Sensor + Test 2012
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Das Dokument beschreibt das Sonderforum zur Elektromobilität, das am 22. Mai 2012 in Nürnberg stattfand, und konzentriert sich auf die Optimierung, Verifikation und Anwendung von Energiespeichermodellen, insbesondere für Batteriensysteme. Es werden verschiedene Test- und Simulationsfelder vorgestellt, einschließlich der Hardware-in-the-Loop (HiL) Batteriemodellierung, sowie Herausforderungen in der Messtechnik zur Erfassung präziser Fahrzeugdaten. Das Ziel ist eine effizientere Entwicklung von Elektrofahrzeugen durch die Kombination von realen und simulierten Testumgebungen.
Sensor + Test 2012
- 1. Sonderforum „Elektromobilität“ Sensor + Test 2012 - 22. Mai 2012, Nürnberg Fraunhofer IFAM Dip l. -Ing . Sta nis la v Va s ić, Étie nne Le duc Test- und Simulationsfeld für den elektrischen Antriebsstrang » Prüfe n - Te s te n - Be we rte n - Op tim ie re n « © Fraunhofer IFAM
- 2. Inhalt Hintergrund Vorstellung des Prüffelds Beispiel: Hardware in the Loop (HiL) - Batteriemodellierung Herausforderungen und Fragen an die Messtechnik © Fraunhofer IFAM Sensor + Test 2012 - 22. Mai 2012, Nürnberg - Sonderforum "Elektromobilität" Folie 2 / 22
- 3. Inhalt Hintergrund Vorstellung des Prüffelds Beispiel: Hardware in the Loop (HiL) - Batteriemodellierung Herausforderungen und Fragen an die Messtechnik © Fraunhofer IFAM Sensor + Test 2012 - 22. Mai 2012, Nürnberg - Sonderforum "Elektromobilität" Folie 3 / 22
- 4. Hintergrund Nachvollziehen und Vertiefen der Erfahrungen aus Feldversuchen © Fraunhofer IFAM ca. 100 E-Fahrzeuge (BEV) insgesamt auf den Straßen der Modellregion Bremen-Oldenburg (u.a. 75 PKW / NKW) Fahrzeuge bei verschiedenen Akteuren im Einsatz • Kommerzielle Nutzer (Einbindung von BEV in bestehende Flotten) • Private Nutzer (privates Car-Sharing mit BEV) Nahezu alle Fahrzeuge liefern In-Time Daten durch direkte Anbindung von Datenerfassungstechnologien an den Fahrzeugdatenbus (CAN) (elektrische, mechanische, thermische Daten des Fahrzeugverhaltens) Persönliche Erfahrungsberichte der Nutzer (Fragebögen, Interviews…) Sensor + Test 2012 - 22. Mai 2012, Nürnberg - Sonderforum "Elektromobilität" Folie 4 / 22
- 5. Hintergrund Optimierung, Verifikation und Applikation von Energiespeichermodellen Modellierung von Energiespeichern: am Beispiel von Batteriesystemen Mathematische Beschreibung des transienten Batterieverhaltens Modellierung der sich in Abhängigkeit einer Stromlast (z. B. Moment ~ Motorstrom) ergebenden Batteriespannung Modellierung von Degradationsmechanismen Bestimmung des SOC als f(x) © Fraunhofer IFAM Fahrzykl. Motor IMAX UBAT IDC MATLAB/Simulink Prüffeld Sensor + Test 2012 - 22. Mai 2012, Nürnberg - Sonderforum "Elektromobilität" Folie 5 / 22
- 6. Hintergrund (mittel-/langfristig) Optimierung, Verifikation und Applikation von Gesamtmodellen © Fraunhofer IFAM Komponenten-modelle Fahrzeug-modell Gesamt-fahrzeugmodell 1.) Abgleich der Modelle mit realem Fahrzeugverhalten 2.) Applikation der Modelle auf Simulationsprüffeld Vorhersage Fahrzeugverhalten Zahl aufwändiger Fahrzeugtests verringern Entwicklungszeiten und -kosten verringern Sensor + Test 2012 - 22. Mai 2012, Nürnberg - Sonderforum "Elektromobilität" Folie 6 / 22
- 7. Inhalt Hintergrund Vorstellung des Prüffelds Beispiel: Hardware in the Loop (HiL) - Batteriemodellierung Herausforderungen und Fragen an die Messtechnik © Fraunhofer IFAM Sensor + Test 2012 - 22. Mai 2012, Nürnberg - Sonderforum "Elektromobilität" Folie 7 / 22
