Batterieemulation für Hochspannungs-Leistungs hardware-in-the-Loop Tests

Wichtigste Erkenntnisse

• Ein Batterieemulator macht das Warten auf den Ladezustand überflüssig und liefert Ihnen auf Befehl reproduzierbare Spannungs- und Strombedingungen.
• Eine bidirektionale Stromversorgung ist wichtig, da die Batterieemulation Strom liefern und aufnehmen muss, ohne das zu testende Gerät zu verzerren.
• Physikalische Zellen kommen in der Chemie und bei thermischen Arbeiten zum Einsatz, während die PHIL-Batterieemulation für die Validierung von Leistungs hardware en geeignet ist, bei der es auf Geschwindigkeit und Wiederholbarkeit ankommt.

Mit der Batterieemulation können Sie Hochspannungstestbedingungen auf Befehl durchlaufen lassen, anstatt darauf zu warten, dass ein physischer Akku diese erreicht.

Im Jahr 2024 überschritt der Absatz von Elektroautos die Marke von 17 Millionen, wodurch der Anteil am weltweiten Autoabsatz auf über 20 % stieg. Immer mehr Wechselrichter, Ladegeräte und Schutzvorrichtungen benötigen nun Strom Tests , und zwar über viele verschiedene Ladezustände hinweg. Bei einer physischen Batterie ist jeder Durchlauf an den jeweiligen Ladezustand, die Temperatur und die Erholungszeit gebunden, sodass sich der Prüfstand im Tempo der Batterie bewegt. Ein Batterieemulator beseitigt diesen Engpass und ermöglicht Ihnen auf Knopfdruck ein reproduzierbares Verhalten des Akkupacks.

Ein Batterieemulator bildet das Verhalten eines Akkupacks bei voller Leistung nach

Ein Batterieemulator ist eine geregelte Stromquelle und -senke, die das Verhalten eines Akkupacks bei Belastung, beim Laden und bei Transienten nachbildet. Er kann mehr als nur eine feste Spannung aufrechterhalten. Er berechnet das Verhalten des Akkupacks anhand eines Modells und überträgt diese Reaktion mit voller Leistung in das „ hardware “. Dadurch eignet er sich besonders für HIL- Tests, bei denen das zu testende Gerät eine Batterie erwartet, die sich wie ein Akkupack verhält – und nicht wie ein Labornetzteil.

Ein Antriebsumrichter auf einem 400-V-Prüfstand ist ein anschauliches Beispiel dafür. Bei Drehmomentsprüngen kann er stark Strom ziehen und anschließend bei der Rückspeisung Energie zurückführen. Eine einfache Stromversorgung kann die Spannung nur schlecht aufrechterhalten oder lässt keine Rückspeisung zu, sodass der Umrichter niemals die elektrischen Bedingungen erlebt, denen er im Betrieb ausgesetzt sein wird. Ein Batterieemulator passt die Klemmenspannung an und nimmt die zurückgespeiste Energie auf, sodass der Umrichter eine realistische Stromquelle vorfindet.

Diese Unterscheidung ist von Bedeutung, da das Verhalten des Batteriepacks die Regelungslogik, die Fehlerbehandlung und die Effizienz beeinflusst. Eine ideale Prüfquelle lässt „ hardware “ besser aussehen, als es tatsächlich ist. Eine realistische Reaktion des Batteriepacks deckt Bus-Zusammenbrüche, Überstromabschaltungen und instabile Regelkreise auf, noch bevor eine physische Batterie in den Aufbau eingebunden wird.

„Ein Batterieemulator ist eine geregelte Stromquelle und -senke, die das Verhalten eines Akkupacks unter Last, beim Laden und bei Transienten nachbildet.“

Physikalische Pakete schränken die Abtastgeschwindigkeit über verschiedene Ladungszustände hinweg ein

Physische Akkupacks verlangsamen die HIL-Arbeit, da jeder Test an den Ladezustand, die Ruhezeit, die Temperatur und die Schutzgrenzwerte gebunden ist. Man kann nicht auf Befehl von einem Ladezustand von 90 % auf 15 % springen. Man muss warten, bis der Akku diesen Zustand erreicht hat. Das macht umfassende Zustandsdurchläufe zeitintensiv im Labor und schwer exakt wiederholbar.

