Ansätze für das Testen von Ladegeräten

Always-On-Ladegeräte bieten in der Regel eine unveränderliche Ausgangsleistung. So liefert z. B. ein Blei-Säure-Erhaltungsladegerät nur einen geringen Konstantstrom (Constant Current, CC). Dieser Ladegerättyp kann überprüft werden, indem eine elektrische Last mit konstanter Spannung (Constant Voltage, CV) oder konstantem Widerstand (Constant Resistance, CR) verwendet wird.

In seltenen Fällen kann dieser Ladegerättyp während des Ladeprofils entweder CC oder CV bereitstellen. In diesem Fall kann die elektronische Last durch den Einsatz einer Last mit konstantem Widerstand (CR) weiterhin verwendet werden. Lasten von NI bieten CC, CV und CR, was maximale Flexibilität bei der Evaluierung von Always-On-Ladegeräten ermöglicht. 

Das Batterieladegerät stellt möglicherweise erst dann Ausgangsspannung oder -strom bereit, wenn es zum ersten Mal Spannung von der Batterie erkennt und/oder eine externe Sperre geschlossen wird. Das Ladegerät kann mithilfe dieser Batterieerkennungsbedingungen sogar bestimmen, wie der Ladevorgang der Batterie sicher gestartet werden kann. Beispielsweise kann das Ladeprofil warten, bis die Temperatur ein akzeptables Niveau erreicht hat, oder zusätzliche Vorladeschritte umfassen, um tiefentladene Batterien wiederherzustellen. 

In diesen Fällen kann die Testvorrichtung ein kleines Netzteil oder Relais umfassen, die zum „Aktivieren“ des Ladegeräts benötigt werden. Luftgekühlte Lasten von NI bieten Digital-I/O-Geräte, sodass zusätzliche Testvorrichtungen von der Last verwaltet werden können. 

NI stellt Anschlüsse bereit, mit denen ein Einschaltsignal für ein Ladegerät oder ein kleines Netzteil verwendet werden kann. Alternativ können Sie ein Relais/Schaltmodul steuern, um die Stromversorgung am Ladegerät anzuschließen, sodass dieses gestartet werden kann, und später die Stromversorgung wieder zu unterbrechen.

^{Abbildung 1: Beispiele für Einschaltsignalverbindungen}

Ladegeräte können die Batterie während des Ladevorgangs „testen“, indem sie die Leistung der Batterie selbst reduzieren oder sogar Leistung entnehmen. Einige Batterietypen erfordern diese „Tests“, damit die Ladung ordnungsgemäß angenommen wird, der Innendruck abgebaut wird oder Chemikalien in der Batterie selbst wieder absorbiert werden. Einige Ladegeräte führen diese „Tests“ jedoch auch selbst durch, um die Batterie sicher aufzuladen, den Batteriezustand zu bestimmen oder eine Selbstkalibrierung des Ladegeräts selbst durchzuführen. Die Art und Weise, wie das Ladegerät die Batterie „testet“, und die Erwartungen des Ladegeräts an eine normale Batterie bestimmen den Ansatz für die Validierung.

^{Abbildung 2: Kombinieren einer Quelle und einer Last mit einem Steuerungs-PC}

Die Kombination einer NI-Last mit einem Netzteil und einer Steuerungsanwendung auf einem PC ist eine kostengünstige Lösung für Ladegeräte mit geringer Leistung (<6 kW), besonders wenn das Ladegerät keine schnelle Reaktion von der simulierten Batterie erfordert. In diesem Fall passt der PC die Stromversorgung und die Last an, um die während des Ladevorgangs ansteigende Batteriespannung zu simulieren.

In diesem Szenario können Sie den PC so programmieren, dass er die Stromversorgung und die Last steuert, um das tatsächliche Verhalten einer Batterie zu emulieren, wenn das Ladegerät die Batterie „testet“. In diesem Fall misst der PC kontinuierlich die vom Ladegerät bereitgestellte Spannung und den Strom und passt die Stromversorgung sowie die Last an, um die Reaktion der Batterie zu emulieren. Dieser Vorgang wird dann während des gesamten simulierten Ladeprofils wiederholt.

^{Abbildung 3: Beziehung zwischen Batteriespannung und Ladestrom}

Für eine direktere Herangehensweise muss zunächst verstanden werden, warum eine Batterie ihre Spannung aufgrund von Änderungen des Ladestroms anpasst. Die Spannung an den Anschlüssen einer Batterie nimmt leicht ab, wenn das Ladegerät den Ladestrom reduziert oder sogar umkehrt. Ähnlich steigt die Spannung an den Anschlüssen einer Batterie leicht, wenn das Ladegerät zusätzlichen Strom liefert. Beide Effekte werden durch den internen Widerstand der Batteriechemie und der Kabelverbindungen verursacht.