- 8. Vorstellung des Prüffelds © Fraunhofer IFAM 2 gleiche Prüfstränge Psum= 100 kW Mmax= 500 Nm bis 2500 / min nmax= 8000 / min (Mrest= 156 Nm) Prüfung eines oder zweier gleicher Motoren (Wasserkühlung mgl.) 1 1 3 3 Schallschutzeinhausung Personen- und Schallschutz Temperaturkompensation 4 4 Testcontainer (extern) Temperaturbereich -40 … +140°C EUCAR Hazard level 7 Prüffeldlayout DC-Quelle Pmax= 120 kW U= 10…1000 V I= +/- 600 A 2 2 Simulator (z.B. Batterie) Sensor + Test 2012 - 22. Mai 2012, Nürnberg - Sonderforum "Elektromobilität" Folie 8 / 22
- 9. Vorstellung des Prüffelds Motorprüfung - Fahrzyklussimulation © Fraunhofer IFAM Sensor + Test 2012 - 22. Mai 2012, Nürnberg - Sonderforum "Elektromobilität" Folie 9 / 22
- 10. © Fraunhofer IFAM Temperaturkammer - T= -40 °C … +140 °C - Ständige N2-Inertisierung - Überdruckgeschützt - Max. 500 kg Systemmasse Testcontainer - ext. Sicherheitsbereich - F90-Brandschutzwände - ausgelegt nach EUCAR 7 Vorstellung des Prüffelds Energiespeicherprüfung Sensor + Test 2012 - 22. Mai 2012, Nürnberg - Sonderforum "Elektromobilität" Folie 10 / 22
- 11. Vorstellung des Prüffelds Basis-Funktionen Fahrzyklensimulation Motorprüfung Energiespeicher speist Motor Motor speist an Energiespeicher zurück Last speist ins Netz zurück © Fraunhofer IFAM Simulator speist Motor Motor speist an Simulator zurück Simulator speist ins Netz zurück Definierter Ausgangszustand (bzgl. Ladung/Temperatur) Energiespeicher speist an Simulator zurück Simulator speist ins Netz zurück Sensor + Test 2012 - 22. Mai 2012, Nürnberg - Sonderforum "Elektromobilität" Energiespeicherprüfung Folie 11 / 22
- 12. Vorstellung des Prüffelds Weitere Funktionen Restbussimulation (Sicherheits-) Botschaften an Motor (z.B. Tür geschlossen) fehlen Botschaften an / von Komponenten werden per CANbus übermittelt Simulation von CAN-Botschaften (z. B.) zur Sicherheitsüberbrückung Hardware in the Loop (HiL) Echtzeitsimulation: zeitsynchrone Verwertung der Messdaten Einfluss nicht vorhandener Komponenten kann simuliert werden Simulation durch MATLAB-Simulink-RealtimeWorkshop-xPCtarget © Fraunhofer IFAM Sensor + Test 2012 - 22. Mai 2012, Nürnberg - Sonderforum "Elektromobilität" Folie 12 / 22
- 13. Vorstellung des Prüffelds Zusammenfassung Motorprüfung Simultane Prüfung 2er Motoren Energierückgewinnung Feldbuskompatibel (CAN, CANopen, FLEXRay) Temperaturkompensation Echtzeitfähigkeit für HiL-Versuche Energiespeicherprüfung EUCAR Hazard Level 7 (ext. Testcontainer) Definierte Zyklierung (Lade-/ Entladezyklen) Temperaturbeaufschlagung: -40 … +140 °C Energieversorgung der Motoren durch · reales Energiespeichersystem oder · Energiespeichersimulator (progr. DC-Quelle) © Fraunhofer IFAM Sensor + Test 2012 - 22. Mai 2012, Nürnberg - Sonderforum "Elektromobilität" Folie 13 / 22
- 14. Inhalt Hintergrund Vorstellung des Prüffelds Beispiel: Hardware in the Loop (HiL) - Batteriemodellierung Herausforderungen und Fragen an die Messtechnik © Fraunhofer IFAM Sensor + Test 2012 - 22. Mai 2012, Nürnberg - Sonderforum "Elektromobilität" Folie 14 / 22
- 15. Beispiel: Batteriemodellierung Aufbau eines Pb-Säure-Modells (67 V, 130 Ah) in Simulink – Übersicht Zelle MATLAB demos, m a tla bro o t/toolbox/physmod/simscape/simscapedemos/ssc_lead_acid_battery 3 1 1Hauptzweig: Klemmenspannung nach chemischen Gegebenheiten (z. B. Pb-Säure) © Fraunhofer IFAM 2 4 2Anlaufverhalten: reaktionsträges Verhalten bei schneller Änderung der Anforderungen 3Thermischer Zweig: z. B. Elektrolyttemperatur jeder Zelle 4 Störzweig: Energieverluste beim Aufladen Aufbau gilt pprriinnzziippiieellll ffüürr jjeeddee BBaatttteerriieecchheemmiiee ((„„nnuurr““ aannddeerreess PPaarraammeetteerrvveerrhhaalltteenn )) Sensor + Test 2012 - 22. Mai 2012, Nürnberg - Sonderforum "Elektromobilität" Folie 15 / 22
