Tests und Simulation für Batteriespeichersysteme

Wichtigste Erkenntnisse

• Ein BMS-Testplan entfaltet seinen Wert erst dann, wenn jede Anforderung auf einen Testfall und ein protokolliertes Ergebnis zurückgeführt werden kann, bevor die tatsächlichen Zellen angeschlossen werden.
• Die Testphasen sollten von der Messgenauigkeit bis hin zur Fehlerinjektion reichen, wobei jeder Schritt durch numerische Ein- und Ausstiegskriterien gesteuert wird.
• Ein emuliertes Paket deckt kritische Fehlerfälle bereits vor der Integration auf, sodass ein fehlgeschlagener Test lediglich eine Wiederholung erfordert und nicht „ hardware “.

Ein als Phasen mit Zwischenkontrollen strukturierter BMS-Testplan sorgt dafür, dass Ihr Regler bereits mit den festgestellten Fehlern in die Systemintegration übergeht.

Die Integration des Akkupacks ist der teuerste Ort, um festzustellen, dass eine Schützsequenz fehlerhaft ist. Unter Spannung stehende Zellen schränken die Möglichkeiten ein, was man sicher testen kann, und jeder erneute Test kostet Zeit am Prüfstand. In den Vereinigten Staaten wurden im Jahr 2024 10,4 GW an Batteriespeicherkapazität hinzugefügt, und jedes dieser Systeme verfügt über ein BMS, das sich zunächst bewähren musste. Ein Plan, bei dem die Fehler Tests en vorrangig an einem emulierten Akkupack durchgeführt werden, schützt sowohl den Zeitplan als auch die hardware.

Gute Pläne haben eines gemeinsam: Sie behandeln den BMS- Tests us als einen geordneten Ablauf, bei dem jede Phase das Recht auf die nächste Phase erst einmal verdienen muss. Sie formulieren zunächst die Anforderungen, ordnen jede davon einem Testfall zu und legen dann die Kriterien fest, die jede Phase einleiten und beenden. „Hardware-in-the-Loop“-Teststände setzen diese Reihenfolge in die Praxis um, da ein simuliertes Akku-Pack jede gewünschte Zellspannung, Temperatur oder jeden gewünschten Fehler nachbilden kann.

Was ein BMS-Testplan vor der Integration enthalten muss

Ein BMS-Testplan benötigt fünf Elemente, bevor mit der Integration begonnen werden kann. Er benötigt eine Anforderungsliste, einen Testfall für jede Anforderung, eine definierte Testumgebung, Ein- und Ausstiegskriterien für jede Phase sowie ein Format für die Ergebniserfassung. Fehlt auch nur eines dieser Elemente, wird Ihr Team am Ende darüber diskutieren, ob die Bereitschaft gegeben ist, anstatt sie zu messen.

Betrachten wir einen 96-Zellen-Serienakku für ein Personenkraftfahrzeug. Die Anforderungsliste enthält unter anderem die Vorgabe, dass die Hauptschütze geöffnet werden müssen, sobald eine Zelle ihren Überspannungsgrenzwert überschreitet. Der entsprechende Testfall nennt den Stimulus, die erwartete Reaktion, die zulässige Zeit und den Bestehenschwellenwert. So formuliert, lässt sich mit einer einzigen Zeile der Weg vom Sicherheitsziel bis zum protokollierten Ergebnis nachverfolgen.

Die Rückverfolgbarkeit ist der Teil, den Teams unter Termindruck oft auslassen. Sie ist aber auch das Erste, wonach Auditoren und Integrationsleiter fragen. Ein Plan ohne Rückverfolgbarkeit liefert Daten, die die Abdeckung nicht belegen können. Erstellen Sie die Rückverfolgungsmatrix noch vor den ersten Testläufen, denn eine nachträgliche Anpassung bedeutet doppelte Arbeit.

Welche BMS- Tests -Standards bestimmen die Anforderungen des Plans?

Die BMS- Tests -Normen legen die Mindestanforderungen fest, die Ihr Konzept nachweisen muss, und die Anwendung entscheidet, welche davon gelten. Programme für Straßenfahrzeuge orientieren sich hinsichtlich der funktionalen Sicherheit an der Norm ISO 26262 und hinsichtlich der Batterie häufig an der Norm UL 2580. Programme für stationäre Speicher orientieren sich an den Normen IEC 62619 und UL 1973. Für den Versand von Lithium-Akkus ist die UN-Nummer 38.3 erforderlich: Tests.

