Vereinfachung der Komplexität automatisierter Tests: Leistungstests von Elektrofahrzeugbatterien mit dem PXB-Netzteil

Um Messdaten aufzuzeichnen und Testgeräte zu steuern, kann die Ausführung von Software wie LabVIEW oder PyVISA/Python für automatisierte Tests umfangreiche und teure Setups erfordern. Die Komplexität dieser Setups kann jedoch durch das Testen von Elektrofahrzeugbatterien dramatisch zunehmen. Validierungstests im Automobilbereich können bei Batteriezyklen, Mess-/Aufzeichnungsgeräten, großen Klimakammern und Kühlsystemen ein umfangreiches und teures Unterfangen sein. Diese Infrastruktur ist notwendig, um sicherzustellen, dass die Automobilausrüstung trotz vieler potenzieller umweltbedingter, mechanischer und elektrischer Belastungen während der Lebensdauer eines Fahrzeugs ordnungsgemäß funktionieren kann.

Das Testen der Batterieleistung von Elektrofahrzeugen weicht von herkömmlichen Batterietests mit CC- und CV-Ladeprofilen ab. Diese Tests berücksichtigen beispielsweise den Einfluss von Oberschwingungen von Stromrichtern auf den Antriebsstrang des Elektrofahrzeugs und letztendlich auf das Laden und Entladen der Batterie. Bei diesen Tests müssen auch transiente Reaktionseigenschaften der Batterien berücksichtigt werden und erfordern realistischere dynamische Profile zum Laden der Batterie. Während dieser Tests ist es nützlich, über ein Netzteil zu verfügen, das diese Wellenformen ohne allzu große Softwarekomplexität einfach sequenzieren und ausgeben kann. Das Kikusui PXB-Netzteil ist mit seinem integrierten Webserver in der Lage, auf einfache Weise eine Sequenzierung durchzuführen und eine Testwellenform auf Knopfdruck auszugeben. Ein interner Datenlogger kann alle Messungen aufzeichnen, sodass der Benutzer anschließend die Batterieleistung analysieren kann. In diesem Artikel werden verschiedene Batteriewechseltests beschrieben und wie auch komplexe Tests mit dem PXB-Netzteil problemlos durchgeführt werden können.

Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion) sind oft die Batterie der Wahl für Elektrofahrzeuge und diese Batterien unterliegen sowohl kalendarischer als auch zyklischer Alterung. Der Kalender hängt wiederum hauptsächlich von der Temperatur und dem Ladezustand (SoC) der Batterie ab. Der SoC ist der Ladezustand der Batterie im Verhältnis zu sich selbst und wird normalerweise in Prozent ausgedrückt. Weitere Alterungsmechanismen treten durch den Lade- und Fahrbetrieb auf, wobei letzterer ein dynamisches Lastprofil erfordert.

Batteriewechseltests erfordern ein wiederholtes Laden der Batterie, bis sie ihr Energiespeicherpotenzial erreicht, und ein erneutes Entladen. Diese Zuverlässigkeitstests sind kostspielig und energieintensiv, da sie monatelange kontinuierliche Zyklen erfordern können. Die gesamte abgegebene Energie wird oft über eine konvektiv gekühlte (Flüssigkeit oder Umluft) Widerstandslastbank abgeführt. Verschiedene Parameter wie SoC, Temperatur, Kapazität und Entladungstiefe (DoD) werden nach jedem Zyklus oder an verschiedenen vorgegebenen Punkten während jedes Tests gemessen. Die Lademethoden können zwischen einer von mehreren Methoden variieren: Konstantstrom (CC), Konstantspannung (CV), Konstantleistung (CP) und die Hybrid-CC-CV-Lademethode. Eine Vorstellung von den verschiedenen Tests, die mit verschiedenen Li-Ionen-Technologien durchgeführt wurden, und deren öffentlich verfügbaren Datensätze können Sie hier einsehen. Die häufig verwendete hybride CC-CV-Methode ist in zu sehenAbbildung 1 . Die Batterie wird mit einem konstanten Strom (Ich) geladen, der es der Batterie ermöglicht, einen voreingestellten Spannungspegel (Uch) zu erreichen. Dann wird Uch konstant gehalten, während der Ladestrom allmählich abnimmt. Der Ladevorgang wird dann gestoppt, wenn der Ladestrom unter einem Abschaltwert (Iend) liegt, der typischerweise weniger als 3 % des Nennstroms beträgt [1].

