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Testen von Battery
Management Systemen
mit R&S Netzgeräten

Für das Testen und Validieren von Batteriemanagementsystemen können die R&S NGM200 Netzgeräte die einzelnen Batteriezellen simulieren. In vielen Fällen können sie weitaus teurere dedizierte Batteriesimulatoren ersetzen.

Testen von Batteriemanagementsystemen
mit Rohde & Schwarz Netzgeräten

Rohde-Schwarz Rack for Testing of Battery Management Systems with NGM Power supplies - Allice Messtechnik

Anordnung mit acht NGM202-Zweikanal-Netzgeräten zur Simulation von bis zu sechzehn Batteriezellen im Einsatz in einem 48-V-System.

Blockschaltbild eines Akkupacks
mit Batteriemanagementsystem

schematic of a battery pack with battery management system (BMS)

Batteriemanagementsysteme überwachen, steuern und verwalten aktiv verschiedene Parameter von Batteriezellen.

Die Aufgabe

Es ist von entscheidender Bedeutung, die in batteriebetriebenen Geräten und Fahrzeugen verwendeten Akkus zu simulieren, zu messen und zu testen. Überladung und Tiefentladung verkürzen die Lebensdauer der Akkus. Defekte können zur Überhitzung einer Batterie führen und sogar einen Brand verursachen. Größere Batterien werden typischerweise gebaut, indem mehrere Zellen in Reihe und parallel geschaltet werden. Da durch alle Zellen der gleiche Lade- und Entladestrom fließt, würden individuelle Unterschiede in der Batteriekapazität, Selbstentladung etc. im Laufe der Zeit zu unterschiedlichen Ladezuständen (SoC) führen und somit die Kapazität und Lebensdauer der Batterie einschränken.

Batteriemanagementsysteme (BMS) überwachen, steuern und verwalten aktiv verschiedene Parameter von Batteriezellen.

Die Aufgaben eines BMS sind:

  • Bestimmen des SoC jeder Zelle
  • Überwachung der Integrität und Leistungsminderung jeder Zelle (Gesundheitszustand, SoH)
  • Erkennen von Fehlern und außergewöhnlichen Bedingungen und Vermeidung von Gefahren wie Überhitzung und Feuer
  • Balancing des SoC zwischen den Zellen
  • Wärme- und Energiemanagement

Der Ausgleich kann passiv realisiert werden, indem während des Ladevorgangs selektiv die Zellen mit der höchsten Ladung geladen werden oder indem Schaltregler verwendet werden, um aktiv Energie von den Zellen mit dem höchsten Ladezustand zu denen mit dem niedrigsten Ladezustand zu übertragen. Da BMS eine entscheidende Rolle für die Batterielebensdauer und Ausfallsicherheit spielen, müssen sie gründlich getestet werden. Die Tests müssen alle Bedingungen simulieren, die im Betrieb möglicherweise auftreten können.

Rohde & Schwarz Lösung

Die DC-Netzteile NGL200 und NGM200 von Rohde & Schwarz sind vielseitige Geräte mit allen notwendigen Funktionen zum Testen und Validieren von Batteriemanagementsystemen.

NGL200 und NGM200 unterstützen den Zwei-Quadranten-Betrieb als Quelle und Senke. Quellenströme bis 6 A und Senkenströme bis 3 A sind möglich. Alle Ausgänge sind vollständig gegen Masse isoliert. Sie können in Reihe geschaltet werden, um Akkupacks auf Einzelzellenebene bis zu einer maximalen Spannung von 250 V gegen Masse zu emulieren. Die einstellbare Ausgangsimpedanz kann zwischen -50 mΩ und 100 Ω eingestellt werden. Strom- und Spannungsmessungen am Netzteilausgang liefern hochauflösende Werte.
Alle Funktionen sind vollständig fernsteuerbar mit Befehlsbearbeitungszeiten von weniger als 6 ms.

Darüber hinaus verfügt die Netzteilserie NGM200 über einen optionalen Batteriesimulationsmodus, der eine realistische Simulation verschiedener vordefinierter oder benutzerdefinierter Zelltypen ermöglicht. Leerlaufspannung und Innenwiderstand in Abhängigkeit vom Ladezustand werden für jeden Zelltyp in einer ASCII-Datei definiert. Diese Eigenschaften ermöglichen es, die Zelleigenschaften mit hoher Präzision und hoher zeitlicher Auflösung zu simulieren und über die Zeit zu variieren. Bei kleinen und mittleren Batterien kann der Zellstrom direkt aus den Netzgeräten entnommen werden.