Ein Speicherintegrator, der ein containerisiertes System aufbaut, veranschaulicht, wie dies in der Praxis aussieht. Das Team liest die Norm IEC 62619 und filtert alle Klauseln heraus, die das BMS betreffen, wie beispielsweise die Überladungsspannungssteuerung und die Reaktion auf Übertemperatur. Jede Klausel wird zu einer nummerierten Anforderung mit einem eigenen Testfall. Normen geben selten vor, wie der Prüfstand aufgebaut werden soll oder wie viele Betriebspunkte abzudecken sind; daher muss Ihr Plan diese Details ergänzen. Die Spezifikationen der „ Kund:innen “ und Ihre eigene Gefahrenanalyse fügen Anforderungen hinzu, die über diese Mindestanforderungen hinausgehen, und der Plan sollte kennzeichnen, woher jede einzelne Anforderung stammte stammt.

Wie man BMS-Testfälle von Signalen bis hin zu Fehlern anordnet

Ordnen Sie die BMS-Testfälle vom einfachsten beobachtbaren Verhalten bis zum gefährlichsten an. Beginnen Sie mit der Messgenauigkeit und der Kommunikation, fahren Sie fort mit der Zustandsschätzung und dem Ausgleich, dann mit der Schützsteuerung und schließen Sie mit der Fehlerinjektion und den Schutzzeiten ab. Jede Phase hängt von der vorhergehenden ab, sodass ein frühzeitiger Ausfall den Lauf stoppt, bevor wertvolle Testzeit verschwendet wird.

„Ein Fehlerinjektionsergebnis sagt wenig aus, wenn die ihm zugrunde liegende Spannungsmessung um 20 mV abweicht.“

Angenommen, der Überspannungsgrenzwert liegt bei 4,25 V und der Messkanal zeigt einen niedrigen Wert an. Das BMS würde einen Auslösetest theoretisch bestehen, aber dennoch zulassen, dass eine Zelle in einem Akku überladen wird. Aus diesem Grund haben Messkontrollen Vorrang.

Dadurch verkürzt sich auch die Fehlersuche. Wenn ein Schütz-Test fehlschlägt, weiß man bereits, dass die Eingänge in Ordnung waren.

Fehlerprüfungen sollten als Letztes durchgeführt werden, dürfen aber niemals optional sein. Dabei handelt es sich um Fälle, die an echten Zellen nicht sicher getestet werden können, wie beispielsweise ein kurzgeschlossener Messdraht, ein verschweißtes Schütz oder ein Sensor, der während des Ladevorgangs driftet. Berücksichtigen Sie auch Kombinationen, da zwei geringfügige Fehler, die gleichzeitig auftreten, oft Logikfehler aufdecken, die bei einem einzelnen Fehler nicht auftreten würden.

Gate-Kriterien, die festlegen, wann die jeweilige BMS-Testphase abgeschlossen wird

Einstiegskriterien legen fest, welche Voraussetzungen erfüllt sein müssen, bevor eine Phase beginnt, und Ausstiegskriterien legen fest, was gemessen werden muss, bevor sie abgeschlossen wird. Für beides sind Zahlen erforderlich. Eine Phase, die mit einem festgelegten „ software “-Build beginnt und mit einer definierten Erfolgsquote endet, liefert Ihnen eine Entscheidung, die Sie bei einer Bereitschaftsprüfung verteidigen können.

Die Abschlusskriterien für die letzte Phase vor der Integration in einem typischen Programm lassen sich wie in der folgenden Liste zusammenfassen.

• Für jede Sicherheitsanforderung ist mindestens ein erfolgreicher Testfall protokolliert.
• Die Schutzreaktionen werden innerhalb der im Sicherheitskonzept festgelegten fehlertoleranten Zeit abgeschlossen.
• Der Ladezustandsfehler bleibt über den gesamten Temperaturbereich hinweg innerhalb des vereinbarten Bereichs.
• Es gibt keine offenen Fehler mehr, deren Schweregrad über dem vom Programm zugelassenen Wert liegt.
• Der zu testende Build „ software “ stimmt mit dem Build überein, der in das Paket aufgenommen wird.

Der letzte Punkt betrifft mehr Teams, als man vermuten würde. Eine späte Kalibrierungsänderung nach der Fehlerkampagne führt dazu, dass die Messwerte nicht mehr die „ software “ des Akkupacks widerspiegeln. Sperren Sie den Build oder führen Sie die betroffenen Testfälle erneut durch. Die Zulassungskriterien müssen ebenso streng gehandhabt werden, da kalibrierte Messkanäle und eine freigegebene Testliste dafür sorgen, dass ein noch nicht einsatzbereites BMS nicht auf den Prüfstand gelangt.

