Utveckling av avancerade testlösningar för elfordonsbatterier

Den här artikeln publicerades i Evaluation Engineering och återges här med tillstånd.

Utvecklingen inom batteritestteknologi går snabbt framåt, och ingenjörer behöver hålla sig uppdaterade om de senaste bästa metoderna och nya testmetodiker.

Med varje elbil som säljs idag blir ekonomisk prestanda och räckvidd allt viktigare. Att utnyttja varje joule energi från batterier och det elektriska systemet är avgörande för konstruktionsingenjörer. Utvecklingen av serietillverkade solid-state-batterier med hög energitäthet drivs av många OEM- och Tier 1-leverantörer.

Under fordonsutvecklingen utför ingenjörer analyser av energiflöden för att förstå energieffektiviteten och hur energiförbrukningen fördelas mellan olika delsystem. Denna analys ligger till grund för simuleringsmodeller som används för att utvärdera ekonomisk prestanda och definiera relevanta prestandaindikatorer. Noggrann mätning och prediktion av energiförbrukning är avgörande både under utveckling och i drift. Samtidigt utvecklas effektiva och EMC-stabila komponenter som elmotorer, växelriktare, laddare och energihanteringssystem.

Utanför fordonet utvecklas intelligenta Vehicle-to-Grid-lösningar, kablage för snabb och hög effektöverföring samt induktiv laddning. Dessa teknologier är redan långt utvecklade och ställer höga krav på mätutrustning. Exempelvis krävs strömsensorer med noggrannhet mellan 0,1 % och 0,01 %, samt förmåga att hantera toppströmmar upp till 2000 A.

För att stödja utvecklingen av dagens och morgondagens elfordon har Dewesoft utvecklat SIRIUS XHS-PWR, ett datainsamlingssystem för mätning av höga strömmar och spänningar. En av de största tekniska utmaningarna var att kombinera hög bandbredd med extrem mätnoggrannhet i ett kompakt och robust system som lämpar sig för testmiljöer.

Kärnteknologier

SIRIUS XHS-PWR bygger på flera avancerade teknologier, där en av de viktigaste är DC-CT-strömsensorn. Denna lösning möjliggör mycket noggranna strömmätningar även i krävande applikationer, inklusive mätning av höga strömtoppar och läckströmmar.

DC-CT-transducern bygger på en kärna med hög permeabilitet och använder en sluten nollflödesprincip, där mätningen sker genom att kompensera magnetiskt flöde. Den innovativa Platiše Flux Sensor (PFS) är en central del av denna teknik.

DC-CT-transducern kan liknas vid en AC-strömtransformator där primär- och sekundärlindningar kopplar transformatorn för växelströmmar ner till några få hertz. Precis som i andra slutna återkopplingssystem mäter PFS kontinuerligt det kvarvarande magnetiska flödet i kärnan, vilket uppstår från skillnaden mellan primärströmmen och kompensationsströmmen i sekundären.

Utgången från PFS är proportionell mot det magnetiska flödet i kärnan och används för att styra återkopplingskretsar som justerar kompensationsströmmen så att ett nollflödesläge återställs. På så sätt speglar kompensationsströmmen primärströmmen mycket exakt, skalad efter förhållandet mellan lindningarna.

DC-CT-teknologin med Platiše Flux Sensor representerar den senaste utvecklingen inom strömmätning, med mätområden på 100, 500 och 1000 A, bandbredd över 500 kHz och mycket hög prestanda. Den erbjuder utmärkt linjäritet, precision och noggrannhet, samt hög immunitet mot externa magnetfält, låg offset och mycket låg temperaturdrift, allt vid låg energiförbrukning. Den kan även mäta spänningar direkt upp till 2000 V toppvärde med bandbredd upp till 5 MHz.

DC-CT-tekniken bygger på en innovativ princip för isolerad mätning av både lik- och växelströmmar. I en magnetisk kärna kan magnetiskt flöde normalt bara mätas om det varierar. Eftersom likström skapar ett konstant flöde, omfördelas detta flöde periodiskt över flera vägar i samma kärna. När man observerar flödet från en av dessa vägar framstår det som växlande och kan därför mätas med en enkel lindning där spänningen är proportionell mot strömmen.

Detta möjliggörs genom en strömstyrd variabel reluktanskrets, där en så kallad “infinity winding” är integrerad i en kärna utan luftgap. Till skillnad från Hall-effektbaserade sensorer, som kräver ett luftgap och därmed minskar känsligheten, behåller DC-CT hög känslighet och är mer okänslig för externa magnetfält. Dessutom är tekniken i princip oberoende av temperatur.

Jämfört med traditionella fluxgate-sensorer, som aktivt driver kärnan mellan extrema magnetiska tillstånd och därmed förbrukar mer energi, arbetar DC-CT mer effektivt. I fluxgate-system extraheras strömvärdet genom metoder som andra harmoniska eller pulsbreddsmodulering i självoscillerande kretsar.

Avancerade fluxgate-lösningar kräver upp till tre kärnor, jämfört med en enda i DC-CT-transducern. Två används för mätning i motsatta riktningar för att minska brus, och en tredje för att utöka AC-bandbredden. Fluxgate-sensorer återställer kärnan kontinuerligt, medan DC-CT demagnetiserar kärnan vid behov. DC-CT är därför energieffektiv, kompakt, lågbrusig, har hög bandbredd, är temperaturstabil och kostnadseffektiv. Befintliga lösningar täcker områden från 2 A upp till 2000 A, med bandbredd upp till 1 MHz och noggrannhet från 0,1 % ner till 0,01 %.

