Entwicklung fortschrittlicher Testlösungen für Elektrofahrzeugbatterien

Mit jedem Elektroauto, das heute verkauft wird, werden die Wirtschaftlichkeit und die Reichweite wichtiger. Für die Konstrukteure ist es von entscheidender Bedeutung, dass sie auch das letzte Joule an Energie aus den Batterien und dem elektrischen System herausholen. Viele OEM- und Tier-1-Lieferanten arbeiten in diesem Zusammenhang intensiv an der Entwicklung serienreifer Festkörperbatterien mit hoher Energiedichte.
Im Rahmen der Fahrzeugentwicklung führen Ingenieure Energieflussanalysen durch, um die Effizienz der Energieübertragung in den verschiedenen Subsystemen und deren Anteil am Energieverbrauch zu ermitteln. Diese Analyse fließt in das Simulationsmodell für die Wirtschaftlichkeitsanalyse ein und dient als Grundlage für die Formulierung angemessener Leistungsindikatoren. Eine genaue Messung und Vorhersage des Energieverbrauchs von Fahrzeugen ist sowohl für ihre Planung als auch für ihren Betrieb erforderlich. Die Entwicklung effizienter und EMV-konformer elektrischer Komponenten wie E-Motoren, Wechselrichter, Ladegeräte und Energiemanagementsysteme ist in vollem Gange.
Ergänzend zur eigentlichen Fahrzeugtechnik werden derzeit zudem intelligente Vehicle-to-Grid-Energiemanagementkonzepte, Leitungen für einen schnellen und hohen Energiefluss sowie induktive Ladelösungen entwickelt. Die Technologie zur Unterstützung dieser Megatrends ist längst über die „Wunschzettelphase“ hinaus. Infolgedessen zeigt die jüngste Entwicklung bei Elektrofahrzeugen, dass Stromsensoren mit Genauigkeitsklassen von 0,1% bis 0,01% für genaue Leistungsmessungen mit kurzzeitigen Spitzenströmen bis 2000 A benötigt werden.

Zur Unterstützung der Entwicklung heutiger und zukünftiger Elektrofahrzeuge hat der Datenerfassungsspezialist Dewesoft das Hochstrom- und Hochspannungsmesssystem SIRIUS XHS-PWR auf den Markt gebracht. Die größte technische Herausforderung bei seiner Entwicklung war es, die für die Messungen erforderliche Kombination aus hoher Bandbreite und extremer Spannungs- und Strommessgenauigkeit zu erreichen und sie in einem kleinen und robusten, für die Testumgebung geeigneten Gehäuse unterzubringen.

Kerntechnologie:
Der patentierte Platiše Nullflusswandler PFS

Der Platiše Nullflusswandler verbindet die Vorteile aus Hall-Sensor und Nullflusswandler. Zum einen können hochpräzise und breitbandige Messungen wie bei Nullflusswandlern durchgeführt werden, zum anderen liegt der Energieverbrauch in der Größenordnung von Hall-basierenden Stromsensoren. Wie ist das möglich?

Die patentierte Technologie des Platiše Nullflusswandlers besteht im Vergleich zu Nullflusswandlern nur aus einem Kern mit einem „magnetischen Schalter“. Dieser Kern verfügt über eine Spezialkonstruktion mit mehreren Wicklungen. Die Abbildung zeigt den Aufbau des Sensors mit den Spulen LS, LSR und LDC .

Die Sekundärspule LS dient dabei wiederum zur Erfassung des AC-Anteils – wie bereits eingangs beschrieben. Nun teilt sich aber der Kern in zwei Pfade auf in welchen jeweils eine Spule (LSR und LDC) zu finden ist. Im Normalbetrieb teilt sich somit der magnetische Fluss auf beide Pfade auf - wie in der Abbildung gezeigt.

Eine dieser Spulen (LSR) dient jedoch als „magnetischer Schalter“ mit dem Ziel den magnetischen Fluss durch den Kern kurzzeitig umzulenken. Dieser „magnetische Schalter“ beruht auf dem Reluktanzprinzip (bekannt aus der Antriebstechnik bei Reluktanzmotoren). Wird der Schalter zugeschaltet entsteht auf diesem Pfad des Eisenkerns eine Sättigung und die relative Permeabilität sinkt auf 1. 

Dadurch wird der magnetische Widerstand im Vergleich zum anderen Pfad des Eisenkerns sehr hoch und der (nahezu) gesamte magnetische Fluss fließt über diesen Pfad. Über die Spule LDC an diesem „Messpfad“ kann nun durch die Änderung des magnetischen Flusses der DC-Anteil des Signals ermittelt werden.

Über die „Messspule“  LDC kann somit der Gleichanteil und über die Sekundärspule (LS) der breitbandige Wechselstromanteil erfasst werden. Die Signale für die DC- und für die AC-Messung werden dabei in einer ausgeklügelten Schaltung kombiniert. 

Dieses kombinierte Signal fließt einerseits über die Sekundärwicklung zurück und stellt die Balance der Magnetfelder wieder her (Nullfluss-Kompensation). Andererseits wird das Signal über einen Hochpräzisionswiderstand (Folienwiderstand) geführt und steht als ein dem primärstrom-proportionales Kleinspannungssignal zur Verfügung. 