Warum ein emuliertes Paket in den Plan vor der Integration gehört

Mit einem emulierten Akku-Pack können Sie alle im Plan vorgesehenen Szenarien durchspielen – einschließlich der zerstörenden –, ohne die Zellen zu gefährden. Ein Echtzeit-Simulator führt das Batteriemodell aus und übermittelt Zellspannungen, Temperaturen und Ströme über die üblichen Anschlüsse an das BMS. Der Controller reagiert so, wie er es bei einem echten Akku-Pack tun würde, und Sie legen jeden Wert selbst fest.

Der Zeitpunkt ist der Grund, warum dies vor der Integration erfolgen sollte. Fehler in den Anforderungen, die erst bei der Integration und im Test entdeckt werden, verursachen laut einer Analyse der Projektkostendaten der NASA 21- bis 78-mal höhere Kosten für die Behebung als solche, die bereits während der Erstellung der Anforderungen entdeckt werden. Ein Test, der das BMS frühzeitig anhand seiner Anforderungen überprüft, verlagert die Fehlerentdeckung an einen Punkt, an dem die Behebung lediglich eine Wiederholung des Tests statt einer kompletten Neuprogrammierung erfordert.

Auch die Größe spielt eine Rolle. Für einen Plan, der nur ein einziges Batteriepaket betrifft, ist kein Labor im Rack-Maßstab erforderlich. OPAL-RT führt RT-LAB-Batteriemodelle auf einem OP4610XG- hardware aus, wodurch sich die Anlage auf einen für ein einziges Batteriepaket ausgelegten Tischbeschlag beschränken lässt.

Der Nachteil ist die Modellgenauigkeit. Eine emulierte Zelle verhält sich nur so gut wie ihre Parameter, daher sollte im Plan festgelegt werden, welche Ergebnisse später anhand realer Zellen bestätigt werden müssen. Die Wärmeausbreitung und die Alterung stehen in der Regel auf dieser Liste.

Häufige Fehler im BMS-Testplan, die bei der Integration zutage treten

Der häufigste Fehler ist ein Testplan, der zwar prüft, was das BMS tut, aber außer Acht lässt, was es nicht tun darf. Normale Lade- und Entladevorgänge werden schnell durchlaufen und erwecken den Anschein, als würde der Test vorankommen. Bei der Integration treten dann die ungeprüften Pfade zutage, wie beispielsweise ein Aufwachen während eines Fehlers oder eine Vorladung, bei der die Zeitüberschreitung eintritt.

Ein Muster wiederholt sich in allen Programmen: Ein Team überprüft die Zellausgleichung gründlich, stellt dann aber am Akku fest, dass das BMS die Schütze schließt, obwohl ein Isolationsfehler vorliegt, weil niemand diesen Fall berücksichtigt hat. Weitere häufige Lücken sind die Durchführung von „ Tests “ ausschließlich bei Raumtemperatur sowie das Ignorieren von Kommunikationsausfällen mit dem Ladegerät oder der Fahrzeugsteuerung. Jede dieser Lücken lässt sich auf dem Papier kostengünstig schließen. Überprüfen Sie den Plan Zeile für Zeile anhand Ihrer Gefahrenanalyse, bevor Sie Zeit für Laborversuche einplanen.

Ein gut durchdachter Plan macht die Integration in das Rudel zu einem Bestätigungsschritt

Ein gut strukturierter BMS-Testplan macht die Integration des Akkupacks zu einer Bestätigung der Ergebnisse, die Ihnen bereits vorliegen. Die Anforderungen lassen sich auf Testfälle zurückverfolgen, die Testfälle werden in einer festgelegten Reihenfolge ausgeführt, und die Meilensteine werden anhand von Zahlen erreicht. Wenn das Akkupack schließlich eintrifft, überprüft Ihr Team die Verkabelung und das tatsächliche Verhalten der Zellen, anstatt erst die Schutzlogik zu ermitteln.

Dieses Ergebnis ist eher auf Gewohnheiten als auf Werkzeuge zurückzuführen. Teams, die die Abnahmekriterien bereits vor dem ersten Test festlegen, streiten sich in der Regel weniger und bringen das Produkt schneller auf den Markt, da die Frage der Fertigstellung dann keine Meinungssache mehr ist. Der Plan wird zwar nicht jede Überraschung beseitigen, aber er sorgt dafür, dass jede einzelne kleiner und leichter zu erklären ist.

„Ein gut strukturierter BMS-Testplan macht die Integration des Akkupacks zu einer Bestätigung der Ergebnisse, die Ihnen bereits vorliegen.“

Das erleben wir bei OPAL-RT, wenn „ Ingenieur:innen “ ein BMS zu einem emulierten Akku mitbringen und der Plan bereits feststeht. Die Zeit am Prüfstand wird für die Durchführung von Testfällen genutzt, wodurch die anschließende Akkuintegration reibungsloser verläuft.