Die Möglichkeiten der Emulation von Hochleistungs-Batterien

Laut einer kürzlich durchgeführten Umfrage des U.S. National Renewable Energy Laboratory (Bild 1) sind die Kosten (51 Prozent) der häufigste Grund, warum Menschen kein Elektrofahrzeug (Electric Vehicle, EV) benutzen, dicht gefolgt von den fehlenden Möglichkeiten, das EV aufzuladen, wenn sie nicht zu Hause sind (48 Prozent).

Diese Erwartungen haben die E-Mobilitäts-Community dazu veranlasst, die Kosten für Elektrofahrzeuge im Einklang mit ihren Pendants mit Verbrennungsmotor möglichst niedrig zu halten. Der Einsatz von Emulationen beim Testen und Verifizieren dieser Entwicklungen kann erheblich dazu beitragen, die Testkosten einzudämmen, wenn nicht gar zu reduzieren. Dies sind wichtige Schritte, um Elektrofahrzeuge erschwinglicher zu machen.

Auf veränderte Anwender-Erwartungen einstellen

Bild 1: Gründe für die fehlende Einbeziehung von Plug-in-EVs in die Kaufentscheidung. National Renewable Energy Laboratory

Traditionell haben Automobilhersteller im Vergleich zu anderen Industriezweigen lange Entwicklungszyklen. Ein Grund dafür ist die Notwendigkeit, strenge Sicherheitsvorschriften und Crashtest-Normen einzuhalten, die für alle Marken, ob Elektrofahrzeug oder Verbrenner, gelten. Neue EV-Marken wie Tesla, die von den Beschränkungen der traditionellen Autohersteller losgelöst sind, haben jedoch die Entwicklungen beschleunigt und eine Schlüsselrolle bei der Popularisierung des Elektroautos gespielt.

Im vergangenen Jahr kündigte Tesla die Übernahme von Maxwell Technologies an, einem Kondensatorhersteller, der bei der Entwicklung von Ultrakondensatoren mit hoher Leistungsdichte und von neuen Batterietechnologien Pionierarbeit geleistet hat. Analysten sagen, dass Tesla die neue Dry-Battery-Electrode-Technologie von Maxwell einsetzen will, um die Reichweite seiner Elektroautos auf über 650 km hinaus zu erhöhen, wobei billigere Batterien mit längerer Lebensdauer zum Einsatz kommen sollen.

Ohne Zweifel hat der Verbrennungsmotor zur Umweltverschmutzung beigetragen. Zusammen mit dem Klimawandel hat dies das Interesse an emissionsarmen Alternativen wie Elektroautos geweckt. Gegenwärtig machen Elektroautos nur einen sehr kleinen Prozentsatz der gesamten Fahrzeuge aus, aber das ändert sich, und verschiedene Branchenindikatoren zeigen einen bevorstehenden Wendepunkt an. Untersuchungen haben gezeigt, dass Elektrofahrzeuge bis 2040 wahrscheinlich 30 Prozent der Neuwagenverkäufe in China, Europa, Indien und den Vereinigten Staaten ausmachen werden. Bild 2 veranschaulicht die Verkaufsprognosen für Elektrofahrzeuge, Verbrenner und andere Fahrzeuge.

Die Hersteller von Verbrenner-Fahrzeugen wollen sich auch ihren Anteil am EV-Markt sichern und dazu müssen sie sich den neuen Herausforderungen bei Design und Herstellung von Elektrofahrzeugen stellen. Sie müssen sich mit der komplexen, leistungsstarken Hochspannungswelt der 300-V-Batterien als Antriebsquelle auseinandersetzen, anstatt einfach nur den traditionellen Verbrenner-Fahrzeugen mehr Leistung zu verleihen.