Tekniken kan även användas som ersättning för DC/AC-läckströmsensorer i klass B+.

Platiše Flux Sensor bygger på en magnetisk kärna genom vilken primärströmmen löper. En sekundär kompensationslindning med fler varv är placerad runt kärnan. Strukturen inkluderar även öppningar i det magnetiska materialet som bildar sensorns funktionella delar, en strömstyrd variabel reluktans och mätlindningar.

Skillnaden mellan primär- och sekundärström skapar ett restflöde i kärnan. Genom att styra reluktansen omfördelas flödet mellan olika vägar i kärnan. När reluktansen ändras leds flödet huvudsakligen genom en specifik väg, vilket skapar en tydlig förändring i magnetiskt flöde som kan mätas. Denna förändring omvandlas till en signal vars amplitud motsvarar flödets storlek och vars fas anger dess riktning.

HybridADC analog-till-digitalt system

En annan central teknologi i SIRIUS XHS-PWR är HybridADC-systemet. Ett högpresterande sensorsystem kräver motsvarande prestanda i datainsamlingen. Därför kan varje kanal konfigureras individuellt med två olika inspelningslägen.

High Bandwidth Mode erbjuder över 5 MHz bandbredd och upp till 15 MS/s samplingshastighet. Systemet kan registrera impulser, steg- och fyrkantsignaler utan översläng eller ringningar. Detta läge är optimalt för transientanalys och effektmätningar och använder SAR-ADC-teknik med låg latens.

High Dynamic Mode erbjuder upp till 2 MS/s med 24-bitars upplösning och brick-wall anti-aliasing-filter som helt eliminerar frekvenser utanför passbandet. I detta läge används Sigma-Delta ADC-teknik.

Det är viktigt att notera att varje kanal kan ställas in individuellt, vissa kan arbeta i hög bandbredd och andra i hög dynamik, och alla signaler är perfekt tids­synkroniserade utan fasförskjutning. Data kan även synkroniseras med andra källor, såsom fordonsbussar som CAN, samt GPS, IMU, video och mer. SIRIUS XHS-PWR-system kan synkroniseras via PTPv2-protokoll, IRIG-tidskod eller PPS-signal. Absolut tids­synkronisering kan också uppnås via lokala tidsservrar eller GPS.

DewesoftX-programvaran beräknar och lagrar automatiskt inte bara rådata från spännings- och strömsensorer, utan även alla effektparametrar, såsom P, Q, S, D, cos φ, effektfaktor samt motsvarande värden för varje harmonisk komponent. Varje parameter kan visualiseras med olika typer av grafer, inklusive tidsdiagram, FFT-grafer, oscilloskop och numeriska visningar.

Dessutom finns specialiserade visualiseringar för effektanalys, såsom vektorskop och harmonisk FFT, som kan placeras fritt på skärmen. Genom att använda datorns grafikkort som en parallell beräkningsplattform kan DewesoftX utföra dessa beräkningar i realtid upp till en samplingshastighet på 15 MS/s.

Kompatibilitet med standardprotokoll

I dagens värld av öppna system och integrerade verktyg måste enheter stödja standardiserade protokoll. Alla dessa protokoll kan användas samtidigt med SIRIUS XHS-PWR. OPC UA är mer än bara en industristandard, det är ett komplett ramverk där SIRIUS XHS-PWR kan beskrivas och integreras i system som SCADA, MES, ERP och även mobila enheter.

XCP över Ethernet (TCP/IP), introducerat i version 1.4, har blivit ett kraftfullt protokoll för datautbyte inom fordonsindustrin. I dagens e-mobilitet krävs mycket höga samplingshastigheter, och detta 1 Gbit XCP-gränssnitt möjliggör dataöverföring upp till 1 MS/s.

CAN 2.0 och CAN FD stöds också, där mätdata från SIRIUS XHS-PWR kan skickas till externa CAN-system. Samtidigt kan fordonsbussar läsas via CAN FD, medan mätdata överförs genom detta etablerade protokoll.

Data kan därmed synkroniseras med andra källor som CAN, GPS, IMU och video. SIRIUS XHS-PWR kan synkroniseras med den senaste PTPv2-tidsprotokollet.

Systemet är konstruerat för direkt installation i fordon. Strömledningar passerar genom enheten, som mäter 279 × 151 × 63 mm. Med ett arbetstemperaturområde från -40 till 70 °C lämpar den sig för tester i extrema miljöer. Den robusta aluminiumkonstruktionen och den låga vikten gör att den klarar krävande körförhållanden, och med IP67-klassning är den skyddad mot damm och vätskor.

Framåtblick

SIRIUS XHS-PWR är utformad för att installeras direkt i fordonets kraftledningar. Tack vare IP67-skydd kan den användas i krävande miljöer, såsom verkliga körtester. Systemet kombinerar HybridADC-omvandlare med hög bandbredd, mycket noggranna spänningsmätningsenheter och högprecisa DC-CT-strömsensorer i ett kompakt och robust format med starka miljöegenskaper.

Detta gör det möjligt för testingenjörer att analysera energiflöden i elfordon på en helt ny nivå och därmed optimera konstruktioner för maximal energieffektivitet i dagens och framtidens fordon.

Utvecklingen inom elfordon går snabbt, och det är viktigare än någonsin att ingenjörer håller sig uppdaterade om nyckelteknologier inom e-mobilitet. Följ länkarna för att läsa mer om SIRIUS XHS-PWR, dess tekniska specifikationer och de senaste framstegen inom testning av el- och hybridfordon.