Komplettlösungen für Entwicklung und Test

Die globale Erwärmung und die Endlichkeit fossiler Brennstoffe zwingen zum Umdenken und damit zur Entwicklung umweltfreundlicher Energiesysteme. Smart-Grids, die unter anderem auf erneuerbaren Energien beruhen, gewinnen daher seit einigen Jahren zunehmend an Bedeutung und bereiten einer umweltfreundlichen Energieversorgung den Weg. Der Strom wird dabei aus natürlichen Ressourcen wie Wind und Sonne gewonnen, wobei beide im Laufe eines Tages mal mehr, mal weniger verfügbar sind. Die daraus resultierenden Schwankungen im Energieertrag müssen dem Energiebedarf angepasst werden, der im Laufe des Tages ebenfalls variiert. Stromnetze verbinden hierzu eine hohe Anzahl verteilter Energiequellen mit den Verbrauchern. Hier schließt sich der Kreis zu den zukünftigen Mobilitätskonzepten basierend auf elektrischer Antriebstechnologie. Diese neuen Fahrzeugkonzepte und erneuerbare Energiequellen sind Megatrends in der Automobil- und Energietechnik.

Um die Netze nicht zu überlasten, muss zum Beispiel das Ladeverhalten der Nutzer analysiert und gesteuert werden. Welche Herausforderungen ergeben sich im Detail? Ein wichtiger Aspekt ist der fundamentale Wandel im Bereich der Entwicklung und der Absicherung der elektrischen Fahrzeugkonzepte. Dabei beschränken sich die Entwicklungsaktivitäten nicht mehr nur alleine auf das Fahrzeug; auch die Ladetechnologie und die Anbindung an die elektrischen Netze müssen betrachtet werden.

Elektrofahrzeuge

Durch die Elektrifizierung der Antriebsaggregate müssen neue Komponenten wie Hochleistungsenergiespeicher, Leistungselektronik und elektrische Traktionsantriebe entwickelt, integriert und getestet werden. Mit dem Wegfall der Verbrennungskraftmaschine müssen zudem bereits bekannte Komponenten wie Servolenkung, Klimaaggregat und Bremssystem an die Anforderungen eines Elektrofahrzeuges adaptiert werden. Leistungselektronik und elektrische Antriebe sind auch hier die Lösung, um die konventionellen Systeme aus Hydraulik und Riemenantrieben zu ersetzen.

Ladesäule

Mit einem Tankstopp verbinden die meisten Autofahrer traditionell eine kurze Pause von etwa 5 Minuten, um unkompliziert 1000 km Reichweite nachzufüllen. Damit die Ladesäulen einer Stromtankstelle über die gleichen Eigenschaften verfügen, sind einige technische Hürden zu nehmen. Um das Schnellladen mit Leistungen von über 22 kW zu ermöglichen, muss die Wechselspannung bereits in der Ladesäule in eine Gleichspannung umgewandelt werden. Hierfür kommen aktive Gleichrichter mit Leistungsfaktorkorrektur zum Einsatz, die entsprechend der Norm EN61000-3-2 netzkonform arbeiten müssen. Damit die Fahrzeugbatterie trotz der sehr hohen Ladeleistung nicht zu Schaden kommt, müssen die Ladesäule und das Fahrzeug intensiv miteinander kommunizieren und Spannung, Strom sowie die Temperatur zyklisch überwachen. Die Kommunikation zwischen dem Elektrofahrzeug und der Ladevorrichtung ist in mehreren Standards wie CHAdeMO, ISO 15118 und GB/T 27930 definiert.

Intelligente Netze (Smart-Grids)

In Europa vertrauen wir auf eine stabile Spannungsversorgung. Damit das so bleibt, muss im Hinblick auf die neuen Teilnehmer sichergestellt werden, dass sie das Netz nicht negativ beeinflussen. Für den Test von Ladesäulen und regenerativen Einspeisern ist daher die Echtzeitsimulation von elektrischen Verteilnetzen und deren speziellen Komponenten essenziell. Während der Markt für elektrische Antriebe kontinuierlich wächst, entwickeln sich Elektrofahrzeuge zu einem vielversprechenden Hilfsmittel für Energiesysteme mit erneuerbaren Energien, da es mit ihnen möglich ist, Schwankungen im Energieertrag zum Teil aufzufangen. Die Batterien von Elektrofahrzeugen sind als mobile Speichersysteme einsetzbar, die sich jederzeit mit dem Netz verbinden lassen, wenn zusätzlicher Strom benötigt wird oder überschüssiger Strom für die spätere Verwendung gespeichert werden muss – das V2G-Konzept (Vehicle-to-Grid).

Welche Möglichkeiten bieten sich im Entwicklungs- und Absicherungsprozess der oben dargestellten Technologien?