Im Vergleich zu seinem Vetter, dem Benzin- oder Dieselbetriebenen Fahrzeug, hat das Elektrofahrzeug zahlreiche spezifische Anforderungen. Das Hochenergie-Ökosystem der E-Mobilität erfordert von den Herstellern von Elektrofahrzeugen und den Herstellern von Ladestationen (Electric Vehicle Supply Equipment, EVSE) die Einhaltung von Sicherheits- und Leistungsstandards bei gleichzeitiger Gewährleistung der Kompatibilität mit verschiedenen Modellen auf der ganzen Welt. Bild 3 veranschaulicht die Komplexität des Umfelds der E-Mobilität. Alle Subsysteme müssen leistungs- und einsatzkritische Sicherheitsstandards erfüllen.

Höhere Spannungen, Kosten und Risiken

Bild 2: Verkaufsprognosen für Elektrofahrzeuge, Verbrenner und andere Fahrzeuge: Die Verkäufe von Elektrofahrzeugen nehmen ständig zu. IHS Markit

Die Ergänzung um Hochspannungs-Hochleistungs-Batterien ist möglicherweise eine der wichtigsten Designüberlegungen. Die Integration dieser Batterien in Bordsysteme, die traditionell aus einer 12-V-Quelle gespeist werden, stellt eine zusätzliche Herausforderung dar. Außerdem gehen von solchen Hochspannungen Risiken aus.

Die für den Test solcher Systeme verwendete Ausrüstung kann auch teurer in der Anschaffung und im Betrieb sein. Eine 10-kW-Stromquelle verbraucht zehnmal so viel Strom wie eine 1-kW-Quelle, was bei Betrachtung der von einem Autohersteller eingesetzten Mehrfach-Prüfstände eine hohe Ausgabe darstellt. Die Hersteller müssen Sicherheitsstandards einhalten und dafür sorgen, dass zusätzliche Einrichtungen, wie zum Beispiel eine Netzabschaltung, vorhanden sind. Die während des Testprozesses abgegebene Wärme ist ebenfalls ein Gesichtspunkt. Unter Umständen ist zusätzliche Ausrüstung zur Kühlung der Anlagen erforderlich.

Emulation von Hochleistungs-Onboard-Batterien

Das Herzstück eines Elektrofahrzeugs ist das Batterie-Subsystem. Während des Ladevorgangs fließt Energie in die Batterie, entweder aus dem Netz oder durch regeneratives Bremsen, und beim Antrieb des Fahrzeugs oder seiner Zubehörteile fließt Energie aus der Batterie. Die Fähigkeit dieses Systems, das Fahrzeug effizient und sicher zu laden und anzutreiben, ist für die Funktionalität des EV von entscheidender Bedeutung. Daher ist es wichtig, dass die Batterie rigorosen Tests unterzogen wird, um ihre Funktionstüchtigkeit und Leistungsabgabe zu überprüfen. Die Entwickler setzen zunehmend auf die Batterieemulation, um eine Leistungsvalidierung und die Erkennung von Frühausfällen zu ermöglichen.

Da ein EV extremen Temperaturschwankungen, Vibrationen und Feuchtigkeit ausgesetzt ist, müssen diese Onboard-Energie-Subsysteme in der Lage sein, solchen Umweltbedingungen standzuhalten. Die Ingenieure verwenden die Emulation zur Imitation von Hochleistungsbatterien und zur Untersuchung der Auswirkungen der Batterieleistung auf verschiedene Prüflinge (DUTs) unter verschiedenen Bedingungen.

Ingenieure können Emulatoren auch als DC/DC-Wandler verwenden. So können sie beispielsweise 12 V auf 48 V aufwärts wandeln, um das Verhalten des Batterie-Management-Schaltkreises zu testen, oder 48 V auf 12 V abwärts wandeln, um die Funktion der Klimaanlage zu testen. Die Entwickler arbeiten auch an Systemen, bei denen überschüssige Energie in der EV-Batterie das Stromnetz in Spitzenzeiten unterstützt. Dazu gehört die DC/AC-Wandlung, da das Netz im AC-Betrieb arbeitet. Die zur Schaffung einer solchen Umgebung verwendete Emulation ermöglicht es den Ingenieuren, solche Subsysteme zu validieren und zu testen. Der Keysight RP7900 ist beispielsweise ein Emulator, der mehr als 85 Prozent des Stroms von einem EV-Prüfling in das Netz zurückspeisen kann, wodurch die im Prüfling erzeugte Wärme reduziert wird.