- 16. Beispiel: Batteriemodellierung Aufbau eines Pb-Säure-Modells (Unenn= 67 V, C= 130 Ah) in Simulink - Pack © Fraunhofer IFAM Modellaufbau: 5 (S) Module (à 13,3 V Unenn) mit je 6 Zellen (z. B. normalverteilte) Zellspannungen zur Abbildung von Zellvariationen sind möglich Zellspannungen bei jedem Modellierungsstart neu Experimentelle Eingabedaten: Entladekurven von 5 (S) x 12 V, 130 Ah Pb-Säure-Batterien Entladekurven bei 25 °C mit C/2 (65 A) und C/1 (130 A) Übergabe der gemessenen Stromverläufe an Modell Sensor + Test 2012 - 22. Mai 2012, Nürnberg - Sonderforum "Elektromobilität" Folie 16 / 22
- 17. Beispiel: Batteriemodellierung Ergebnisse des Pb-Säure-Modells (67 V, 130 Ah) in Simulink - Entladekurven EErrggeebbnniiss:: nnaacchh FFiitt eexxppeerriimmeenntteelllleerr PPaarraammeetteerr ((zz.. BB.. IInnnneennwwiiddeerrssttaanndd)) FFeehhlleerr EExxppeerriimmeenntt // SSiimmuullaattiioonn << 11 %% PPrroobblleemm:: EEiinnmmaalliiggee DDuurrcchhffüühhrruunngg PPaarraammeetteerrffiitt ffüürr jjeeddee bbeettrraacchhtteettee TTeemmppeerraattuurr,, jjeeddee LLaaddee--//EEnnttllaaddeerraattee,, jjeeddee BBaatttteerriieecchheemmiiee © Fraunhofer IFAM Sensor + Test 2012 - 22. Mai 2012, Nürnberg - Sonderforum "Elektromobilität" Folie 17 / 22
- 18. Beispiel: Batteriemodellierung - HiL Nicht-vorhandene Komponenten und deren Wirkungen sind modellierbar © Fraunhofer IFAM Sensor + Test 2012 - 22. Mai 2012, Nürnberg - Sonderforum "Elektromobilität" Simulationsmodell der zu modellierenden Komponenten (z.B. in MATLAB) Modellschnittstelle zu Targetcomputer (z.B. xPC-Target zu conga embedded Computer) Echtzeitfähiges Messsystem (z.B. imc Cronos-PL) Prüfling(e) (z.B. Motoren…) Rückwirkung (z.B. I, U, T, SoC…) Folie 18 / 22
- 19. Inhalt Hintergrund Vorstellung des Prüffelds Beispiel: Hardware in the Loop (HiL) - Batteriemodellierung Herausforderungen und Fragen an die Messtechnik © Fraunhofer IFAM Sensor + Test 2012 - 22. Mai 2012, Nürnberg - Sonderforum "Elektromobilität" Folie 19 / 22
- 20. Herausforderungen und Fragen an die Messtechnik Ko m p le x e s Zusammenspiel aus konkurrierender e m p find liche r und ro bus te r Messtechnik sowie Kund e na nfo rd e rung e n EEmmppffiinnddlliicchh ((zz..BB..)):: •Thermoelemente (μV) •Drehmomente (mA, mV) •Hoch dynamisch (ms) •Frequenzüberlagerung •Temperaturüberlagerung RRoobbuusstt ((zz..BB..)):: •Spannungen (bis 1000 V) •Ströme (bis 600 A) •Leistungen (bis 100 kW) •Hoch dynamisch tlw. mit Frequenzüberlagerung •Temperaturüberlagerung © Fraunhofer IFAM Und trotzdem Kundenforderung nnaacchh…… •geringer Störanfälligkeit (Rauschen) •Echtzeitfähigkeit (HiL) •Abdeckung des gesamten Messbereiches •geringer Wartungsanfälligkeit •hoher Bedienerfreundlichkeit •geringen Investitionskosten Sensor + Test 2012 - 22. Mai 2012, Nürnberg - Sonderforum "Elektromobilität" z.B. Störung (EMV) Beeinflussung Folie 20 / 22
- 21. Beispiel: Batteriemodellierung - HiL © Fraunhofer IFAM Sensor + Test 2012 - 22. Mai 2012, Nürnberg - Sonderforum "Elektromobilität" Fazit Hoch komplexes Zusammenspiel und immer komplexer werdende Aufgaben und Anforderungen für die künftige Messtechnik! Folie 21 / 22
- 22. © Fraunhofer IFAM Danke für die Aufmerksamkeit ? - Fragen- ? Fraunhofer IFAM Dipl.-Ing. Stanislav Vasić Abteilung: Elektrische Systeme Wiener Straße 12 28359 Bremen Tel.: 0421-2246-105 Email: stanislav.vasic@ifam.fraunhofer.de Sensor + Test 2012 - 22. Mai 2012, Nürnberg - Sonderforum "Elektromobilität" Folie 22 / 22