Der PFS wendet sozusagen ein Nullflusswandlerprinzip an, das darin besteht den magnetischen Fluss kurzzeitig umzuleiten, um für eine die zur Ermittlung von Gleichströmen notwendige Änderung von magnetischen Feldern hervorzurufen. Da der Wandler stets kompensiert betrieben wird und durch die Verwendung von hochpermeablen Werkstoffen ist man auch bei dieser Technologie nicht abhängig von den magnetischen Eigenschaften (B-H) des Eisenkerns und Messungen mit höchster Bandbreite und hoher Linearität bei geringem Phasenfehler sind garantiert. Ein geringer Offset wird durch eine intelligente Ansteuerung des magnetischen Schalters erreicht.
Da diese Technologie nur einen Eisenkern erfordert, entstehen gegenüber den herkömmlichen Nullflusswandlern zusätzliche Vorteile wie der äußerst geringe Stromverbrauch oder die viel kompaktere Bauform.  Eine geringe Empfindlichkeit gegenüber externer Magnetfelder wird ebenso erreicht (1-Kern).

Die Vorteile des Platiše Nullflusswandlers sind:

• Sehr geringer Stromverbrauch

• Kompakte Bauform

• Geringes Gewicht

• Hohe Genauigkeit

• Hohe Bandbreite

• Hohe Linearität

• Geringer Temperaturdrift

• Geringer Offset

• Geringe Empfindlichkeit gegenüber externer Magnetfelder

• Kein Luftspalt (im Vergleich zu Hall-Sensoren)

Die Software DewesoftX berechnet und speichert automatisch nicht nur die Rohdaten von den Spannungs- und Stromwandlern, sondern auch alle Leistungsparameter, wie P, Q, S, D, cos φ und Leistungsfaktor, P, Q und cos φ für jede Harmonische und mehr. Jeder Parameter kann visuell in verschiedenen Zeitverlaufsgraphen, FFT-Graphen, Scopes und numerischen Anzeigen dargestellt werden. Auch leistungsspezifische Anzeigen wie Vectorskop und Harmonic FFT stehen zur Verfügung und können an beliebiger Stelle auf dem Bildschirm platziert werden. Mit einer Computergrafikkarte als Multithread-Berechnungsplattform ist das DewesoftX-Leistungsmodul in der Lage, alle diese Parameter mit einer Abtastrate von bis zu 15 MS/s zu berechnen.

Kompatibilität mit Standardprotokollen

In der heutigen Welt der offenen Toolchains und der Interkommunikation sollten Geräte mit den Standardprotokollen kompatibel sein. Mit dem SIRIUS XHS-PWR können alle diese Protokolle simultan verwendet werden. OPC UA ist mehr als nur ein Industriestandardprotokoll; es ist ein solider Rahmen, in dem SIRIUS XHS-PWR in jedem System – einschließlich SCADA, MES, ERP, mobilen Geräten und anderen – beschrieben und konfiguriert werden kann.

XCP-on-Ethernet (TCP/IP) begann mit der Version 1.4 XCP und hat sich inzwischen zu einem sehr leistungsfähigen Schnittstellenprotokoll für den Datenaustausch in der Automobilindustrie entwickelt. Im Zeitalter der E-Mobilität werden höhere Abtastraten benötigt als je zuvor, und diese 1-Gbit-XCP-Schnittstelle ermöglicht Datenübertragungen mit bis zu 1 Ms/s. Zum Leistungsumfang gehört auch CAN-2.0- und CAN-FD-Monitoring mit Messdatenübertragung von SIRIUS XHS-PWR über CAN an jede Drittanbieter-CAN-Schnittstelle. Über die CAN-FD-Schnittstelle lassen sich Fahrzeugbussysteme auslesen, und auch die Messdaten können über dieses „goldene“ Standardprotokoll übertragen werden.

Die Daten lassen sich somit mit anderen Datenquellen wie CAN, GPS, IMU, Video usw. synchronisieren. Zur Synchronisation von SIRIUS XHS-PWR-Geräten kann das neueste PTPv2-Zeitprotokoll verwendet werden (siehe Abbildung). Das SIRIUS XHS-PWR ist für den direkten Einbau in ein Fahrzeug geeignet. Die Stromleitungen verlaufen direkt durch das 279 x 151 x 63 mm große Gerät. Mit seinem Betriebstemperaturbereich von -40 °C bis 70 °C ist das SIRIUS XHS-PWR auch für Tests unter extremsten Bedingungen geeignet. Das 4,4 kg leichte, aus einem massiven Aluminiumblock gefräste Gehäuse mit Schutzart IP67 ist staub- und wasserdicht und hält auch rauen Fahrbedingungen in realer Umgebung stand.

Zukunftsorientiert

Das SIRIUS XHS-PWR ist für den Einbau in ein Fahrzeug direkt an den Stromleitungen konzipiert. Mit Schutzart IP67 ist es für den Einsatz in rauen Umgebungen, z. B. bei realen Fahrversuchen, geeignet. Es handelt sich um eine einzigartige Kombination aus HybridADC-Analog-Digital-Wandlern mit hoher Bandbreite und Spannungsmessverstärkern sowie DC-CT-Stromwandlern mit hoher Genauigkeit/Bandbreite – alles in einem kompakten und robusten, auch für extreme Umgebungsbedingungen geeigneten Gehäuse. Mit diesem System können Elektromobilitäts-Testingenieure Energieflussanalysen wie nie zuvor durchführen und so ihre Designs optimieren, um in heutigen und zukünftigen Elektrofahrzeugen die bestmögliche Energieleistung zu erzielen.

Die Welt der Elektroautos entwickelt sich rasant, und es ist noch nie so wichtig gewesen wie heute, dass Ingenieure bezüglich der Schlüsseltechnologien der Elektromobilität auf dem neuesten Stand bleiben. Bitte klicken Sie auf die eingebetteten Links, um mehr über das SIRIUS XHS-PWR, seine technischen Spezifikationen und die Durchbrüche im Bereich der Prüfung von Elektro- und Hybridfahrzeugen zu erfahren.