Die mittel- und hochleistungsfähigen Battery Cycler/Emulatoren von NI stellen einen Batteriemodus zur Verfügung. In diesem Modus können Sie den Vorwiderstand und eine Leerlaufspannung ohne Last programmieren. Wenn das System programmiert ist, passt es die Ausgangsanschlussspannung automatisch basierend auf der Richtung und dem Pegel des Stroms an, der zum oder vom Ladegerät fließt.

Die Anpassung erfolgt in der Hardware, wodurch die Simulationsgeschwindigkeit erhöht und die Integrationskomplexität beseitigt wird, sodass sich der PC auf den Test konzentrieren kann. Darüber hinaus behält das Ladegerät die Kontrolle über Anschlussspannung und -strom, selbst wenn es zwischen CC, CP oder CV wechselt.

^{Abbildung 4: Äquivalentes Batteriemodell}

^{Abbildung 5: Formel für das Batteriemodell}

Ein Ladegerät ändert seine Leistung, um die Anforderungen der Hersteller ordnungsgemäß zu erfüllen. Viele Ladegeräte kommunizieren heute mit der Batterie und/oder dem Energieversorgungsunternehmen. Ladestationen können die Stromversorgung ermöglichen, indem sie die Frequenz stabilisieren, Nachfragespitzen reduzieren oder vorübergehende Notlösungen bereitstellen.

Das Ladegerät, das mit dem Batteriemanagementsystem (BMS) kommuniziert, passt seine Leistung abhängig von den zurückgegebenen Batteriedateninformationen an. Dieser Ansatz ist in Ladegeräten aller Größen zu finden, darunter in Laptop- und internen Fahrzeugladegeräten sowie in drahtlosen Leistungsübertragungssystemen.

^{Abbildung 6: Beispiel für ein Schnellladesystem für Elektroautos}

Die Teststation muss die Batterie emulieren und eine Kommunikationsschnittstelle wie I2C, SMBUS oder CAN für die Kommunikation mit dem zu testenden Ladegerät bereitstellen.

Die Leistung des Ladegeräts kann sich auch aufgrund der aktuellen Auslastung des Stromnetzes ändern. Diese netzbezogenen Ladegeräte können ihre Leistung anpassen, um das Laden zu reduzieren, zu pausieren oder sogar zu verzögern. Sie können mithilfe standardbasierter Protokolle wie dem Smart Energy Profile (SEP) mit einem intelligenten Stromnetz kommunizieren.

^{Abbildung 7: Beispiel für ein netzgesteuertes Ladesystem für Elektroautos}

Es gibt verschiedene Initiativen zur Nutzung von Fahrzeugen als lokale Notstromversorgung oder zur Unterstützung des Energieversorgungsunternehmens in Zeiten des Spitzenbedarfs. In diesen Fällen wird die Funktion des Ladegeräts umgekehrt, sodass dieses die Aufgabe eines dezentralen Generators übernimmt, der Strom von der Batterie bezieht und das Stromnetz ergänzt, um kurzfristige Stromausfälle, Frequenzverschiebungen oder andere Netzprobleme zu beheben.

^{Abbildung 8: Beispiel für ein Vehicle-to-Grid-System, bei dem die Ladegerätfunktion des Elektroautos umgekehrt wird, sodass es die Aufgabe eines dezentralen Stromgenerators übernimmt.}

NI bietet Softwarepakete und vollständig dokumentierte Treiber, die das Hinzufügen zu einem Testaufbau für beliebige dieser Anwendungen ermöglichen. 

In der internationalen Norm für konduktive Ladesysteme für Elektroautos (IEC 61851-1) sind vier Lademodi für Elektroautos definiert¹. Die Gleich- und Wechselstromtestlösungen von NI emulieren reale Bedingungen und sind für das Testen und Validieren von Komponenten und Systemen von Elektrofahrzeugen von entscheidender Bedeutung. Für welche Testlösung Sie sich entscheiden, hängt vom Lademodus ab.

^{Abbildung 9: Von oben nach unten: Lademodi 1 bis 4 für Elektroautos}

Laden mit Wechselstrom

Modus 1: Sehr langsames Laden mit Wechselstrom

Modus 1 entspricht dem sehr langsamen Laden mit Wechselstrom, in der Regel an einer Standardsteckdose mit bis zu 16 A. Der Ladevorgang erfolgt direkt über das On-Board-Ladegerät ohne Kommunikation.