Ein Prüfstand für Ladegeräte macht das Problem schnell sichtbar. Vielleicht möchten Sie an einem Nachmittag die Vorladung, das Ladeverfahren mit konstantem Strom, die Abflachung und die Erholung bei niedriger Spannung in verschiedenen Zuständen des Akkupacks testen. Ein echtes Akkupack lässt sich bei diesem Tempo jedoch nicht so einfach handhaben. Sobald Sie es für einen Fall mit niedrigem Ladezustand entladen haben, müssen Sie es vor dem nächsten Durchlauf wieder aufladen, abkühlen lassen und überprüfen.

Durch die Emulation entfällt diese Wartezeit. Sie können einen Durchlauf mit einem „warmen“, teilweise entladenen Akkumodell starten und dann innerhalb von Sekunden auf ein „kaltes“, vollgeladenes Akkumodell zurücksetzen. Diese Geschwindigkeit spart nicht nur Zeit. Sie ermöglicht auch aussagekräftigere Vergleiche, da Steuer software, Leistungs hardware und Fehler bei jeder Wiederholung des Tests anhand derselben, im Skript festgelegten Akkubedingungen geprüft werden.

Die Batterieemulation hängt von einem schnellen bidirektionalen Leistungsfluss ab

Eine bidirektionale Stromversorgung ist das Herzstück der Batterieemulation, da das Prüfstandssystem Strom in den „ hardware “ einspeisen und von diesem wieder aufnehmen muss. Dieser Austausch muss schnell und reibungslos erfolgen. Ist die Rückleistungsfähigkeit langsam oder begrenzt, fungiert der Emulator nicht mehr als Batterie, sondern als Einschränkung, die das Testergebnis verfälscht.

Die Regeneration verdeutlicht das Problem. Ein Motorantrieb, der abgebremst wird, kann innerhalb weniger Schaltzyklen Energie zurück in den Gleichstrombus leiten. Der Emulator muss diesen Strom aufnehmen und gleichzeitig die Klemmenspannung innerhalb des im Modell vorgegebenen Zielbereichs halten. Der gleiche Prüfstand liefert zudem Strom während der Beschleunigung und bei kurzen Schützprüfungen.

Bei der Auswahl einer bidirektionalen Stromversorgung für die Batterieemulation spielt zwar die Nennleistung eine Rolle, doch ebenso wichtig sind die Schleifengeschwindigkeit und die Rückstromsteuerung. Sie erwerben nicht nur eine programmierbare Stromquelle. Sie benötigen eine elektrische Schaltung, die auf beiden Seiten des Energieaustauschs mit dem zu prüfenden Gerät Schritt halten kann.

Die PHIL-Batterieemulation kombiniert eine Leistungsstufe mit einem Akkupack-Modell

Die „Power- hardware “-Batterieemulation im Regelkreis funktioniert durch die Kopplung eines Batteriemodells an eine Leistungsstufe, die das Spannungs- und Stromverhalten des Modells an den „ hardware “-Anschlüssen nachbildet. Das Modell berechnet, wie sich der Akku verhalten soll. Der Verstärker setzt dies in Echtzeit um. Durch diese Kombination erhalten Sie das Verhalten des Akkus im Leistungsbetrieb, ohne eine physische Zelle in den Regelkreis einzubinden.

Ein Prüfstand wie der OPAL-RT OP1430 PHIL Prime verdeutlicht dies. Das Batteriemodell berechnet die Leerlaufspannung, den Innenwiderstand, Ladezustandsauswirkungen und Strombegrenzungen, während ein bidirektionaler Verstärker das daraus resultierende Anschlussverhalten nachbildet. Ein Ladegerät, Wechselrichter oder DC/DC-Wandler interagiert dann mit einem emulierten Batteriepack, das zwischen den Durchläufen ohne Manipulation der Zellen zurückgesetzt werden kann.

