Der deutsche Stromversorgungsspezialist Schulz-Electronic stellte sich rechtzeitig auf das Thema «E-Mobility» ein. In dessen Gerätepool findet man beispielsweise 2Q-DC-Quellen im Leistungsbereich von 20 kVA mit Ausgangsspannungen von einigen Hundert Volt, elektronische Lasten, bidirektionale AC-Quellen und auch Batteriesimulations-Software. Das Verhältnis zu den Lieferanten ist eng, Schulz-Electronic vertritt etliche Marken quasi wie ein Hersteller.
Drei Projektbeispiele sollen aufzeigen, wie unterschiedlich die Anforderungen an die Automobilindustrie und ihre Zulieferer gelagert sind. Patentlösungen gibt es selten. In fast allen Fällen sind massgeschneiderte Lösungen gefragt.
Projekt 1: Simulation von Batteriezellen
Lithium-Ionen-Batterien werden aufgrund ihrer Energiedichte von ca. 95 bis 190 Wh/kg in der Elektromobilität eine Schlüsselrolle spielen. Während man über Blei-Akkus gut Bescheid weiss, stellen moderne Energiespeicher, wie Li-Ion-Batterien, Forscher und Entwickler vor neue Herausforderungen. Für die Entwicklung künftiger Hybrid- und Elektrofahrzeuge und den Entwurf intelligenter Systeme zur bidirektionalen Netzanbindung spielen die dynamischen Eigenschaften und das Alterungsverhalten dieser Speicher eine wichtige Rolle.
In der Automobil- und Zulieferindustrie hat sich die Software ISET-LAB vom Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik, IWES, seit Jahren als Standard zur Simulation des dynamischen Verhaltens von Blei-Säure-Starter-Batterien etabliert. Modelliert werden alle relevanten physikalischen und elektrochemischen Prozesse in den Zellen, sodass man die Software mit einfachen Herstellerdaten parametrieren kann.
2Q-Netzteile zur Simulation einzelner Batteriezellen
Auf derselben Basis entstand das Softwarepaket ISET-LIB zur Simulation von Li-Ion-Batterien. Die Software erstellt anhand von Konstruktionsparametern ein virtuelles Batteriemodell. Die Vermessung oder die Kenntnis einer Batteriekennlinie ist nicht erforderlich. Werden geeignete Stromversorgungsgeräte von den Echtzeitvarianten dieser Software gesteuert, kann man damit virtuelle Batterien generieren und das Klemmenverhalten realer Batterien physikalisch nachbilden.
Um aktuelle Simulationsprofile dieser modernen Batterien ohne Einschränkungen «fahren» zu können, suchte das IWES 2Q-Netzteile zur Simulation einzelner Batteriezellen, die zu einer kompletten virtuellen Batterie verschaltet werden können. Die Wahl fiel auf die bei Schulz-Electronic erhältlichen DC-Netzteile SM7.5-80 inklusiv aktiv programmierbarer Senke von Delta Elektronika. Sie liefern eine programmierbare Ausgangsspannung von max. 7,5 V und 80 A Ausgangsstrom. Über die programmierbare Senke wird der Ladevorgang der Batterie simuliert.
Projekt 2: Lieferung vorkonditionierter Batterien
Ebenfalls um Li-Ion-Batterien geht es in einem anderen Projekt. Ein Unternehmen produziert für einen Automobilhersteller Fahrzeugbatterien mit einer Kapazität von 16,5 kWh und einer Ladeschlussspannung von 450 V. Die Fertigung läuft kontinuierlich. Allerdings nimmt der Kunde die Batterien nicht ebenso kontinuierlich ab, sodass gerade in der Ferienzeit eine grössere Menge der fertigen und geladenen Batterien im Werk 2 bis 3 Wochen gelagert werden müssen. Da Li-Ion-Akkus nicht vollgeladen gelagert werden – man verlangsamt so den Alterungsprozess –, warten sie teilgeladen auf ihre Auslieferung. Der Abnehmer akzeptiert nur vollständig geladene Batterien mit einem Testzertifikat nicht älter als 48 Stunden. Daher entlädt und lädt der Batteriehersteller die gelagerten Batterien vor Auslieferung nochmal vollständig und misst dabei die Batterien entsprechend aus.
Um die Batterien zu konditionieren, muss also zunächst Energie entnommen und anschliessend wieder zurückgeliefert werden. Eine Aufgabe mit respektablen Dimensionen. Denn die Energie, die beim Konditionieren von 100 Batterien frei wird, entspricht dem Jahresbedarf eines Ein-Personen-Haushaltes. Es ist unverantwortlich und unwirtschaftlich, diese Energie beispielsweise als Wärme «in die Luft zu blasen». Gesucht wurden daher Geräte, die die frei werdende Energie zurück ins Stromnetz speisen, und die Messungen des Entlade- und Ladevorgangs durch geeignete Software unterstützen.