Modus 2/Modus 3: Langsames bis halbschnelles Laden mit Wechselstrom

Modus 2 entspricht dem langsamen Laden mit Wechselstrom und maximal 32 A, während Modus 3 dem halbschnellen Laden mit Wechselstrom und bis zu 80 A entspricht. In diesen Modi wird das On-Board-Ladegerät, also das Batterieladegerät, das das EVSE-Protokoll (Electric Vehicle Supply Equipment) verwendet, mit Wechselstrom versorgt. Die Ladeleistung liegt zwischen 6 kW und 22 kW in Modus 2 für das Laden in Wohngebieten und 44 kW in Modus 3 an öffentlichen Ladestationen. Beide Modi steuern den Ladevorgang über Kommunikationsfunktionen. In Modus 2 erfolgt die Steuerung mithilfe kabelgebundener Signalübertragung und in Modus 3 werden sowohl die kabelgebundene Signalübertragung als auch Kommunikationsprotokolle verwendet. Diese Modi verursachen im Vergleich zu Modus 4 in der Regel geringere Infrastrukturkosten und sorgen für eine höhere Verfügbarkeit. Allerdings kann die Verwendung des fahrzeugeigenen Ladegeräts die maximale Laderate im Vergleich zu Modus 4, bei dem kein fahrzeugeigenes Ladegerät verwendet wird, verringern.

^{Abbildung 10: Komponenten für das langsame bis halbschnelle Laden mit Wechselstrom}

Für das Laden mit Wechselstrom bietet NI folgendes Equipment an:

• Das NHR-9410 Regenerative Grid Simulator System simuliert das Versorgungsnetz.
• Das NHR-9430 Regenerative AC Load System emuliert das Laden mit Wechselstrom.

^{Abbildung 11: Ausrüstung für das Laden mit Wechselstrom}

Laden mit Gleichstrom

Modus 4: Schnelles Laden mit Gleichstrom

Modus 4 entspricht dem schnellen Laden mit Gleichstrom, in der Regel an einem öffentlichen Ladegerät. In Modus 4 wird die Batterie direkt durch Gleichstrom geladen. Da in diesem Modus kein fahrzeugeigenes Ladegerät genutzt wird, kann die Ladeleistung sehr hoch sein und zwischen 50 kW und sogar über 300 kW liegen. Dieses schnelle Hochleistungsladen erfordert höhere Infrastrukturkosten und mehr Komplexität, unter anderem sind kabelgebundene Signalübertragungs- und Kommunikationsprotokolle erforderlich.

^{Abbildung 12: Komponenten für das schnelle Laden mit Gleichstrom}

Für das Laden mit Gleichstrom bietet NI folgendes Equipment an:

• Das NHR-9410 Regenerative Grid Simulator System simuliert das Versorgungsnetz.
• Der NHR-9200 Mid-Voltage DC Battery Module Cycler and Emulator sowie der NHR-9300 High-Voltage DC Battery Pack Cycler and Emulator imitieren die Batterie oder das DC-Schnellladegerät.

^{Abbildung 13: Ausrüstung für das Laden mit Gleichstrom}

Netzsimulation und -emulation (Onboard und Vehicle-to-Grid)

Bei Ladeanwendungen für Elektroautos wird ein Batterieemulator verwendet, um Komponenten wie das On-Board-Ladegerät zu testen. Indem simuliert wird, dass eine echte Batterie an solche Komponenten angeschlossen ist, können Tests schneller in einer sichereren und wiederholbaren Umgebung durchgeführt werden. NI bietet flexible und modulare Lösungen für Batterietests, mit denen Sie die verschiedenen Modi zum Laden von Elektroautos simulieren oder emulieren können und die mit schnellen Transientenfunktionen, regenerativer Stromversorgung, integrierten Sicherheitsisolierrelais, Schützen und mehr ausgestattet sind.

^{Abbildung 14: Equipment für On-Board-Ladegeräte} 

• Das NHR-9410 Regenerative Grid Simulator System simuliert das Versorgungsnetz.
• Der NHR-9200 Mid-Voltage DC Battery Module Cycler and Emulator sowie der NHR-9300 High-Voltage DC Battery Pack Cycler and Emulator imitieren die Batterie oder das DC-Schnellladegerät.

^{Abbildung 15: Equipment für das Vehicle-to-Grid-(V2G-)Laden}

• Das NHR-9410 Regenerative Grid Simulator System simuliert das Versorgungsnetz.
  
• Das NHR-9430 Regenerative AC System emuliert das Laden mit Wechselstrom.

^{1. SAE definiert diese Lademodi als Level: Level 1 = Modus 1, Level 2 = Modi 2 und 3, Level 3 = Modus 4}

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