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F R A U N H O F E R – I N S T I T U T F Ü R F E R T I G U N G S T E C H N I K U N D A N G E W A N D T E M A T E R I A L F O R S C H U N G I F A M
Hardware in the Loop (HiL)-Simulation»Modelliertes Verhalten von Energiespeichern«S. Vasić, É. Leduc
Hardware-in-the-Loop (HiL)Das Verhalten für einen Test nicht vorhandener Komponenten und deren Einflüsse auf Antriebssysteme kann simuliert werden. Durch seine echtzeitfähige Datenverarbeitung ermöglicht das Testfeld die Abbildung des Zusammenspiels von realen und simulierten Komponenten. Eine Hardware-in-the-Loop-Simulation (HiL) verwertet zeitsynchron während Messungen erfasste Daten und beeinflusst mit ihnen physikalische Kompo-nenten- und Systemmodelle. Diese werden in einer Matlab-Simulink-Umgebung aufgebaut und einem Echtzeitcomputer zur Steuerung des Testfelds übergeben. Das prinzipielle Vorgehen einer solchen HiL-Simulation soll am Beispiel des simulierten Entladeverhaltens von Batteriesystemen demonstriert werden.
Modellierung von Energiespeichern - Beispiel BatteriesystemUntersucht wird die Modellierbarkeit des Entladeverhaltens einer Blei-Säure-Batterie mit einer Nennspannung von 60 V und einer Kapazität von 130 Ah. Das Batteriemodell steuert eine programmierbare DC-Quelle, die einen Motor innerhalb einer von der Belastung des Modells (mit dem Motorstrom) abhängigen Zeit mit seiner benötigten Motornennspannung versorgt (Bild 1). Es besteht aus einer Serienschaltung von 30 Einzelzellmodellen (Bild 2), die Spannungs-, Anlauf-, Verlust-und thermische Verhalten von Zellen abbilden.
Der prinzipielle Ablauf einer HiL-Simulation gestaltet sich immer ähnlich (Bild. 3); das Modell ist hier ein Batteriemodell. Nach der Übertragung an einen Echtzeitcomputer (Target) wird das Verhalten der programmierbaren DC-Quelle durch das Modell vorgegeben. Motoren geben dem Target u. a. gemessene Lastströme, die sich z. B. durch experimentell ermittelte Fahrzyklen ergeben, zurück. Diese haben Einfluss auf die Spannung der DC-Quelle, sodass ein realitätsnaher (vom Laststrom abhängiger) DC-Spannungsverlauf (analog zu dem einer realen Batterie) entsteht.
ErgebnisseDie Simulation wird zunächst mit einem Startparametersatz (ermittelt in aus Messkampanien mit „echten“ Batterien der zu simulierenden Zellchemien) begonnen. Der Vergleich zwischen den realen und simulierten Spannungsverläufen ergibt im ersten Schritt i. d. R. stets eine deutliche Abweichung (Bild 4 und 5).
- ParameteroptimierungDie Parameter des Simulationsmodells müssen daher weiter optimiert werden. Dies geschieht über die Einführung weiterer Parameter, deren Einfluss auf die Spannungscharakteristik über die systematische Variation ermittelt wird. Nach der Optimierung sämtlicher Parameterwerte, ergibt sich ein sehr kleiner Simulationsfehler (Bild 6 und 7). Das Modell verhält sich von nun an realitätsnah kann zur Steuerung der DC-Quelle dienen.
Fazit und AusblickModelle für eine HiL-Simulation können für jede Komponente oder für Komponentensysteme entwickelt werden. Zielsetzung ist es Modelle von Gesamtfahrzeugen (Bild 8) zu erstellen, die das reale auf der Straße »erfahrene« Fahrzeugverhalten realitätsnah auf dem Testfeld abbilden. Dadurch kann das Verhalten (im Ideal-fall über mehrere Jahre) vorhergesagt und die Zahl aufwändiger Fahrzeugtests sowie Entwicklungszeiten und -kosten stark verringert werden.
w w w . i f a m . f r a u n h o f e r . d e
Dipl.- Ing. Stanislav Vasić
Fraunhofer Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAMWiener Str. 1228359 Bremen, Germany
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