Beispielhafte schematische Darstellung eines Batteriesatzes mit integriertem Batteriemanagementsystem (BMS)
Ihre Anforderung
Die Simulation sowie das Messen und Testen von wiederaufladbaren Batterien, die in batteriebetriebenen Geräten und Fahrzeugen zum Einsatz kommen, sind von entscheidender Bedeutung. Sowohl Überladung als auch Tiefentladung reduzieren die Lebensdauer wiederaufladbarer Batterien. Defekte könnten zu Überhitzung der Batterie führen und sogar einen Brand verursachen.
Bei größeren Batterien sind typischerweise mehrere Zellen in Serie und/oder parallel geschaltet. Der Lade- und Entladestrom, der durch alle Zellen fließt, ist zwar zunächst gleich, jedoch würden Unterschiede zwischen den Zellen hinsichtlich Batteriekapazität, Selbstentladung etc. im Lauf der Zeit zu unterschiedlichen Ladezuständen führen und folglich die Kapazität und Lebensdauer der Batterie begrenzen. Batteriemanagementsysteme (BMS) überwachen, steuern und verwalten aktiv eine Reihe von Parametern von Batteriezellen. Zu den Aufgaben eines BMS gehören:
- Bestimmung des Ladezustands (State of Charge, SoC) jeder Zelle
- Überwachung von Integrität und Derating (Strombelastbarkeit) jeder Zelle (State of Health, SoH)
- Erkennung von Fehlern und außergewöhnlichen Zuständen sowie die Verhinderung von Gefahren wie Überhitzung und Brand
- Ausgleich des Ladezustands zwischen den Zellen (Balancing)
- Thermo- und Energiemanagement
Das Balancing kann passiv stattfinden, indem man die Zellen mit dem höchsten Ladezustand während des Ladevorgangs über eine Last entsprechend entlädt. Bei aktivem Balancing wird mittels Schaltreglern Energie von den Zellen mit höherem Ladezustand zu den Zellen mit niedrigerem Ladezustand übertragen.
Da Batteriemanagementsysteme eine entscheidende Rolle für die Lebensdauer und Ausfallsicherheit einer Batterie spielen, müssen sie gründlich getestet werden. Bei diesen Tests müssen alle Bedingungen simuliert werden, die möglicherweise während des Betriebs auftreten können.
Mit acht zweikanaligen R&S®NGM202 Netzgeräten lassen sich bis zu 16 Batteriezellen simulieren, wie sie in 48-V-Systemen verwendet werden.
Lösung von Rohde & Schwarz
Die R&S®NGL200 und R&S®NGM200 DC-Netzgeräte von Rohde & Schwarz sind äußerst vielseitig und bieten alle erforderlichen Funktionen für den Test und die Validierung von Batteriemanagementsystemen.
Dank ihrer Zweiquadranten-Architektur können R&S®NGL200 und R&S®NGM200 Netzgeräte sowohl als Quelle als auch als Senke betrieben werden. Quellenströme bis 6 A und Lastströme bis 3 A sind möglich. Sämtliche Ausgänge sind erdfrei. Sie lassen sich in Serie schalten, um Batteriesätze mit einer Spannung von maximal 250 V gegen Masse zu simulieren, wobei jeder Kanal eines Netzgeräts eine Einzelzelle darstellt. Die Ausgangsimpedanz lässt sich zwischen –50 mΩ und 100 Ω einstellen. Die Strom- und Spannungsmessungen an den Ausgängen der Netzgeräte liefern Werte mit hoher Auflösung.
Alle Funktionen lassen sich uneingeschränkt fernsteuern, mit Befehlsverarbeitungszeiten von weniger als 6 ms. Darüber hinaus bieten die Netzgeräte der R&S®NGM200 Serie einen optionalen Batteriesimulationsmodus für die realistische Simulation unterschiedlicher vordefinierter oder benutzerdefinierter Batterietypen. Für jeden Batterietyp sind Leerlaufspannung und Innenwiderstand in Abhängigkeit vom Ladezustand in einer ASCII-Datei hinterlegt.
Mit diesen Funktionalitäten können die Batterieeigenschaften mit hoher Präzision und Zeitauflösung simuliert und über der Zeit variiert werden. Für kleine und mittelgroße Batterien kann der Zellenstrom direkt aus den Netzgeräten gezogen werden. Bei größeren Batterien, wie sie beispielsweise in Automotive-Anwendungen zum Einsatz kommen, müssen die Lade- und Entladeströme für die BMS-Tests nicht physikalisch fließen. Strommessergebnisse, abgeleitet z. B. aus Spannungen über Shunt-Widerstände, werden gegenüber dem BMS simuliert, und die Netzgeräte bestimmen die Spannungen der einzelnen Zellen und liefern die Balancing-Ströme.
Die R&S®NGL202 und R&S®NGM202 Netzgeräte mit zwei Kanälen pro Gerät und kompaktem Formfaktor ermöglichen flexible Konfigurationen und platzsparende Aufbauten für den Test von Batteriemanagementsystemen. Mit einem 19"-Rackadapter und rückwärtiger Verkabelung lassen sie sich einfach und stabil in Racks integrieren.
Neben der optionalen Batteriesimulation (R&S®NGM-K106) bieten die Netzgeräte der Serie R&S®NGM200 eine noch höhere Messgenauigkeit und eine schnelle Aufzeichnung von Stromstärken und Spannungen mit einer Abtastrate von bis zu 500.000 Werten pro Sekunde. Die Batteriesimulation kann in ASCII-Dateien abgelegte Profile nutzen, die die Leerlaufspannung und den Innenwiderstand in Abhängigkeit vom Ladezustand für diverse Batterietypen beschreiben. Profile für gängige Batterietypen sind als Datensätze im Netzgerät hinterlegt. Die schnelle Protokollierungsfunktion erfasst auch Nadelimpulse und Störspitzen bei Strom und Spannung und unterstützt so bei der Fehlersuche.
Fazit
Die R&S®NGL200 und R&S®NGM200 Netzgeräte von Rohde & Schwarz lassen sich optimal für die Simulation von Batteriezellen für den Test von Batteriemanagementsystemen einsetzen. In vielen Fällen können sie deutlich kostspieligere, dedizierte Batteriesimulatoren ersetzen.
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