Reglerentwurf und Rapid Control Prototyping

Hochleistungstests sind in vielen Anwendungen erforderlich. dSPACE

Der zunehmende Einsatz elektrischer Motoren bringt größere Aufwände für die Entwicklung, die Validierung und die Implementierung der erforderlichen Regelalgorithmen mit sich. Diese zusätzliche Arbeitslast lässt sich durch den modellbasierten Entwurf zusammen mit RCP-Plattformen (Rapid-Control-Prototyping) minimieren. Die RCP-Systeme von dSPACE nutzen die automatische Code-Generierung, um aus der modellbasierten Regelbeschreibung eine Echtzeitapplikation zu generieren und mit der I/O zu verbinden. So werden die neuen Regelalgorithmen für den Entwickler greifbar. Neue Regelstrategien können optimiert und in einer realen Umgebung schnell und ohne Einschränkungen getestet werden. Design-Fehler lassen sich sofort finden und Korrekturen unmittelbar vornehmen.

Reglerimplementierung und Seriencode-Generierung

Sobald die neuen Funktionen entwickelt und gründlich getestet sind, müssen sie auf dem Zielsteuergerät implementiert werden. Das heißt, dass Seriencode aus dem Matlab/Simulink/Stateflow-Modell generiert wird, der spezifische Steuergeräte-Eigenschaften wie Speicher und Rechenleistung berücksichtigt. Der Seriencode-Generator dSPACE TargetLink generiert hocheffizienten C-Code direkt aus Matlab/Simulink/Stateflow und erlaubt die frühe Verifikation durch Integration von Simulation und Test. Das verkürzt die Zeit für die Implementierung deutlich und sorgt für systematische Konsistenz von Spezifikation und Seriencode. Änderungen auf Modellebene werden schnell in Code übertragen.

ECU-Tests und HiL-Simulation

Sind die Steuergeräte-Funktionen auf dem Seriensteuergerät implementiert, müssen sie in realistischen Szenarien getestet werden. Mit der HiL-Simulation (Hardware-in-the-Loop) von dSPACE wird die Steuergeräte-Umgebung simuliert, die aus interagierenden Komponenten oder sogar aus einem ganzen System bestehen kann. So lassen sich alle unterschiedlichen Motorvarianten, Batterietypen, Netzeinflüsse und Antriebsstrategien der Steuergeräte abdecken. Dabei lassen sich gefahrlos extreme Bedingungen testen. Es lassen sich vielfältige Fehlersituationen einstellen und im automatisierten Betrieb nachvollziehbar und reproduzierbar überprüfen, unter anderem unter Berücksichtigung des ISO-26262-Standards.

Eine vollständige Absicherung eines Steuergeräts unter Laborbedingungen gelingt oft nur, wenn auch das Testsystem die reale Steuergeräte-Umgebung vollständig nachbildet. Immer mehr Steuergeräte, insbesondere in Elektrofahrzeugen, benötigen für eine vollständige Integration in die Testumgebung auch eine Anregung ihrer mechanischen Schnittstellen und Sensoren. Typische Anwendungen sind beispielsweise elektrische Lenkungen, aber auch elektrische Bremsverstärker. Da es seit jeher das Ziel von dSPACE ist, seinen Kunden schlüsselfertige HiL-Testsysteme zu liefern, werden auch diese Prüfstandsanteile mit abgedeckt, um ein optimal abgestimmtes Gesamtsystem anbieten zu können. Beim Prüfstandsaufbau kommen dem Unternehmen seine Erfahrung und die Produkte aus dem RCP-Umfeld zu Gute, mit denen es die notwendigen Lastmaschinen ansteuert.

Wie kommen nun die Entwicklungs- und Absicherungswerkzeuge in konkreten Anwendungen zum Einsatz?

Hochspannungsenergiespeicher

Batterien für Hybrid- oder Elektrofahrzeuge sowie für stationäre Speicher für die Netzstabilisierung bestehen üblicherweise aus Lithium-Ionen-Zellen mit einer nominalen Spannung von etwa 3,6 bis 4,2 V. Durch Reihenschaltung erhöhen sich die Spannungen auf über 800 V. Dabei beeinflusst eine einzelne fehlerhafte Zelle das Verhalten der gesamten Batterie. Für die Regelung dieser Hochleistungsbatterien ist ein Batteriemanagementsystem (BMS) erforderlich. Wesentliche Aufgabe des BMS ist es, die einzelnen Zellen vor Überladung, Tiefentladung und Überhitzung zu schützen. Hierzu muss unter anderem ein Ladungsausgleich zwischen den einzelnen Zellen durchgeführt werden (Cell-Balancing), um einen stets gleichen Ladezustand aller Zellen zu gewährleisten. Zusätzlich muss das BMS die aktuelle Kapazität der Batterie abschätzen.

