Bidirektionale Netzsimulations-Stromquellen: Können sie die Energieverluste bei der Batterietestung reduzieren?

Herausforderungen bei der Batterieleistungsprüfung

In einer Einrichtung für die Batterieleistungsprüfung ergeben sich durch herkömmliche Prüfsysteme mehrere betriebliche Hindernisse. Erstens geht während der Prüfzyklen bei herkömmlichen Prüfsystemen elektrische Energie durch die Entladung verloren. Bei herkömmlichen Prüfsystemen wird Energie in Form von Wärme, ohmschen Lasten und dem zusätzlichen Kühlbedarf verloren. Letztlich entstehen durch herkömmliche Prüfsysteme zusätzliche Energieverluste.

Eine Lösung für diese Herausforderungen ist die Implementierung bidirektionaler Netzsimulationsstromquellen in Geräten zur Batterieleistungsprüfung. Im Gegensatz zu herkömmlichen Prüfsystemen geht bei bidirektionalen Netzsimulationsstromquellen keine Energie in Form von Wärme verloren, da die Prüfvorrichtung in der Lage ist, die Entladeenergie einzufangen und an das Stromnetz der Anlage zurückzuspeisen.

Das Verständnis des regenerativen Prüfprozesses

Die Grundlage für die Energierückgewinnung bei der Batterieprüfung ist unmittelbar, und die beteiligten Systeme sind sowohl einfach als auch hochentwickelt. Wenn ein zu prüfendes Batteriemodul oder ein Batteriepack einer Entladungsprüfung unterzogen wird, befindet sich das bidirektionale System im Senkenmodus und entzieht der Batterie Energie. Diese Energie wird mithilfe eines hochwirksamen Gleichstrom-Wechselstrom-Wechselrichters umgewandelt. Statt die Energie als thermische Abwärme zu verlieren, wird das System mit dem Stromnetz der Anlage synchronisiert, sodass die Energie für eine erneute Nutzung zurückgespeist wird.

Die Verringerung der Wärmeentwicklung bietet zudem weitere Vorteile: Weniger Wärme bedeutet, dass die Prüfumgebung für Techniker angenehmer ist; sie müssen weniger mit Wärmeabgabe des Systems umgehen; zudem ist für die Systeme ein geringerer Kühlbedarf erforderlich, wodurch sich der Wartungsaufwand verringert, die Zuverlässigkeit verbessert und die Lebensdauer verlängert wird.

Anwendungen bei der Prüfung von Batteriemodulen und -packs

Die moderne Validierung der Batterieleistung ist weitaus komplexer als ein einfacher Kapazitätstest. Ingenieure müssen zudem das dynamische Antwortverhalten, die Eigenschaften des Innenwiderstands sowie die Reaktion auf Lasten bewerten, wie sie realistisch im Einsatz auftreten. Das Prüfsystem mit einem steuerbaren bidirektionalen Netzsimulator ist in der Lage, komplexe Prüfprogramme auszuführen und bei Bedarf eine realistische Last zu simulieren.

Als Beispiel: Bei der Prüfung von Batteriepacks für Elektrofahrzeuge muss die Prüfausrüstung einen Fahrzyklus mit bestimmten Merkmalen simulieren, darunter plötzliche Beschleunigung (hohe Entladung) und anschließendes Rekuperationsbremsen (was bedeutet, dass die Batterie schnell wieder aufgeladen werden muss). Bidirektionale Systeme ermöglichen einen mühelosen Wechsel zwischen dem Verhalten des Leistungsbezugs („Sourcing“) und des Leistungsverbrauchs („Sinking“) und eignen sich daher ideal für Einrichtungen mit schnellen Lastübergängen.

Bei der Validierung von Energiespeichersystemen ist die Fähigkeit, die Interaktion mit dem Stromnetz zu simulieren, entscheidend. Die Prüfausrüstung muss bestätigen, dass Batteriesysteme in der Lage sind, auf Frequenzregelungssignale zu reagieren, indem sie je nach Zustand des Netzes entweder elektrische Energie verbrauchen oder einspeisen. Mit bidirektionaler Technologie kann ein einzelnes Gerät beide Funktionen übernehmen, wodurch die Komplexität der Prüfeinrichtung reduziert und gleichzeitig die Messgenauigkeit verbessert wird.

Bereitstellung von Kommunikationsschnittstellen für automatisierte Prüfungen

Die vollständige Prüfung der Batterieleistung beruht vollständig auf hochentwickelten Kommunikationsschnittstellen oder -modulen. Kommunikationsmodule ermöglichen es dem Batteriemanagementsystem (BMS), mit dem Steuerungsaufsichtssystem und der Steuerung zu kommunizieren. Moderne Prüfsysteme können zahlreiche industrielle Kommunikationsstandards nutzen und sind mit diesen kompatibel, beispielsweise CAN-Bus, RS485, RS232 und Modbus. Diese Vielfalt an Kommunikationsschnittstellen erleichtert den Aufbau eines automatisierten Prüfsystems.

