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14 DESIGN&ELEKTRONIK 03 2021 www designelektronik de Messtechnik Netzgeräte für BMS-Tests ■ BMS mit Netzgeräten testen Um Batteriezellen komplett simulieren zu können muss nicht nur die Abgabe von Strom während des Entladens sondern auch die Stromaufnahme während des Ladens nachgebildet werden Dazu werden Zwei-Quadranten-Netzgeräte benötigt Für solche Anwendungsfälle gibt es spezielle Netzgeräte die neben der üblichen Spannungsund Stromregelung auch den Innenwiderstand variabel verändern können Für die realistische Nachbildung des Innenwiderstands einer Zelle muss sowohl die Strommessung als auch die Einstellung der Spannung mit hinreichend kurzen Latenzzeiten möglich sein Hochstrombatterien haben kleine Innenwiderstände die sich bei Belastung schnell verändern Hierfür ist eine latenzfreie Hardware-Regelung vorteilhaft um statische Tests bei konstantem Ladezustand zu realisieren In vielen Anwendungsfällen genügt der statische Test nicht die Batteriezellen müssen dynamisch simuliert werden Hierfür erfolgt die Einstellung der Ausgangsspannung in Abhängigkeit vom Ladezustand sowie vom aktuellen Stromfluss des simulierten Akkus Reale Batterien weisen ganz unterschiedliche Eigenschaften auf abhängig vom Typ der Batterie und deren Ladezustand Leerlaufspannung und Innenwiderstand sind wichtige Parameter die vom Ladezustand der Batterie abhängen Ein Beispiel für eine Lithium-Ionen-Zelle ist in Bild 3 zu sehen Insbesondere wenn batteriebetriebene Geräte auf maximalen Batterieladezyklus optimiert werden müssen sollte das Entladeverhalten des Batterietyps berücksichtigt werden Eine Batteriesimulatorfunktion muss die Nachbildung der tatsächlichen Eigenschaften am Ausgang der Batterie ermöglichen Hierzu wählt der Anwender ein Batteriemodell aus wobei Batteriekapazität und Ladezustand frei eingestellt und somit an die entsprechende Messaufgabe angepasst werden können Datensätze für die typischen Batterietypen Blei LithiumIonen NiCd und NiMH sollten bereits vorkonfiguriert in Textdateien vorhanden sein So lassen sie sich einfach abändern und damit an die Anforderungen einer bestimmten Anwendung anpassen Die Bedienoberfläche einer Batteriesimulation in einem Netzgerät von Rohde & Schwarz zeigt Bild 4 Im Automotive-Bereich werden Netzgeräte vor allem zum Test des Zellenmanagements auf Modulebene eingesetzt Prinzipiell lassen sich so Systeme aller Leistungen abbilden Für kleine bis mittlere Leistungen können Netzgeräte dies durch eine integrierte Batteriesimulation direkt nachbilden Für sehr große Leistungen simuliert Software die eigentlichen Ladeund Entladeströme und in den Netzgeräten fließen nur die Ausgleichsströme Weitere Anforderungen an Netzgeräte für den Test von Batteriemanagementsystemen sind erdfreie Ausgänge galvanische Trennung vom Schutzleiter und eine hohe Spannungsfestigkeit bezogen auf Erdpotenzial um eine Reihenschaltung von ausreichend vielen Zellen simulieren zu können Je nach Einsatzzweck und Ladungszustand variiert der Innenwiderstand der Zelle Hochstrombatterien haben einen sehr niedrigen Widerstand während Batterien mit niedrigen Strömen und geringer Selbstentladung einen höheren Widerstand darstellen zum Beispiel Knopfzellen Deshalb muss die Ausgangsimpedanz in weitem Bereich variiert werden können Bei diesen Testaufbauten ist es wichtig dass die Netzgeräte selbst die Spannungen und Ströme rückwirkungsfrei und mit höchster Präzision messen Würde dies mit einem externen Multimeter realisiert werden wäre das Messergebnis durch die auftretende Burden-Voltage Spannungsabfall am Strommesswiderstand stark verfälscht Außerdem erstrecken sich die Batterieströme über einen sehr großen Dynamikbereich wodurch es zwangsläufig zu Bereichsumschaltungen kommt Bei einem Bild 3 Verlauf der Leerlaufspannung und des Innenwiderstandes einer Li-Ionen-Zelle in Abhängigkeit vom Ladezustand Bild 4 Bedienoberfläche einer Batteriesimulatorfunktion