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Basis-Funktionen 
Fahrzyklensimulation Motorprüfung 
 Energiespeicher speist Motor 
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Weitere Funktionen 
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Zusammenfassung 
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Beispiel: Batteriemodellierung 
Aufbau eines Pb-Säure-Modells (67 V, 130 Ah) in Simulink – Übersicht Zelle 
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Aufbau eines Pb-Säure-Modells (Unenn= 67 V, C= 130 Ah) in Simulink - Pack 
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Ergebnisse des Pb-Säure-Modells (67 V, 130 Ah) in Simulink - Entladekurven 
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Nicht-vorhandene Komponenten und deren Wirkungen sind modellierbar 
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Herausforderungen und Fragen an die Messtechnik 
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Sensor + Test 2012

  1. 1. Sonderforum „Elektromobilität“ Sensor + Test 2012 - 22. Mai 2012, Nürnberg Fraunhofer IFAM Dip l. -Ing . Sta nis la v Va s ić, Étie nne Le duc Test- und Simulationsfeld für den elektrischen Antriebsstrang » Prüfe n - Te s te n - Be we rte n - Op tim ie re n « © Fraunhofer IFAM
  2. 2. Inhalt  Hintergrund  Vorstellung des Prüffelds  Beispiel: Hardware in the Loop (HiL) - Batteriemodellierung  Herausforderungen und Fragen an die Messtechnik © Fraunhofer IFAM Sensor + Test 2012 - 22. Mai 2012, Nürnberg - Sonderforum "Elektromobilität" Folie 2 / 22
  3. 3. Inhalt  Hintergrund  Vorstellung des Prüffelds  Beispiel: Hardware in the Loop (HiL) - Batteriemodellierung  Herausforderungen und Fragen an die Messtechnik © Fraunhofer IFAM Sensor + Test 2012 - 22. Mai 2012, Nürnberg - Sonderforum "Elektromobilität" Folie 3 / 22
  4. 4. Hintergrund Nachvollziehen und Vertiefen der Erfahrungen aus Feldversuchen © Fraunhofer IFAM  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…) Sensor + Test 2012 - 22. Mai 2012, Nürnberg - Sonderforum "Elektromobilität" Folie 4 / 22
  5. 5. Hintergrund Optimierung, Verifikation und Applikation von Energiespeichermodellen Modellierung von Energiespeichern: am Beispiel von Batteriesystemen Mathematische Beschreibung des transienten Batterieverhaltens Modellierung der sich in Abhängigkeit einer Stromlast (z. B. Moment ~ Motorstrom) ergebenden Batteriespannung Modellierung von Degradationsmechanismen Bestimmung des SOC als f(x) © Fraunhofer IFAM Fahrzykl. Motor IMAX UBAT IDC MATLAB/Simulink Prüffeld Sensor + Test 2012 - 22. Mai 2012, Nürnberg - Sonderforum "Elektromobilität" Folie 5 / 22
  6. 6. Hintergrund (mittel-/langfristig) Optimierung, Verifikation und Applikation von Gesamtmodellen © Fraunhofer IFAM Komponenten-modelle Fahrzeug-modell Gesamt-fahrzeugmodell 1.) Abgleich der Modelle mit realem Fahrzeugverhalten 2.) Applikation der Modelle auf Simulationsprüffeld Vorhersage Fahrzeugverhalten Zahl aufwändiger Fahrzeugtests verringern Entwicklungszeiten und -kosten verringern Sensor + Test 2012 - 22. Mai 2012, Nürnberg - Sonderforum "Elektromobilität" Folie 6 / 22