Die Kikusui PXB-Netzteile können CC-, CV-, CP- und CC-CV-Ladevorgänge durchführen, um das stationäre Verhalten und die Lebensdauerleistung verschiedener Batterietopologien zu analysieren. Es ist zu beachten, dass je nach Verhältnis zwischen der Impedanz der Last und den Spannungseinstellungen dividiert durch die Stromeinstellungen (V/I=R) der Stromversorgung Überschwinger auftreten können. Überschwinger können verhindert werden, indem bei angeschlossenen Batterien die CC-Modus-Priorität eingestellt wird. Die erforderliche Reaktionsgeschwindigkeit des Netzteils kann je nach Testbedingungen und Lastspezifikationen optimiert werden (Figur 2).

Die bidirektionale Versorgung bietet auch Regenerationsmöglichkeiten vor Ort und stellt sowohl eine Quelle als auch eine Senke für Batteriezyklustests dar. Wenn das Gerät von der zu prüfenden Batterie wieder mit Strom versorgt wird, wird der Laststrom in wiederverwendbaren Strom umgewandelt und an die Wechselstromleitung zurückgespeist – wodurch möglicherweise benachbarte Racks und nahegelegene Testgeräte versorgt werden, anstatt überschüssige Energie mit Lastbänken zu verschwenden.

Wie bereits erwähnt, können Batteriestresstests zwischen einfacheren CC-CV-Profilen und dynamischeren Profilen reichen, um beispielsweise den Einfluss der Oberschwingungen des Antriebsstrangs auf den Gleichstrom der Traktionsbatterie zu simulieren [2]. Es ist auch bekannt, dass regeneratives Bremsen zu Ladeperioden mit hoher Stromstärke führt, was die Alterung der Batterie beschleunigen oder sogar die Li-Ionen-Batterie beschädigen kann. Dies erfordert möglicherweise dynamische Profile, um die Batterieleistung besser testen zu können [3].

Synthetische Fahrzyklen oder ein Geschwindigkeits-Zeit-Profil eines Fahrzeugs bieten einen dynamischeren Belastungstest und können zur Validierung verschiedener Batteriemodelle (z. B. Transient-Response-Modell erster Ordnung, Modell bei festem SoC usw.) verwendet werden, um letztendlich Daten zu sammeln Ermitteln Sie die Lebensdauer von Elektrofahrzeugbatterien und optimieren Sie die Lebensdauer einer Traktionsbatterie. Diese zyklischen Tests simulieren reale Bedingungen, bei denen eine Zusammenfassung von Leistungstests über einen kürzeren Zeitraum zur Schätzung der Ausfallraten verwendet wird. Die Tests dienen auch dazu, die Grenzen der Batterie unter härteren Bedingungen wie Thermoschock, Minustemperaturen sowie starken Vibrationen und mechanischen Stößen zu testen. Es ist nicht ungewöhnlich, mehrere Testzyklen für eine einzelne Batterie zu verwenden, um sicherzustellen, dass sie verschiedene Leistungsanforderungen erfüllen kann. Bei diesen Tests werden lange und detaillierte Sequenzen verwendet, die Strom, Spannung und Leistung im Laufe der Zeit dynamisch anpassen. Ein Beispiel hierfür ist in zu sehenFigur 3 . Bei den FUDS-Daten (Federal Urban Driving Schedule) handelt es sich beispielsweise um ein Standardmuster für Testzyklen, das die Batterien von Elektrofahrzeugen unter Bedingungen testet, die dem Fahren in einer geschäftigen Stadt mit unregelmäßigen Beschleunigungs- und regenerativen Bremsphasen ähneln. Profile wie diese können aus Hunderttausenden Datenpunkten in sehr kurzen Abständen in der Größenordnung von Millisekunden bestehen.

