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© Fraunhofer IFAM
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
Vorstellung des Prüffelds
Beispiel: Hardware in the Loop (HiL) - Batteriemodellierung
Herausforderungen und Fragen an die Messtechnik
Inhalt
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Hintergrund
Nachvollziehen und Vertiefen der Erfahrungen aus Feldversuchen
Sensor + Test 2012 - 22. Mai 2012, Nürnberg - Sonderforum "Elektromobilität"
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
Vorstellung des Prüffelds
Beispiel: Hardware in the Loop (HiL) - Batteriemodellierung
Herausforderungen und Fragen an die Messtechnik
Inhalt
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Vorstellung des Prüffelds
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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Vorstellung des Prüffelds
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
Vorstellung des Prüffelds
Energiespeicherprüfung
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Vorstellung des Prüffelds
Basis-Funktionen
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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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Vorstellung des Prüffelds
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
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Zusammenfassung
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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: Hardware in the Loop (HiL) - Batteriemodellierung
Herausforderungen und Fragen an die Messtechnik
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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
))
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MATLAB demos, m a tla bro o t/toolbox/physmod/simscape/simscapedemos/ssc_lead_acid_battery
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Beispiel: Batteriemodellierung
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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Beispiel: Batteriemodellierung
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
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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
Herausforderungen und Fragen an die Messtechnik
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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
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Fazit
Hoch komplexes Zusammenspiel und immer komplexer werdende Aufgaben und
Anforderungen für die künftige Messtechnik!
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Danke für die Aufmerksamkeit? - Fragen- ?
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Dipl.-Ing. Stanislav VasićAbteilung: Elektrische SystemeWiener Straße 1228359 BremenTel.: 0421-2246-105Email: [email protected]
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