Diese Konfiguration funktioniert, weil das Modell und die „ hardware “-Stufe auf das Testziel abgestimmt werden können. Bei einem umfassenden Systemtest wird häufig ein Pack-Modell reduzierter Ordnung verwendet, um die Geschwindigkeit zu erhöhen. Bei einem Schutz-Test wird eine genauere Parametrisierung hinsichtlich Strombegrenzungen und Spannungsabfall verwendet. Sie sind nicht mehr an einen bestimmten physikalischen Zustand des Packs gebunden, und der Prüfstand bildet genau den Fall ab, den Sie validieren müssen.

Die Modellgenauigkeit ist in der Nähe von Schutzschwellenwerten am wichtigsten

Die Genauigkeit des Akkumodells ist besonders wichtig, wenn die Entscheidungen bei „ hardware “ nahe an den Grenzwerten für Spannung, Strom oder Leistung liegen. Ein grobes Modell kann für den groben Energiefluss akzeptabel sein. In der Nähe von Abschalt- und Auslösegrenzen wird es jedoch riskant. Je näher Ihr „ hardware “ an einem Schwellenwert arbeitet, desto genauer muss der Emulator das lokale Verhalten des Akkupacks nachbilden.

Nehmen wir als Beispiel eine Unterspannungsabschaltung bei einem Traktionswechselrichter. Verwendet das Modell einen einfachen festen Widerstand, kann der Prüfstand einen gleichmäßigen Spannungsabfall unter Last vorhersagen. Ein Akku mit zustandsabhängiger Impedanz weist bei einem bestimmten Ladezustand oft einen stärkeren Spannungsabfall auf als bei einem anderen, und dieser zusätzliche Spannungsabfall kann den Zeitpunkt des Fehlers so stark verschieben, dass sich der vom Wechselrichter eingeschlagene Firmware-Pfad ändert.

Auch bei Ladegeräten spielen Temperaturabhängigkeit und Strombegrenzungen eine Rolle. Ein fast vollgeladener Akku verhält sich bei gleichem Anforderungsstrom ganz anders als ein fast leerer Akku. Eine gute Batterieemulation beginnt mit der Testfrage. Eine moderate Genauigkeit reicht für Startsequenzen aus, während für die Arbeit an Schutzschwellenwerten die lokale Charakteristik des Akkuverhaltens erforderlich ist.

Die Latenz legt die Obergrenze für eine stabile Akku-Emulation fest

Die Latenz bestimmt, wie genau der Emulator den Regelkreis zwischen dem Batteriemodell, der Leistungsstufe und dem zu testenden Gerät schließen kann. Eine kurze Verzögerung sorgt für ein stabiles und realistisches Ansprechverhalten des Akkupacks. Eine lange Verzögerung verwandelt ein Batteriemodell in eine langsame Annäherung. Sobald dies geschieht, entstehen Spannungsüberschwinger und Schwingungen am Prüfstand statt am zu testenden „ hardware “.

Ein DC/DC-Wandler mit präziser Stromregelung stellt einen guten Stressfall dar. Er ändert den Strom schneller, als ein langsamer Emulator reagieren kann, sodass die gemessene Busspannung hinter der beabsichtigten Modellantwort zurückbleibt. Der Wandler reagiert dann auf veraltete Informationen, der Emulator korrigiert zu spät, und der Regelkreis jagt sich selbst hinterher. Es kommt zu Schwingungen oder Schutzauslösungen, die auf die Verzögerung im Emulationspfad zurückzuführen sind.

Ein stabiler PHIL-Betrieb hängt von der gesamten Kette ab. Die Geschwindigkeit des Simulators ist nur ein Teil davon. Sensorverzögerung, Kommunikationsverzögerung, Verstärkerbandbreite und Schnittstellenskalierung summieren sich. Wenn Sie einen Batterieemulator bewerten, sollten Sie sich fragen, wie schnell die Übergänge vom Modellausgang zur Klemmreaktion erfolgen und wie diese Verzögerung bei hohen Leistungstransienten gehandhabt wird.

