gesponsertFunktionale Sicherheit von Batteriemanagementsystemen Aufbau eines HiL-Prüfsystems für BMS mit Simulationsmodulen

Bei der Überprüfung von Batteriemanagementsystemen (BMS) kann die Simulation mittels Hardware-in-the-Loop (HiL) eine Fülle von Daten liefern, Zeit sparen und mehr Sicherheit bieten als der Test mit realen Batteriezellen.

E-Mobilität bei Landfahrzeugen, die Elektrifizierung im Luftfahrtsektor und auch der Sektor Erneuerbare Energien benötigen Batteriesätze für die Speicherung von Energie. Die Batteriesätze, die aus wenigen Dutzend bis Tausend Zellen bestehen können, müssen für die optimale Performance in Bezug auf Energieabgabe und -aufnahme gesteuert werden. Die Sätze müssen überwacht werden, um deren Ladezustand (State of Charge, SoC) und Alterungszustand (State of Health, SoH) an die Systeme melden zu können, in denen sie verbaut sind. Im Falle eines Fehlers oder Versagens müssen zur Isolierung der Sätze (oder der darin enthaltenen Module/Zellbänke) aber auch Sicherheitsmaßnahmen bzw. -funktionen eingerichtet sein. Diese Funktionalitäten werden vom Batteriemanagementsystem (BMS) ausgeführt.

Beim Entwurf eines BMS verfolgen die meisten Unternehmen den Ansatz der testgetriebenen Entwicklung (TDD). So können sie nicht nur die Größe des Batteriesatzes (sowohl Abmessungen als auch Kapazität) optimieren, sondern auch die Funktionalität des BMS entlang der gesamten Produktentwicklung verifizieren.

Die BMS-Entwicklung mit Hardware-in-the-Loop (HiL) ist sehr wichtig. Allerdings bringt dabei die Verwendung realer Batteriesätze auch Probleme mit sich, die per Simulation aber vermieden werden können. Hier kann auf reale Zellen verzichtet werden, was die Sicherheit enorm erhöht. Anstelle der einzelnen Zellen können die Eingangsspannungen zum BMS überwacht werden, sodass es Werte gibt, mit denen die Beobachtungen des BMS verglichen werden können. Die Simulation ist darüber hinaus sehr gut wiederholbar. Hinzu kommt, dass die Verwendung eines Systems im Branchenstandard wie PXI die Schaffung einer umfassenden Prüfumgebung ermöglicht. Dementsprechend können die meisten BMS-Verifizierungsaufgaben über eine einzige Umgebung gesteuert und kontrolliert und die Ergebnisse unkompliziert aufgezeichnet werden.

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Mithilfe von Produkten von Pickering Interfaces können verschiedene Simulationen durchgeführt werden:

Das Schalten von hohen Spannungen kann mit über 60 PXI/PXIe-Modulen und 28 LXI Produkten erreicht werden. So sind beispielsweise die Relaismodule 40-323-901 (PXI) und 42-323-901 (PXIe) in ihrer Konfiguration 14xSPST für Anwendungen geeignet, die das Schalten von Hochspannung erfordern. Sie schalten ohne Last (Cold Switching) bis zu 9 kV= (9 kV~ Spitze) und unter Last (Hot Switching) bei 0,25A bis zu 7,5 kV= (7,5 kV~ Spitze).

Die Batteriezellensimulation kann mit den Mehrkanal-Batteriesimulationsmodulen 41-725A( PXI) und 43-725A (PXIe) durchgeführt werden. Die Module verfügen über mehrere Kanäle (zwei, vier oder sechs je Steckplatz) mit bis zu 7 V und 300 mA pro Kanal, die gegeneinander und gegen Erde isoliert sind und können daher für die Emulation eines Zellenstapels eingesetzt werden, den das BMS auf Einzelzellenebene überwachen muss. Ebenso kann jeder Kanal bis zu 300 mA Ladestrom einer Batterie nachbilden.

Für die Simulation von Widerstandstemperaturfühlern (RTD) und Thermoelementen sind sechs Simulatormodule (mit 4, 8, 12, 16, 20 oder 24 Kanälen) im Sortiment. Sie können einen Widerstandsbereich von 40 Ω bis 900 Ω bei einer Auflösung von weniger als 10 mΩ simulieren, was einer Temperatur von -150 °C bis 850 °C entspricht (Abbildung 2). Dazu sind eine Reihe von PXI-mV-Thermoelement-Simulatoren mit 8, 16, 24 oder 32 Kanälen für die hoch genaue Niederspannungsversorgung erhältlich. Jeder Kanal deckt drei Spannungsbereiche ab und simuliert die drei zurzeit gängigsten Arten von Thermoelementen.

Die Fehlersimulationseinheiten von Pickering Interfaces sind speziell für sicherheitsrelevante Anwendungen konzipiert, bei denen das Verhalten eines Steuerungssystems, wie zum Beispiel eines BMS, vollständig bewertet werden muss. Die FI-Einheit (Fault Insertion) 40-592 ist z.B. eine umfangreiche, hochintegrierte Schaltmatrix. Sie gehört zu einer Reihe von Modulen, die für Anwendungen entworfen wurden, bei denen eine Vielzahl unterschiedlicher Fehler in komplexen Designs mit einer hohen Anzahl an Signalen/Verbindungen simuliert werden müssen – ganz genau wie bei einem Batteriesatz.

Die BMS-Entwicklung mit Hardware-in-the-Loop (HiL) Simulation ist die sicherste Art und Weise, das gewünschte Verhalten der BMS-Funktionen nachzuweisen, da keine Überspannungs- oder Kurzschlusszustände an realen Zellen herbeigeführt werden müssen. Auch die Nachbildung von Kabelbrüchen und extremen Temperaturen ist unproblematisch. Eine umfangreiche HiL-Prüfumgebung kann mit handelsüblichen PXI-/ PXIe-basierten Simulatoren (einige speziell für BMS ausgelegt), Emulatoren und Fehlersimulationsschalteinheiten von Pickering Interfaces aufgebaut werden (siehe Abbildung 1), wobei das weit verbreitete PXI/PXIe-Format als De-facto-Standard die erforderliche Modularität, Flexibilität und Skalierbarkeit bietet. Vor allem für Nachverfolgbarkeits- und Zertifizierungszwecke ist es wichtig, dass die Simulation mehr aussagekräftige Daten liefert, die einfach zu erfassen und aufzuzeichnen sind.

Eine Demo einer Prüfanlage, ähnlich der oben beschriebenen, wurde kürzlich von Pickering Interfaces in Zusammenarbeit mit Austin Consultants aufgebaut und für den Test einer seriengefertigten BMS von Daly eingesetzt. Ein Video der Demo können Sie hier sehen.

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