Test von Batteriemanagementsystemen

Die Effizienz, Zuverlässigkeit und Sicherheit

moderner Lithium-Ionen-Batterien für elek-

trische Antriebssysteme hängen in großem

Maße von ihrer elektronischen Steuerung,

dem Batteriemanagementsystem (BMS), ab.

Merkmale des ETAS BCS-LABCAR

Der ETAS Batteriezellen-Simulator

BCS-LABCAR (Battery Cell Simulator) ist Teil

des HiL-Testsystems für Batteriemanage-

mentsysteme (BMS-LABCAR). Mit dem

BCS-LABCAR können bis zu 200 Batteriezel-

len simuliert und somit sämtliche Kompo-

nenten eines Batteriemanagementsystems

auf Herz und Nieren geprüft werden. Zusam-

men mit seinem Partner comemso GMBH

hat ETAS diesen hochpräzisen BCS-LABCAR

entwickelt.

Genauigkeit des Systems

Wichtig für die Batteriezellensimulation ist

die genaue Darstellung des Batterieverhal-

tens. Mithilfe des Batteriezellen-Simulators

können Zellspannungen von 0 V sowie im

Bereich von 0,85 bis 8 V in unter 4 ms mit ei-

ner Genauigkeit von 0,5 mV pro Zelle gere-

gelt werden. Jede Batteriezelle verfügt über

eine elektronisch geregelte Last, die Balan-

cingströme (Ladungsausgleich zwischen Bat-

teriezellen) mit Strömen von 0 bis 2,5 A bei

einer Genauigkeit von ± 2 mA ermöglicht.

So können einzelne Ladungszustände präzise

simuliert werden. Die Genauigkeit der Batte-

riezellensimulation wird am elektrischen An-

schluss des zu testenden Batteriemanage-

ment-Systems für Kabelver bindungen bis zu

mehreren Metern Länge gewährleistet.

Durch Parallelschalten mehrerer Zellen (Dual-

oder Quad-Modus) des BCS-LABCAR ist die-

se Genauigkeit auch für Entladeströme bis

Auf einen Blick

Hochpräzise Batterie-

zellensimulation (Span-

nung und Strom)

Aktives und passives

Balancing der Batterie-

zellen

Hochgenaue Strom-

messung

Coulomb-Messung für die

Ladungsregelung

Integrierte Simulation

elektrischer Fehler für

jede Batteriezelle, inkl.

Verpolung

Kopplung mit einem

Batterie- und Fahrzeug-

modell als Gesamt-

fahrzeugsimulation am

LABCAR HiL-System

Parallelschaltung der

Batteriezellen für hohe

Ströme

Maximaler Nennstrom

bis 3 A bei geregelter

Spannung

Batteriezellen-Simulator BCS-LABCARBatteriesimulation für Laboranwendungen

Abbildung 1: Desktop-System mit

24 Zellen für kleine Testumgebungen

Abbildung 2: Break-Out Box mit isolier-

tem Bananensteckern und geschirmten

Kabeln

Aktives Balancing bei hohen Strömen

12 A und Ladeströme bis 10 A für die ein-

zelne Batteriezelle gewährleistet.

Zusätzlich bietet jeder Zellenausgang ein

hochpräzises Strommesssystem mit einer

Abweichung von ±10 μA. Dank dieser ein-

zigartigen Eigenschaft kann der

BCS-LABCAR sowohl Balancing-Ströme

für Ladungsausgleich messen als auch

Leckströme einzelner Batteriezellen (La-

dungsverluste) detektieren. So kann die

Zellentladung durch BMS bei aktivem und

passivem Betriebszustand analysiert wer-

den. Mit der integrierten Couloumb-Mes-

sung der einzelnen Batteriezellen können

Balancing-Vorgänge mit einer Genauigkeit

von 2 • 10-7 Coulomb (As) gemessen wer-den.

Da die genaue Steuerung von Spannung

und Stromstärke für das Batteriemanage-

ment von Lithium-Ionen-Zellen sehr wich-

tig ist, wird für den BCS-LABCAR ein Kali-

brierungsservice angeboten. Darüber

hinaus kann das System einfach vom Nut-

zer justiert werden.