Ähnlich wie bei den traditionelleren CC-CV-Batteriezyklustests erfordern diese Aufbauten eine Gleichstromquelle (programmierbare Gleichstromversorgung) und eine Gleichstromlast (elektronische Last oder Widerstandslastbank). Die Gleichstromquelle muss jedoch in der Lage sein, diese komplexen Antriebszyklen auszuführen – eine Aufgabe, die nicht alle Netzteile bewältigen können. Das PXB hat den Vorteil, dass es diese Tests durchführen kann und gleichzeitig über eine Regenerationsfähigkeit verfügt, die es Herstellern ermöglicht, mit diesem Testgerät ihre Energie zu senken. Im Wesentlichen kann der PXB sowohl als Quelle als auch als Last für diese spezifischen Tests fungieren.

Mit dem PXB können voreingestellte Vorgänge wie dieser kontinuierlich ausgeführt werden. Insgesamt können 30 Programme erstellt und für bis zu 10.000 Schritte verknüpft werden, wobei alle Programme zusammengefasst werden. Darüber hinaus können bei sich wiederholenden Spannungsfenstern im Laufe der Zeit bestimmte Programme in einer Schleife ausgeführt werden (Figur 4 ). Alle diese Programme können im Speicher des PXB gespeichert werden, und alle Daten können auch über das Bedienfeld auf ein USB-Flash-Laufwerk exportiert werden.

Komplexe Wellenformen wie diese können einfach über den integrierten Webserver mit einer CSV-Datei, die die Schritte enthält, die ein Benutzer ausführen möchte, auf den PXB hochgeladen werden. Der Benutzer wählt einfach die erforderliche Sequenz aus und führt sie aus, um seinen Test durchzuführen (Abbildung 5).

Für zusätzliche Flexibilität ermöglicht der integrierte Webserver die Fernüberwachung von Tests, indem er dieselben Informationen wie Status- und Aktivitätsinformationen für jede PXB-Versorgung auf dem Frontbildschirm bereitstellt (z. B. eingestellter Strom, eingestellte Spannung, Leistung, Anstiegsrate, Wechselstrom). Netzspannung, Messungen, Ausgangseinstellungen, Speicher, Systemeinstellungen usw.). Der Nutzen der Sequenzcharakteristik ist nicht auf Batterietests/-validierungen beschränkt. Dies kann auch für die Konformitätsprüfung von Kfz-Stromversorgungseinheiten wie Wechselrichtern und Konvertern sowie anderen Kfz-Komponenten gemäß LV123, LV124 oder LV148 nützlich sein.

Der PXB kann nicht nur einen komplexen Batterieleistungstest automatisieren und aus der Ferne überwachen, sondern ist auch in der Lage, während des Tests Daten über einen integrierten Datenlogger aufzuzeichnen (Abbildung 6).

Eine Aufzeichnung lässt sich ganz einfach auf der PXB einrichten und kann später zur Analyse heruntergeladen werden. Interne Messungen wie Zeit, Spannung, Strom und Leistung können vom Datenlogger abgerufen werden, um Informationen wie Batteriekapazität, SoC usw. zu extrapolieren, ohne zusätzliche Kosten und die Notwendigkeit, dem Setup weitere Geräte hinzuzufügen. Dadurch entfällt auch der Bedarf an teurer Prüfstandssoftware oder der Aufwand für kundenspezifische Programmierung. Die Daten werden zur weiteren Analyse im CSV-Format aufgezeichnet.

Die PXB-Serie kann komplexe Batterieleistungstests automatisieren, indem sie einfach dynamische Lastprofile wie synthetische Fahrzyklen hochlädt. Dies wird einfach dadurch erreicht, dass eine CSV-Datei auf den integrierten Server hochgeladen und ausgeführt wird. Der Test kann einfach aus der Ferne überwacht werden, um sicherzustellen, dass alles reibungslos funktioniert. Alle internen PXB-Daten können auch über den integrierten Datenlogger des PXB aufgezeichnet werden, wodurch Zeit-, Spannungs-, Strom- und Leistungsdaten gespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt für eine erforderliche Analyse einfach angezeigt werden können.