Batteriezellen-Simulator BCS-LABCAR Batteriesimulation für ...€¦ · Abbildung 4:...
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Test von Batteriemanagementsystemen
Die Effizienz, Zuverlässigkeit und Sicherheit
moderner Lithium-Ionen-Batterien für elek-
trische Antriebssysteme hängen in großem
Maße von ihrer elektronischen Steuerung,
dem Batteriemanagementsystem (BMS), ab.
Merkmale des ETAS BCS-LABCAR
Der ETAS Batteriezellen-Simulator
BCS-LABCAR (Battery Cell Simulator) ist Teil
des HiL-Testsystems für Batteriemanage-
mentsysteme (BMS-LABCAR). Mit dem
BCS-LABCAR können bis zu 200 Batteriezel-
len simuliert und somit sämtliche Kompo-
nenten eines Batteriemanagementsystems
auf Herz und Nieren geprüft werden. Zusam-
men mit seinem Partner comemso GMBH
hat ETAS diesen hochpräzisen BCS-LABCAR
entwickelt.
Genauigkeit des Systems
Wichtig für die Batteriezellensimulation ist
die genaue Darstellung des Batterieverhal-
tens. Mithilfe des Batteriezellen-Simulators
können Zellspannungen von 0 V sowie im
Bereich von 0,85 bis 8 V in unter 4 ms mit ei-
ner Genauigkeit von 0,5 mV pro Zelle gere-
gelt werden. Jede Batteriezelle verfügt über
eine elektronisch geregelte Last, die Balan-
cingströme (Ladungsausgleich zwischen Bat-
teriezellen) mit Strömen von 0 bis 2,5 A bei
einer Genauigkeit von ± 2 mA ermöglicht.
So können einzelne Ladungszustände präzise
simuliert werden. Die Genauigkeit der Batte-
riezellensimulation wird am elektrischen An-
schluss des zu testenden Batteriemanage-
ment-Systems für Kabelver bindungen bis zu
mehreren Metern Länge gewährleistet.
Durch Parallelschalten mehrerer Zellen (Dual-
oder Quad-Modus) des BCS-LABCAR ist die-
se Genauigkeit auch für Entladeströme bis
Auf einen Blick
Hochpräzise Batterie-
zellensimulation (Span-
nung und Strom)
Aktives und passives
Balancing der Batterie-
zellen
Hochgenaue Strom-
messung
Coulomb-Messung für die
Ladungsregelung
Integrierte Simulation
elektrischer Fehler für
jede Batteriezelle, inkl.
Verpolung
Kopplung mit einem
Batterie- und Fahrzeug-
modell als Gesamt-
fahrzeugsimulation am
LABCAR HiL-System
Parallelschaltung der
Batteriezellen für hohe
Ströme
Maximaler Nennstrom
bis 3 A bei geregelter
Spannung
Batteriezellen-Simulator BCS-LABCARBatteriesimulation für Laboranwendungen
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Abbildung 1: Desktop-System mit
24 Zellen für kleine Testumgebungen
Abbildung 2: Break-Out Box mit isolier-
tem Bananensteckern und geschirmten
Kabeln
Aktives Balancing bei hohen Strömen
12 A und Ladeströme bis 10 A für die ein-
zelne Batteriezelle gewährleistet.
Zusätzlich bietet jeder Zellenausgang ein
hochpräzises Strommesssystem mit einer
Abweichung von ±10 μA. Dank dieser ein-
zigartigen Eigenschaft kann der
BCS-LABCAR sowohl Balancing-Ströme
für Ladungsausgleich messen als auch
Leckströme einzelner Batteriezellen (La-
dungsverluste) detektieren. So kann die
Zellentladung durch BMS bei aktivem und
passivem Betriebszustand analysiert wer-
den. Mit der integrierten Couloumb-Mes-
sung der einzelnen Batteriezellen können
Balancing-Vorgänge mit einer Genauigkeit
von 2 • 10-7 Coulomb (As) gemessen wer-den.
Da die genaue Steuerung von Spannung
und Stromstärke für das Batteriemanage-
ment von Lithium-Ionen-Zellen sehr wich-
tig ist, wird für den BCS-LABCAR ein Kali-
brierungsservice angeboten. Darüber
hinaus kann das System einfach vom Nut-
zer justiert werden.