Temperatursimulation

Die Temperaturüberwachung und -steue-

rung durch das BMS ist von großer Bedeu-

tung, deshalb wird für die Entwicklung, Va-

lidierung und Erprobung seiner

Kontrollalgorithmen eine hochpräzise elek-

trische Temperatursimulation benötigt. Die-

se wird mittels eines NTC-/PTC-Simulations-

boards umgesetzt, mit dem sich

charakteristische Kennlinien von NTC-/PTC-

Widerständen mit Werten von 0 bis

8 MΩ bei einer Genauigkeit von 1 Ω simu-lieren lassen. Darüber hinaus sind andere

Widerstandsbereiche mit noch höheren

Auflösungen verfügbar.

Dieses Gerät dient in erster Linie der Simu-

lation von Temperatursensoren in Batteri-

en von Elektrofahrzeugen und ist daher

für Spannungen bis 1 kV ausgelegt

Fehlersimulation

Jede Batteriezelle verfügt über eine Feh-

lersimulation für Kurzschluss, Kabelbruch

und Verpolung. Darüber hinaus kann mit

der Fehlersimulation ein externe Span-

nung in jede Batteriezelle eingespeist wer-

den, zum Beispiel von Klemme 30 oder 31

(KL30/KL31).

Aktives Balancing bei hohen Strömen

Aufgrund der vom Batteriemanagement-

system (BMS) erzeugten Balancing-Ströme

(Ladungsausgleich) wird in der elektronisch

geregelten Last Energie gespeichert, die zu

Temperaturschwankungen in BCS-LABCAR

führt. Der BCS-LABCAR-Controller gleicht

diesen thermischen Effekt aktiv aus und

die regelt am BMS-Anschluss die genaue

Spannung ein. So ist sichergestellt, dass in

allen Temperaturbereichen dieselbe Ge-

nauigkeit erreicht wird. Diese Genauigkeit

ist die Voraussetzung für realitätsnahe, re-

produzierbare Tests.

Simulationsmodelle

Im Zuge der BMS-Entwicklung müssen

verschiedene Funktions- und Validierungs-

tests absolviert werden. Dies erfordert

eine zuverlässige und reproduzierbare

Simulation von Lithium-Ionen-Batterien

auf Basis ihrer kleinsten Einheit, der Batte-

riezelle.

Abbildung 4: 96-Zellen-System in einem

Rack mit einer Normgröße von 33 HE

(Höheneinheiten) im 19-Zoll-Format mit

Simulation von 96 Batteriezellen,

24-Kanal-Temperatursensorsimulation

und RTPC für aufwendige Tests

Abbildung 3: Funktionsübersicht der Zellensimulation

Steuergerät

Niederspannungs-bereich

Simulation von Temperatursensoren

Bereich: 0 Ω ...8 MΩAuflösung: 1 Ω Genauigkeit: +/-25ppm / °C

Spannungsbereich: 0.85...8 VNennstrom: 0...3 A ** (0...6 A, 0...12 A)Genauigkeit: ± 0,5 mVWelligkeit: ±2 mV (fg = 5 kHz)Sprungantwort 1 V�4 V: 4 msSprungantwort 4 V�1 V: 1..10 ms (lastabhängig)Kurzschlussfest

Interne Spannungsquelle pro Zelle

Nennstrom: 0...2 A** (0...5 A, 0...10 A)Genauigkeit: ±2 mAKurzschlussfest

Interne elektronische Last pro Zelle

Emulation von bis zu 200 Zellen

KabelbruchKurzschlussVerpolungExterne Spannungsversorgung (U1; z.B., KL30, KL31)

Simulation elektrischer Fehler pro Zelle

...

Bereich: ±3 AGenauigkeit zwischen -3 A ... +2 A: ±2 µA zwischen +2 A ... 3 A: besser als 0,4%

Messung pro ZelleA

V

Bereich: ±10 mAGenauigkeit: ±10 µA

Messung pro ZelleA

Bereich: ±3 A • 50 msAuflösung: 1 mA • 100 µsGenauigkeit: ±2 • 10-7 As

Coulomb-Messung pro ZelleC

**DUAL-/QUAD-Modus

Hochspannungsbereich bis 1.000 V

+

-

CAN-Bus

ETA

S-PG

A/M

KC2_

AKO

/07_

2016

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www.etas.com

Technische Daten

Bestellinformation

Merkmal Eigenschaft Genauigkeit

Bereich der Zellversorgung

auf CAN

0 V, 0,85 V...8 V, bis zu 3 A

(6 A Dual Mode, 12 A Quad Mode)

Genauigkeit ±0,5 mV,

Auflösung 250 μV

Elektrische Last auf CAN 0 A … 2,5 A, (5 A, 10 A) pro Zelle Genauigkeit ±2 μA,

Auflösung 100 μA

Strommessung ±10 μA im Bereich