TC.GSS koppeln rückgespeiste Energie direkt ins Stromnetz ein
Die Wahl fiel hier auf die neue Gerätelinie TC.GSS des Schweizer Herstellers Regatron. GSS, Grid-tie Source-Sink, steht für ein innovatives und modulares System von Gleichspannungsversorgungen, die im 2-Quadrantenbetrieb rückgespeiste Energie direkt ins Stromnetz einkoppeln. TC.GSS ist ideal für das Testen und Evaluieren von Batteriesystemen, hybriden Antriebssystemen, elektrischen Prozessen in der Verfahrenstechnik sowie zur Simulation von Bordnetzsystemen für Land- und Luftfahrzeuge. Die Geräte schaffen bei der Rückspeisung Wirkungsgrade von 91 Prozent. Da geht nahezu nichts verloren.
Zum Einsatz kommen Entlade-/Ladestationen mit jeweils einem programmierbaren bidirektionalen Netzteil, 0 bis 450 V und max. 20 kW. Schulz-Electronic lieferte dazu eine komplette Sicherheitsbeschaltung im Rack. «Verwaltet» werden die TC.GSS-Geräte vom Softwaremodul «TC.BatControl». Diese Software erlaubt neben vordefinierten Lade- und Entladezyklen, die auf Tests von Batterien zugeschnittene, optimale Programmierung und Datenaufzeichnung des Systems. Die Anpassung und Implementierung eigener Tests und Lade-/Entladezyklen kann vom Benutzer mithilfe einer leistungsstarken Skriptsprache vorgenommen werden.
Projekt 3: Induktive Ladestationen
An dem induktiven Aufladen von Elektroautos arbeiten derzeit viele Unternehmen, da dies die Wiederherstellung der Fahrbereitschaft wesentlich vereinfacht. Ein solches System besteht aus einer stationären Ladeplatte mit einer Spule, die sich auf oder im Boden befindet und einer Spule im Elektromobil. Die Primärspule in der stationären Ladeplatte erzeugt dabei ein elektrisches Wechselfeld, welches schnurlos einen Wechselstrom in der Sekundärspule im Fahrzeug induziert. Dieser wird dann in eine geeignete Gleichspannung umgewandelt, die die Fahrzeugbatterie lädt.
Ein Unternehmen, das sich der Entwicklung solcher induktiven Ladesysteme widmet, suchte für die Simulation der Induktionsstrecke AC-Quellen mit elektrischen Parametern, die in weiten Grenzen einstellbar sind. Aus-serdem stand eine bidirektionale DC-Quelle zur Simulation der Fahrzeugbatterie auf der Einkaufsliste.
Die Frequenz ist variabel zwischen 15 bis 1500 Hz
Für die induktive Ladestrecke lieferte Schulz-Electronic zwei AC-Quellen 61611 von Chroma. Jedes dieser Geräte leistet 28 kVA und bietet viele Freiheitsgrade für die Versuche. Die Ausgangsspannung kann zwischen 0 und 300 V sinusförmig, rechtecks- oder dreiecksförmig sein. Die Frequenz ist variabel zwischen 15 bis 1500 Hz. Der maximale Ausgangsstrom beträgt 96 A. Mit der einen AC-Quelle wird die stationäre Ladeplatte simuliert, mit der zweiten die Sekundärspule im Fahrzeug. Zwei «Slave-Module» sorgen für Kopplung der Geräte und die Simulation der induktiven Kopplung mit Parametern wie Phasenverschiebung, Wirkungsgrad, räumlicher Abstand der Systeme, Beschaffenheit der Luft, Einfluss von Feuchtigkeit und vieles andere mehr.
Für die Simulation der Fahrzeugbatterie griffen die Techniker von Schulz-Electronic wieder zu dem bewährten TC.GSS. Auch hier vereinfacht die Simulationssoftware «BatSim» die Emulation unterschiedlicher Batterietechnologien. BatSIM verfügt über Simulationsmodelle verschiedener Batterie- technologien, wie Li-Ion, Blei-Säure, Nickel- Metallhydrid und Nickel-Kadmium. Sie stellt die Batteriespannung als Funktion des Ladezustands in Abhängigkeitder aufgenommenen oder abgegebenen Ladungsmenge – berechnet aus Ladestrom und Zeit – und der Temperatur sowie der gewählten und hinterlegten physikalischen Modelle dar. Die Anpassung und Implementierung eigener Batteriemodelle kann der Benutzer mithilfe einer leistungsstarken Skriptsprache in Eigen- regie vornehmen.
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