Thema Ladeinfrastruktur

Bild 3: Elektrofahrzeuge treiben Technologieinvestitionen im gesamten E-Mobilitäts-Ökosystem voran. Keysight

Die Ladeinfrastruktur ist ein weiteres Anliegen der Anwender. Die Automobilindustrie investiert verstärkt in EVSE. Der Bedarf an Ladestationen könnte bis 2030 bis zu 30 Millionen Einheiten betragen. Es besteht ein massives Wachstumspotenzial für EVSE-Hersteller; allerdings müssen sich sowohl EV- als auch EVSE-Hersteller mit Interoperabilitäts- und Konformitätsvorschriften auf der ganzen Welt auseinandersetzen.

Gegenwärtig ist das Laden in drei Stufen unterteilt: langsames AC-Laden (Aufladen über Nacht an einer 230-V-Steckdose), mittleres AC- Laden (Aufladen eines mittleren EV mit 24-kWh-Batterie in sechs Stunden) und DC-Schnellladung (80 prozentiges Aufladen einer mittelgroßen EV-Batterie mit 24 kWh in nur 30 Minuten). Diese hohen Ströme könnten sich auf die Leistung der Batterie auswirken, wenn sich ihre Temperatur erhöht.

Aufgrund der weltweit unterschiedlichen Spannungsstandards müssen Auto- und EVSE-Hersteller sicherstellen, dass ihre Produkte interoperabel sind und den Konformitätsvorschriften entsprechen. Kooperationen zwischen Herstellern von EVs und EVSEs schaffen neue, effizientere Möglichkeiten, die Leistung solcher Schnittstellen zu testen und zu validieren; die Emulationstechnologie ist dabei eine wichtige Testmethode.

Der sogenannte Man-in-the-Middle-Test verwendet Emulation, um die Kommunikations- und Leistungssignale zwischen EVSE und EV zu messen und zu dekodieren; die Tests helfen, potenzielle Interoperabilitätsprobleme zu ermitteln. Die Ausrüstung lässt sich so anpassen, dass sie je nach Ladepunkt und Fahrzeugmodell beziehungsweise je nach den Ladestandards eines Landes unterschiedliche Testparameter ausführen kann.

Emulation von Batteriezellen, -modulen und -packs

Die Kosten der in EVs verwendeten Zellen sind ein weiteres Problem, mit dem die Hersteller konfrontiert sind. Derzeit sind die durchschnittlichen Energiekosten für ein Elektrofahrzeug etwa doppelt so hoch wie die seines Verbrenner-Pendants. Die Industrie ist bestrebt, diese Kosten zu senken, und hat deshalb Teams von Spezialisten zusammengestellt, die die Energiekosten auf das Niveau herkömmlicher Autos bringen wollen.

Neue Hochleistungs-Energiespeichersysteme und die Zusammenschaltung mehrerer Speicherzellen zu Modulen und Packs erfordern intelligente Batteriemanagementsysteme (BMS). Diese Systeme sind für Sicherheit, Wärmemanagement, Leistungsausgleich und Ladezustand verantwortlich.

Die Emulation, die für Tests und BMS-Optimierung verwendet wird, kann verschiedene Zelltypen und eine Reihe von Batteriezellen-, Modul- und Packmodellen simulieren. Während sich die Welt auf eine Zukunft des emissionsfreien Transports vorbereitet, wird sich die Emulationstechnologie parallel dazu weiterentwickeln, um den Ingenieuren bei der Realisierung vieler Innovationen im Bereich der E-Mobilität zu helfen.

(na)

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