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Simulation von Lithium-Ionen-Batterien

Im Moment spielen Lithium-Ionen-Batterien aufgrund ihrer Energiedichte von ca. 95 bis 190 Wh/kg in der Elektromobilität eine Schlüsselrolle. Für die Entwicklung zukünftiger Hybrid- und Elektrofahrzeuge und den Entwurf intelligenter Systeme zur bidirektionalen Netzanbindung kommt es auf die dynamischen Eigenschaften und das Alterungsverhalten dieser Speicher an. Ein bewährtes Tool zur Simulation von Lithium-Ionen-Batterien ist die Software „ISET-LIB“ des Fraunhofer-Instituts für Windenergie und Energiesystemtechnik in Kassel. Die Software erstellt anhand von Konstruktionsparametern ein virtuelles Batteriemodell. Die Vermessung oder die Kenntnis einer Batteriekennlinie ist nicht erforderlich. Werden geeignete Stromversorgungsgeräte von der Echtzeitvariante dieser Software gesteuert, kann man damit virtuelle Batterien generieren und das Klemmenverhalten realer Batterien physikalisch nachbilden.

Simulation einzelner Batteriezellen

Um aktuelle Simulationsprofile dieser modernen Batterien ohne Einschränkungen „fahren“ zu können, suchte das Fraunhofer Institut 2Q Netzteile zur Simulation einzelner Batteriezellen, die zu einer kompletten virtuellen Batterie verschaltet werden können. In diesem Projekt fiel die Wahl bei Schulz-Electronic auf DC-Netzteile von Delta-Elektronika. Das SM 7.5-80 inklusiv aktiv programmierbarer Senke liefert eine programmierbare Ausgangsspannung von max. 7,5 V und 80 A Ausgangsstrom. Über die programmierbare Senke, sie kann bis zu 700 Wpeak aufnehmen, wird der Ladevorgang der Batterie simuliert.

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Kurzschlussfeste und gegen alle Überlastbedingungen geschützt

Die Geräte von Delta Elektronika sind kurzschlussfest, gegen alle Überlastbedingungen geschützt und damit für den Testbetrieb bestens geeignet. Eine Stabilität besser 0,01% in Verbindung mit einer Restwelligkeit von typisch 10 mV sorgt für exakt reproduzierbare Messergebnisse. Die Geräte können seriell und parallel verschaltet werden und ermöglichen so den Test unterschiedlicher Zellen-Stacks. Verschiedene Interfaces wie Ethernet, CanOpen oder Profibus binden die Geräte problemlos in die Laborautomatisierung ein. Das Fraunhofer Institut bekam von Schulz-Electronic ein komplett montiertes und verdrahtetes Rack mit 40 Netzteilen.

Induktive Ladestationen stellen besondere Herausforderungen

Ein anderes spannendes Entwicklungsfeld sind induktive Ladesysteme. Ein solches System besteht aus einer stationären Ladeplatte mit einer Spule, die sich auf oder im Boden befindet und einer Spule im Elektromobil. Die Primärspule in der stationären Ladeplatte erzeugt dabei ein elektrisches Wechselfeld, welches einen Wechselstrom in der Sekundärspule im Fahrzeug induziert. Dieser wird dann in eine geeignete Gleichspannung umgewandelt, die die Fahrzeugbatterie lädt.

Ein Unternehmen, das sich der Entwicklung solcher induktiven Ladesysteme widmet, wandte sich an Schulz-Electronic. Gesucht wurde die apparative Ausstattung für einen umfassenden Testbetrieb der ganzen Kette. Für die Simulation der Induktionsstrecke wurden AC-Quellen mit elektrischen Parametern gesucht, die in weiten Grenzen einstellbar sind. Außerdem stand eine bidirektionale DC-Quelle zur Simulation der Fahrzeugbatterie auf der Einkaufsliste.

Sinus-, rechteck- oder dreiecksförmige Ausgangsspannung

Für die induktive Ladestrecke wählten die Baden-Badener zwei AC-Quellen 61611 von Chroma. Jedes dieser Geräte leistet 28 kVA und bietet viele Freiheitsgrade für die Versuche. Die Ausgangsspannung kann zwischen 0 und 300 V sinus-, rechteck- oder dreiecksförmig sein. Die Frequenz ist variabel zwischen 15 und 1500 Hz. Der maximale Ausgangsstrom beträgt 96 A. Mit der einen AC-Quelle wird die stationäre Ladeplatte simuliert, mit der zweiten die Sekundärspule im Fahrzeug. Zwei „Slave-Module“ sorgen für Kopplung der Geräte und die Simulation der induktiven Kopplung. Alle Parameter wie Phasenverschiebung, Wirkungsgrad, räumlicher Abstand der Systeme, die Beschaffenheit der Luft, Einfluss von Feuchtigkeit und vieles andere mehr können jetzt unter reproduzierbaren Bedingungen eingestellt werden.

Simulation der Fahrzeugbatterie

Für die Simulation der Fahrzeugbatterie griffen die Spezialisten von Schulz-Electronic wieder zu dem bewährten TC.GSS von Regatron. Das Gerät wird ergänzt von der Simulationssoftware „BatSim“, welche die Emulation unterschiedlicher Batterie-Technologien ermöglicht. BatSIM verfügt über Simulationsmodelle verschiedener Batterie-Technologien wie Lithium-Ionen, Blei-Säure, Nickel-Metallhydrid und Nickel-Kadmium. Sie stellt die Batteriespannung als Funktion des Ladezustands in Abhängigkeit der aufgenommenen oder abgegebenen Ladungsmenge (berechnet aus Ladestrom und Zeit) und der Temperatur sowie der gewählten und hinterlegten physikalischen Modelle dar. Die Anpassung und Implementierung eigener Batteriemodelle kann vom Benutzer mithilfe einer leistungsstarken Skriptsprache vorgenommen werden.

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