Temperatursimulation
Die Temperaturüberwachung und -steue-
rung durch das BMS ist von großer Bedeu-
tung, deshalb wird für die Entwicklung, Va-
lidierung und Erprobung seiner
Kontrollalgorithmen eine hochpräzise elek-
trische Temperatursimulation benötigt. Die-
se wird mittels eines NTC-/PTC-Simulations-
boards umgesetzt, mit dem sich
charakteristische Kennlinien von NTC-/PTC-
Widerständen mit Werten von 0 bis
8 MΩ bei einer Genauigkeit von 1 Ω simu-lieren lassen. Darüber hinaus sind andere
Widerstandsbereiche mit noch höheren
Auflösungen verfügbar.
Dieses Gerät dient in erster Linie der Simu-
lation von Temperatursensoren in Batteri-
en von Elektrofahrzeugen und ist daher
für Spannungen bis 1 kV ausgelegt
Fehlersimulation
Jede Batteriezelle verfügt über eine Feh-
lersimulation für Kurzschluss, Kabelbruch
und Verpolung. Darüber hinaus kann mit
der Fehlersimulation ein externe Span-
nung in jede Batteriezelle eingespeist wer-
den, zum Beispiel von Klemme 30 oder 31
(KL30/KL31).
Aktives Balancing bei hohen Strömen
Aufgrund der vom Batteriemanagement-
system (BMS) erzeugten Balancing-Ströme
(Ladungsausgleich) wird in der elektronisch
geregelten Last Energie gespeichert, die zu
Temperaturschwankungen in BCS-LABCAR
führt. Der BCS-LABCAR-Controller gleicht
diesen thermischen Effekt aktiv aus und
die regelt am BMS-Anschluss die genaue
Spannung ein. So ist sichergestellt, dass in
allen Temperaturbereichen dieselbe Ge-
nauigkeit erreicht wird. Diese Genauigkeit
ist die Voraussetzung für realitätsnahe, re-
produzierbare Tests.
Simulationsmodelle
Im Zuge der BMS-Entwicklung müssen
verschiedene Funktions- und Validierungs-
tests absolviert werden. Dies erfordert
eine zuverlässige und reproduzierbare
Simulation von Lithium-Ionen-Batterien
auf Basis ihrer kleinsten Einheit, der Batte-
riezelle.
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Abbildung 4: 96-Zellen-System in einem
Rack mit einer Normgröße von 33 HE
(Höheneinheiten) im 19-Zoll-Format mit
Simulation von 96 Batteriezellen,
24-Kanal-Temperatursensorsimulation
und RTPC für aufwendige Tests
Abbildung 3: Funktionsübersicht der Zellensimulation
Steuergerät
Niederspannungs-bereich
Simulation von Temperatursensoren
Bereich: 0 Ω ...8 MΩAuflösung: 1 Ω Genauigkeit: +/-25ppm / °C
Spannungsbereich: 0.85...8 VNennstrom: 0...3 A ** (0...6 A, 0...12 A)Genauigkeit: ± 0,5 mVWelligkeit: ±2 mV (fg = 5 kHz)Sprungantwort 1 V�4 V: 4 msSprungantwort 4 V�1 V: 1..10 ms (lastabhängig)Kurzschlussfest
Interne Spannungsquelle pro Zelle
Nennstrom: 0...2 A** (0...5 A, 0...10 A)Genauigkeit: ±2 mAKurzschlussfest
Interne elektronische Last pro Zelle
Emulation von bis zu 200 Zellen
KabelbruchKurzschlussVerpolungExterne Spannungsversorgung (U1; z.B., KL30, KL31)
Simulation elektrischer Fehler pro Zelle
...
Bereich: ±3 AGenauigkeit zwischen -3 A ... +2 A: ±2 µA zwischen +2 A ... 3 A: besser als 0,4%
Messung pro ZelleA
V
Bereich: ±10 mAGenauigkeit: ±10 µA
Messung pro ZelleA
Bereich: ±3 A • 50 msAuflösung: 1 mA • 100 µsGenauigkeit: ±2 • 10-7 As
Coulomb-Messung pro ZelleC
**DUAL-/QUAD-Modus
Hochspannungsbereich bis 1.000 V
+
-
CAN-Bus
-
ETA
S-PG
A/M
KC2_
AKO
/07_
2016
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www.etas.com
Technische Daten
Bestellinformation
Merkmal Eigenschaft Genauigkeit
Bereich der Zellversorgung
auf CAN
0 V, 0,85 V...8 V, bis zu 3 A
(6 A Dual Mode, 12 A Quad Mode)
Genauigkeit ±0,5 mV,
Auflösung 250 μV
Elektrische Last auf CAN 0 A … 2,5 A, (5 A, 10 A) pro Zelle Genauigkeit ±2 μA,
Auflösung 100 μA
Strommessung ±10 μA im Bereich