  7. 7. Inhalt  Hintergrund  Vorstellung des Prüffelds  Beispiel: Hardware in the Loop (HiL) - Batteriemodellierung  Herausforderungen und Fragen an die Messtechnik © Fraunhofer IFAM Sensor + Test 2012 - 22. Mai 2012, Nürnberg - Sonderforum "Elektromobilität" Folie 7 / 22
  8. 8. Vorstellung des Prüffelds © Fraunhofer IFAM 2 gleiche Prüfstränge Psum= 100 kW Mmax= 500 Nm bis 2500 / min nmax= 8000 / min (Mrest= 156 Nm) Prüfung eines oder zweier gleicher Motoren (Wasserkühlung mgl.) 1 1 3 3 Schallschutzeinhausung Personen- und Schallschutz Temperaturkompensation 4 4 Testcontainer (extern) Temperaturbereich -40 … +140°C EUCAR Hazard level 7 Prüffeldlayout DC-Quelle Pmax= 120 kW U= 10…1000 V I= +/- 600 A 2 2 Simulator (z.B. Batterie) Sensor + Test 2012 - 22. Mai 2012, Nürnberg - Sonderforum "Elektromobilität" Folie 8 / 22
  9. 9. Vorstellung des Prüffelds Motorprüfung - Fahrzyklussimulation © Fraunhofer IFAM Sensor + Test 2012 - 22. Mai 2012, Nürnberg - Sonderforum "Elektromobilität" Folie 9 / 22
  10. 10. © Fraunhofer IFAM 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 Sensor + Test 2012 - 22. Mai 2012, Nürnberg - Sonderforum "Elektromobilität" Folie 10 / 22
  11. 11. Vorstellung des Prüffelds Basis-Funktionen Fahrzyklensimulation Motorprüfung  Energiespeicher speist Motor  Motor speist an Energiespeicher zurück  Last speist ins Netz zurück © Fraunhofer IFAM  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 Sensor + Test 2012 - 22. Mai 2012, Nürnberg - Sonderforum "Elektromobilität" Energiespeicherprüfung Folie 11 / 22
  12. 12. Vorstellung des Prüffelds Weitere Funktionen 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 © Fraunhofer IFAM Sensor + Test 2012 - 22. Mai 2012, Nürnberg - Sonderforum "Elektromobilität" Folie 12 / 22
  13. 13. Vorstellung des Prüffelds Zusammenfassung Motorprüfung Simultane Prüfung 2er Motoren Energierückgewinnung Feldbuskompatibel (CAN, CANopen, FLEXRay) Temperaturkompensation Echtzeitfähigkeit für HiL-Versuche Energiespeicherprüfung EUCAR Hazard Level 7 (ext. Testcontainer) Definierte Zyklierung (Lade-/ Entladezyklen) Temperaturbeaufschlagung: -40 … +140 °C Energieversorgung der Motoren durch · reales Energiespeichersystem oder · Energiespeichersimulator (progr. DC-Quelle) © Fraunhofer IFAM Sensor + Test 2012 - 22. Mai 2012, Nürnberg - Sonderforum "Elektromobilität" Folie 13 / 22
  14. 14. Inhalt  Hintergrund  Vorstellung des Prüffelds  Beispiel: Hardware in the Loop (HiL) - Batteriemodellierung  Herausforderungen und Fragen an die Messtechnik © Fraunhofer IFAM Sensor + Test 2012 - 22. Mai 2012, Nürnberg - Sonderforum "Elektromobilität" Folie 14 / 22
  15. 15. Beispiel: Batteriemodellierung Aufbau eines Pb-Säure-Modells (67 V, 130 Ah) in Simulink – Übersicht Zelle MATLAB demos, m a tla bro o t/toolbox/physmod/simscape/simscapedemos/ssc_lead_acid_battery 3 1 1Hauptzweig: Klemmenspannung nach chemischen Gegebenheiten (z. B. Pb-Säure) © Fraunhofer IFAM 2 4 2Anlaufverhalten: reaktionsträges Verhalten bei schneller Änderung der Anforderungen 3Thermischer Zweig: z. B. Elektrolyttemperatur jeder Zelle 4 Störzweig: Energieverluste beim Aufladen Aufbau gilt pprriinnzziippiieellll ffüürr jjeeddee BBaatttteerriieecchheemmiiee ((„„nnuurr““ aannddeerreess PPaarraammeetteerrvveerrhhaalltteenn )) Sensor + Test 2012 - 22. Mai 2012, Nürnberg - Sonderforum "Elektromobilität" Folie 15 / 22
