wirkungen sind modellierbar

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Ko m p le x e s Zusammenspiel aus konkurrierender e m p findliche r und ro bus te r Messtechnik sowie Kunde na nfo rd e rung e n



Und trotzdem Kundenforderung nach…Und trotzdem Kundenforderung nach…

•geringer Störanfälligkeit (Rauschen)•Echtzeitfähigkeit (HiL)•Abdeckung des gesamten Messbereiches•geringer Wartungsanfälligkeit•hoher Bedienerfreundlichkeit•geringen Investitionskosten

Empfindlich (z.B.):Empfindlich (z.B.):

•Thermoelemente (µV)•Drehmomente (mA, mV)•Hoch dynamisch (ms)•Frequenzüberlagerung•Temperaturüberlagerung

Robust (z.B.):Robust (z.B.):

•Spannungen (bis 1000 V)•Ströme (bis 600 A)•Leistungen (bis 100 kW)•Hoch dynamisch tlw. mit Frequenzüberlagerung•Temperaturüberlagerung

z.B.

Stö

rung

(EM

V) Beeinflussung

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Beispiel: Batteriemodellierung - HiL


Fazit

Hoch komplexes Zusammenspiel und immer komplexer werdende Aufgaben und

Anforderungen für die künftige Messtechnik!

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Dipl.-Ing. Stanislav VasićAbteilung: Elektrische SystemeWiener Straße 1228359 BremenTel.: 0421-2246-105Email: [email protected]


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