Für die Entwicklung der Regelalgorithmen ergeben sich neben höchsten Anforderungen an die Echtzeitleistung des RCP-Systems auch spezielle Anforderungen an die Vermessung der Zellspannungen und die Aktivierung des Ladungsausgleiches. Die geforderten Genauigkeiten von 2 mV für die Spannungsmessung und 1 ms für die Update-Rate erreichen die RCP-Systemen von dSPACE dabei für bis zu 300 Zellen problemlos.

Hardware-in-the-Loop-Simulator zum Testen eines Batteriemanagementsystems. dSPACE

Umfassende Tests eines solchen Systems sind wegen der sicherheitskritischen Einstufung unerlässlich. Zur HiL-Simulation im Closed-Loop-Betrieb sind hierbei sowohl ein echtzeitfähiges Batteriesimulationsmodell als auch ein Zellspannungsemulator zur Ausgabe der analogen Klemmenspannung erforderlich. dSPACE stellt beides in Form des Multizellenmodells der Automotive Simulation Models (ASM) und des Batteriespannungsemulators EV1077 zur Verfügung.

Elektrischer Traktionsantrieb

Ein elektrisches Fahrzeug definiert sich im Wesentlichen durch eine Batterie und den elektrischen Antriebsstrang, dessen Hauptkomponenten die Leistungselektronik und der elektrische Motor sind. An diese Komponenten werden höchste Anforderung in Bezug auf Effizienz, Zuverlässigkeit und Performance gestellt. Das Thema elektrische Antriebstechnik ist für dSPACE nicht neu, denn bereits seit über 20 Jahren vertrauen Kunden aus anderen Branchen wie Bahntechnik und Industrie auf die Lösungen aus Paderborn. Wo die Ingenieure zur Regelung von elektrischen Antrieben hauptsächlich Strommessung, Drehgeberauswertung und PWM-Generierung fordern, liefert dSPACE bei der Simulation von elektrischen Antrieben komplette Testsysteme schlüsselfertig – und zwar unabhängig davon, ob der Antrieb auf mechanischer Ebene mit Lastmaschinen, mit elektrischer Leistungsebene mit hochdynamischen elektronische Lasten oder für Software-Tests auf Signalebene kontaktiert werden soll. Hohe Spannung und hohe Schaltfrequenzen stellen somit kein Problem dar.

Zum Beispiel erreichen die neusten elektronischen Lasten von dSPACE durch Parallelschaltung bei einer Spannung von 600 V mehrere hundert Kilowatt. So lassen sich zum Beispiel komplette Traktionsantriebe mit höchster Güte emulieren, wodurch sich in Kombination mit Echtzeitfahrzeugmodellen eine komplette HiL-Testumgebung darstellen lässt. Diese echtzeitoptimierten Simulationsmodelle sowie die notwendigen I/O-Schnittstellen für die freiprogrammierbaren FPGA- und Prozessorplattformen stehen für viele Anwendungen fertig zur Verfügung, wobei auch beliebige Erweiterungen auf Kundenwunsch möglich sind.

Wie lassen sich Elektrofahrzeuge in das Stromnetz integrieren?

Netzintegration der Elektrofahrzeuge

Für bekannte und etablierte Topologien beziehungsweise Strukturen sind bei dSPACE von der B6-Brücke bis zum Dreiphasenmotor fertige Bibliothekselemente verfügbar. Spezielle Wünsche und Kundenanfragen wie etwa DC/DC-Wandler decken dabei Engineering-Lösungen ab. Neuerdings zeigt sich jedoch, dass viele Anwendungen komplexer und individueller werden. Bei Elektro- und Hybridfahrzeugen gibt es Bordnetze mit unterschiedlichen Spannungsebenen. Auch im Bereich der erneuerbaren Energien beziehungsweise der Smart-Grids steigt der Bedarf an HiL-Simulation von leistungselektronischen Systemen. Insbesondere bei diesen Systemen mit unterschiedlichem Aufbau ist die Darstellung alleine aus fertigen Bibliothekselementen nicht immer zielführend. Individuelle Engineering-Modelle sind oftmals zu aufwendig. Mit der neuen Lösung „Electrical Power Systems Simulation Package“ können Anwender das Simulationsmodell direkt aus der Schaltungstopologie heraus erzeugen.

Zahlreichen Hersteller bieten Elektrofahrzeuge und sonstige Anlagen außerhalb des Elektrofahrzeugs an. Gleichzeitig weichen die Ladeinfrastrukturen je nach Region deutlich voneinander ab. Zum Beispiel variieren Ladestecker in ihrer Form teilweise beträchtlich von Land zu Land. Um diese Vielfalt zu beherrschen, kommt die Standardisierung ins Spiel. Die Kommunikation zwischen dem Elektrofahrzeug und der Ladevorrichtung ist in mehreren Standards wie CHAdeMO, ISO 15118 und GB/T 27930 definiert. Für die Absicherung der Kommunikation zwischen der Ladesäule, dem elektrischen Netz und den Fahrzeugen hält dSPACE Lösungen bereit.

(av)