„Die Latenz bestimmt, wie genau der Emulator den Regelkreis zwischen dem Batteriemodell, der Leistungsstufe und dem zu testenden Bauteil schließen kann.“

Häufige Einstellungsfehler verfälschen den Spannungsverlauf unter Last

Die meisten Fehler bei der Batteriemulation sind auf die Wahl der Schnittstellen zurückzuführen, die auf dem Papier zwar unbedeutend erscheinen, jedoch das elektrische Verhalten, wie es vom „ hardware “ wahrgenommen wird, grundlegend verändern. Das Modell mag zwar fundiert und der Verstärker leistungsstark sein, dennoch kann der Test zu irreführenden Ergebnissen führen. Nur durch eine disziplinierte Einrichtung bleibt die Emulation unter Last glaubwürdig.

Ein häufiger Fall ist ein Schütz-Test, der ausschließlich auf dem Prüfstand fehlschlägt. Bei genauerer Betrachtung liegt das Problem oft in einer unzureichenden Skalierung, zusätzlicher Kabelinduktivität, schwachen Messpunkten oder einer Strombegrenzung, die bereits vor dem Batteriepack-Modell auslöst. Diese Fehler verändern das scheinbare Verhalten der Batterie, sodass das zu testende Gerät auf Mängel des Prüfstands reagiert, anstatt auf das tatsächliche Verhalten des Batteriepacks.

• Messen Sie die Spannung an den Klemmen „ hardware “.
• Passen Sie vor jedem Durchlauf die Strom- und Spannungsgrenzwerte an das jeweilige Akkupack an.
• Überprüfen Sie die Kabelimpedanz, da lange Leitungen das schnelle Einschwingverhalten verändern.
• Passen Sie den Anfangszustand des Modells jedes Mal an die im Skript festgelegte Testbedingung an.
• Überprüfen Sie die Leistung des Senkers während der Regeneration über den erwarteten Strombereich hinweg.

Jeder einzelne Punkt klingt zwar einfach, doch schon einer davon kann das Ergebnis einer Sicherheitsüberprüfung oder die Nachverfolgung so stark beeinflussen, dass man Tage damit verschwendet. Ein einfaches Modell mit sorgfältiger Konfiguration ist einem fortschrittlichen Modell, das nachlässig eingerichtet wurde, überlegen.

Wann sollten physische Zellen in der Testschleife verbleiben?

Physikalische Zellen sollten weiterhin einbezogen werden, wenn die Chemie selbst das Testobjekt ist und nicht die elektrische Schnittstelle, die für die Leistungs hardware bereitgestellt wird. Wenn Sie Daten zur thermischen Ausbreitung, zur Alterungsdrift, zur Gasabgabe oder zu Schätzwerten auf Zellenebene benötigen, kann die Emulation die Zellen nicht ersetzen. Wenn Sie ein wiederholbares elektrisches Verhalten des Akkupacks für die Validierung der Leistungs hardware benötigen, ist die Emulation die bessere Wahl.

Sicherheits- und Testzwecke unterscheiden in der Regel zwischen diesen beiden Fällen. Die Federal Aviation Administration hat seit 2006 mehr als 600 Vorfälle mit Lithiumbatterien registriert. Diese Zahl bedeutet nicht, dass jeder Labortest gefährlich ist, zeigt jedoch, wie wichtig es ist, physische Zellen aus routinemäßigen HIL-Arbeiten auszuschließen, wenn die elektrische Fragestellung bereits klar definiert ist.

Die praktische Entscheidung ist einfach: Behalten Sie die Zellen für chemische, thermische und Alterungsuntersuchungen. Verwenden Sie einen Batterieemulator und eine bidirektionale Leistungsstufe für wiederholbare Hochleistungs-Schnittstellen Tests, bei denen Geschwindigkeit, Reset-Steuerung und Fehlerabdeckung am wichtigsten sind. Aus diesem Grund trennen Teams, die Prüfstände von OPAL-RT verwenden, die Batterieforschung von der Validierung der Leistungs hardware .