  16. 16. Beispiel: Batteriemodellierung Aufbau eines Pb-Säure-Modells (Unenn= 67 V, C= 130 Ah) in Simulink - Pack © Fraunhofer IFAM Modellaufbau: 5 (S) Module (à 13,3 V Unenn) mit je 6 Zellen (z. B. normalverteilte) Zellspannungen zur Abbildung 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 Sensor + Test 2012 - 22. Mai 2012, Nürnberg - Sonderforum "Elektromobilität" Folie 16 / 22
  17. 17. Beispiel: Batteriemodellierung Ergebnisse des Pb-Säure-Modells (67 V, 130 Ah) in Simulink - Entladekurven EErrggeebbnniiss:: nnaacchh FFiitt eexxppeerriimmeenntteelllleerr PPaarraammeetteerr ((zz.. BB.. IInnnneennwwiiddeerrssttaanndd))  FFeehhlleerr EExxppeerriimmeenntt // SSiimmuullaattiioonn << 11 %% PPrroobblleemm:: EEiinnmmaalliiggee DDuurrcchhffüühhrruunngg PPaarraammeetteerrffiitt ffüürr jjeeddee bbeettrraacchhtteettee TTeemmppeerraattuurr,, jjeeddee LLaaddee--//EEnnttllaaddeerraattee,, jjeeddee BBaatttteerriieecchheemmiiee © Fraunhofer IFAM Sensor + Test 2012 - 22. Mai 2012, Nürnberg - Sonderforum "Elektromobilität" Folie 17 / 22
  18. 18. Beispiel: Batteriemodellierung - HiL Nicht-vorhandene Komponenten und deren Wirkungen sind modellierbar © Fraunhofer IFAM Sensor + Test 2012 - 22. Mai 2012, Nürnberg - Sonderforum "Elektromobilität" 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…) Folie 18 / 22
  19. 19. Inhalt  Hintergrund  Vorstellung des Prüffelds  Beispiel: Hardware in the Loop (HiL) - Batteriemodellierung  Herausforderungen und Fragen an die Messtechnik © Fraunhofer IFAM Sensor + Test 2012 - 22. Mai 2012, Nürnberg - Sonderforum "Elektromobilität" Folie 19 / 22
  20. 20. Herausforderungen und Fragen an die Messtechnik  Ko m p le x e s Zusammenspiel aus konkurrierender e m p find liche r und ro bus te r Messtechnik sowie Kund e na nfo rd e rung e n EEmmppffiinnddlliicchh ((zz..BB..)):: •Thermoelemente (μV) •Drehmomente (mA, mV) •Hoch dynamisch (ms) •Frequenzüberlagerung •Temperaturüberlagerung RRoobbuusstt ((zz..BB..)):: •Spannungen (bis 1000 V) •Ströme (bis 600 A) •Leistungen (bis 100 kW) •Hoch dynamisch tlw. mit Frequenzüberlagerung •Temperaturüberlagerung © Fraunhofer IFAM Und trotzdem Kundenforderung nnaacchh…… •geringer Störanfälligkeit (Rauschen) •Echtzeitfähigkeit (HiL) •Abdeckung des gesamten Messbereiches •geringer Wartungsanfälligkeit •hoher Bedienerfreundlichkeit •geringen Investitionskosten Sensor + Test 2012 - 22. Mai 2012, Nürnberg - Sonderforum "Elektromobilität" z.B. Störung (EMV) Beeinflussung Folie 20 / 22
  21. 21. Beispiel: Batteriemodellierung - HiL © Fraunhofer IFAM Sensor + Test 2012 - 22. Mai 2012, Nürnberg - Sonderforum "Elektromobilität" Fazit Hoch komplexes Zusammenspiel und immer komplexer werdende Aufgaben und Anforderungen für die künftige Messtechnik! Folie 21 / 22
  22. 22. © Fraunhofer IFAM Danke für die Aufmerksamkeit ? - Fragen- ? Fraunhofer IFAM Dipl.-Ing. Stanislav Vasić Abteilung: Elektrische Systeme Wiener Straße 12 28359 Bremen Tel.: 0421-2246-105 Email: stanislav.vasic@ifam.fraunhofer.de Sensor + Test 2012 - 22. Mai 2012, Nürnberg - Sonderforum "Elektromobilität" Folie 22 / 22

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