Bei größeren Batterien, wie sie in Automobilanwendungen verwendet werden, müssen die Lade- und Entladeströme für die BMS-Tests nicht physikalisch fließen. Aktuelle Messergebnisse, z.B. Spannungen über Shunt-Widerständen werden dem BMS simuliert, und die Netzteile stellen die Zellspannungen her und liefern die Ausgleichsströme.

Batterie Simulation

Batteriesimulation: Die wichtigsten Parameter zur Charakterisierung des Batteriezustands sind in einer Anzeige zusammengefasst.

Die Batteriesimulationssoftware enthält Datensätze gängiger Batterietypen, die leicht modifiziert werden können.

Mit dem zweikanaligen R&S®NGM202 kann die Batteriesimulation auf beiden Kanälen gleichzeitig genutzt werden.

Batteriesimulation mit NGM200

Insbesondere wenn batteriebetriebene Geräte auf Lebensdauer optimiert werden müssen, ist das Entladeverhalten des Batterietyps zu berücksichtigen. Die Batteriesimulatorfunktion des NGM200 ermöglicht es, die reale Batterieleistung zu simulieren. Getestet werden kann auf Basis eines ausgewählten Batteriemodells, wobei Batteriekapazität, SoC und Voc auf beliebige Zustände eingestellt werden können, um das Gerät unter bestimmten Umständen zu testen. Auch das Ladeverhalten einer Batterie kann simuliert werden. Dies ist besonders wichtig bei der Konstruktion von Batterieladegeräten. In dieser Anwendung wird das Netzteil NGM200 im Sink-Modus verwendet. Beide Fälle bieten eine dynamische Simulation, bedeutet Voc, ESR und SoC ändern sich entsprechend den Lade-/Entladebedingungen wie bei einer echten Batterie. Der Ladezustand wird grafisch dargestellt; alle anderen Werte werden numerisch angezeigt.

Batteriemodelle

Reale Batterien weisen je nach Batterietyp und Ladezustand unterschiedliche Eigenschaften auf. Kapazität, Leerlaufspannung (Voc) und äquivalenter Serienwiderstand (ESR) sind wichtige Batterieeigenschaften, die vom Ladezustand (SoC) abhängen. Die Option NGM-K106 ermöglicht es dem Anwender, das Verhalten von Batterien unter verschiedenen Ladebedingungen zu simulieren, z.B. wenn ein DUT mit Strom versorgt wird.
Um ein Batteriemodell zu definieren, können die Daten der Batterie einfach über den integrierten Batteriemodelleditor eingegeben werden. Datensätze für die gängigen Akkutypen Pb, Li-Ion, NiCd und NiMH stehen als vorkonfigurierte Dateien zur Verfügung. und können leicht an die Anforderungen einer bestimmten Anwendung angepasst werden. Zusätzliche Batteriemodell-Datensätze können über USB geladen werden.

Battery Modeling Tool für NGM und NGU zum Erstellen eines Batteriemodells aus der Entladeprotokolldatei Ihrer Batterie. Dieses Python-Skript erstellt eine .csv-Datei für Ihr NGM/ NGU.  (Python 3.7 Umgebung ist dazu erforderlich). (ext. Link zu R&S -Python-script)

Zusammenfassung

Der kompakte Formfaktor der NGM- und NGL- Netzgeräte und ihre max. 2 Kanäle pro Einheit ermöglichen eine flexible Konfiguration und platzsparende Setups zum Testen eines BMS. Ein 19-Zoll-Rackmount-Kit und Backplane-Anschlüsse ermöglichen eine einfache und robuste Integration in Racks.

Neben der Batteriesimulationsoption NGM-K106 bietet die Netzteilserie NGM200 eine verbesserte Messgenauigkeit und schnelle Aufzeichnung von Strom und Spannung bis zu einer Abtastrate von 500.000 Werten pro Sekunde. Die Batteriesimulationsoption kann Profile ausführen, die in ASCII-Dateien gespeichert sind; diese Profile beschreiben die Leerlaufspannung und den Innenwiderstand in Abhängigkeit vom Ladezustand. Profile für gängige Batterietypen sind im Netzgerät gespeichert. Die schnelle Protokollierungsfunktion kann zur Fehlersuche schmale Strom- und Spannungsspitzen und Störungen erfassen.

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System Integration

Die Allice Messtechnik GmbH mit Sitz in Frankfurt ist Distributor und Systemintegrator für Prüf- und Messgeräte. Für Systemlösungen setzen wir hochwertige Messtechnik von Rohde & Schwarz ein. Bei Allice Messtechnik finden Sie sowohl technischen Support als auch Service- und Kalibrier-Dienstleistungen für Rohde & Schwarz Messgeräte.

Kontaktieren Sie einen Messtechnik-Spezialisten unter Tel 069-67724583

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