Test- und Simulationsfeld für den elektrischen Antriebsstrang

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 «
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2. Inhalt
 Hintergrund
 Vorstellung des Prüffelds
 Beispiel: Hardware in the Loop (HiL) - Batteriemodellierung
 Herausforderungen und Fragen an die Messtechnik
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3. Inhalt
 Hintergrund
 Vorstellung des Prüffelds
 Beispiel: Hardware in the Loop (HiL) - Batteriemodellierung
 Herausforderungen und Fragen an die Messtechnik
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4. Hintergrund
Nachvollziehen und Vertiefen der Erfahrungen aus Feldversuchen
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 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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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)
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Fahrzykl.
Motor
IMAX
UBAT
IDC
MATLAB/Simulink
Prüffeld
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6. Hintergrund (mittel-/langfristig)
Optimierung, Verifikation und Applikation von Gesamtmodellen
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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
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7. Inhalt
 Hintergrund
 Vorstellung des Prüffelds
 Beispiel: Hardware in the Loop (HiL) - Batteriemodellierung
 Herausforderungen und Fragen an die Messtechnik
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8. Vorstellung des Prüffelds
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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)
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9. 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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11. Vorstellung des Prüffelds
Basis-Funktionen
Fahrzyklensimulation Motorprüfung
 Energiespeicher speist Motor
 Motor speist an
Energiespeicher zurück
 Last speist ins Netz zurück
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 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
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Energiespeicherprüfung
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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
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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)
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14. Inhalt
 Hintergrund
 Vorstellung des Prüffelds
 Beispiel: Hardware in the Loop (HiL) - Batteriemodellierung
 Herausforderungen und Fragen an die Messtechnik
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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)
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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
))
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16. Beispiel: Batteriemodellierung
Aufbau eines Pb-Säure-Modells (Unenn= 67 V, C= 130 Ah) in Simulink - Pack
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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
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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
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18. Beispiel: Batteriemodellierung - HiL
Nicht-vorhandene Komponenten und deren Wirkungen sind modellierbar
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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…)
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19. Inhalt
 Hintergrund
 Vorstellung des Prüffelds
 Beispiel: Hardware in the Loop (HiL) - Batteriemodellierung
 Herausforderungen und Fragen an die Messtechnik
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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
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Und trotzdem Kundenforderung nnaacchh……
•geringer Störanfälligkeit (Rauschen)
•Echtzeitfähigkeit (HiL)
•Abdeckung des gesamten Messbereiches
•geringer Wartungsanfälligkeit
•hoher Bedienerfreundlichkeit
•geringen Investitionskosten
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z.B. Störung (EMV)
Beeinflussung
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21. 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
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Dipl.-Ing. Stanislav Vasić
Abteilung: Elektrische Systeme
Wiener Straße 12
28359 Bremen
Tel.: 0421-2246-105
Email: stanislav.vasic@ifam.fraunhofer.de
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