Bei der Batterietestung gehört die CAN-Bus-Kommunikation aufgrund ihrer hohen Zuverlässigkeit und Echtzeitkommunikation zu den Kommunikationsstandards mit höchster Priorität. Zudem ermöglicht dieser Kommunikationsstandard eine direkte Interaktion zwischen der Prüfausrüstung und dem einzelnen Steuermodul (BMU) des Batteriepacks. Diese Interaktion erlaubt es der Prüfausrüstung, die Spannungs- und Temperaturwerte jeder einzelnen Zelle zu ermitteln sowie einen Lade- oder Entladezyklus für das gesamte Batteriepack durchzuführen. Dadurch kann die Ausrüstung sichere Prüfbedingungen gewährleisten und sämtliche Parameter während der Prüfung überwachen.

Daisy-Chain-Konfigurationen erleichtern das Testen und die Kommunikation zwischen mehreren Kanälen. Durch dieses Design können Anwender die Menge an Verkabelung reduzieren und trotzdem eine Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung gewährleisten. Dieses Design ermöglicht zudem eine Skalierung des Prüfsystems, indem die Geräte entweder parallel oder gemeinsam zur synchronisierten Prüfung mehrerer Geräte eingesetzt werden können. Außerdem ermöglicht es den Anwendern, eine Vielzahl von Geräten zu testen – beispielsweise ein einzelnes Batteriemodul oder ein großes Energiespeichersystem.

Das Verständnis der Systemanforderungen trägt dazu bei, ein präzises System zu entwickeln.

Bei der Batterieprüfung ist eine hohe Genauigkeit erforderlich, um sicherzustellen, dass die Batteriedaten validiert werden. Bei der Prüfung von Packs und Modulen beträgt die Genauigkeit ±0,05 %, wodurch feine Details im Verhalten des Prüfsystems während des Tests genau erfasst werden können.

Zur Identifizierung von Problemen mit dem Batterie-Leistungs-Prüfsystem sowie von Unstimmigkeiten in der Fertigung und bei der Qualität von Batterien während des Einsatzes handelt es sich um zellbezogene Probleme. Die Messung des Batteriewiderstands ist wichtig und erfordert eine hohe Spannungsgenauigkeit, um die Batterie während eines Impulstests zu belasten. Hohe Spannungen während des Tests tragen dazu bei, die für die Sicherheitsanalyse wichtigsten Daten zu erfassen.

Die genannte Genauigkeit bezieht sich auf das gesamte Prüfsystem. Das bedeutet, dass das Prüfsystem auch bei extrem niedriger oder hoher Spannung genaue Messwerte während der Prüfung liefern kann. Dieser Bereich ermöglicht eine hervorragende Konsistenz und Vergleichbarkeit.

Vorteile aus wirtschaftlicher und ökologischer Sicht

Die finanzielle Rechtfertigung für regenerative Prüfgeräte verbessert sich weiter, da die Energiekosten steigen und die Prüfumfänge zunehmen. Obwohl die anfänglichen Investitionskosten höher sein können als bei herkömmlichen Widerstandssystemen, führen die geringeren Betriebskosten aufgrund des niedrigeren Stromverbrauchs zu attraktiven Amortisationszeiten für Einrichtungen, die kontinuierliche oder hochvolumige Prüfungen durchführen.

Energierückgewinnungssysteme wirken sich zudem positiv auf die Umwelt aus. Batterie-Prüflaboratorien verbrauchen große Mengen elektrischer Energie, und regenerative Systeme tragen zum unternehmensweiten Nachhaltigkeitsziel bei, Abfall zu reduzieren. Durch die Wiederverwendung der Prüfenergie statt ihrer Umwandlung in thermische Abwärme wird der CO₂-Fußabdruck der Prüfeinrichtung verringert.

Die Fähigkeit, energieeffizient zu arbeiten, schafft einen Wettbewerbsvorteil für Batteriehersteller und unabhängige Prüflaboratorien. Die Umsetzung energieeffizienter Praktiken ist zu einem wichtigen Kriterium im Lieferantenauswahlprozess geworden, und regenerative Prüfsysteme bieten eine aussagekräftige Möglichkeit, Engagement für Nachhaltigkeit zu demonstrieren.

Umsetzung aus technischer Sicht

Für bidirektionale Prüfsysteme für Batteriemodule und -packs müssen verschiedene technische Parameter berücksichtigt werden. Dazu gehört die Leistungsskalierbarkeit, also die Fähigkeit des Systems, sowohl Module als auch große Energiespeichersysteme abzudecken. Modulare Systeme, die parallel betrieben werden, ermöglichen es, unterschiedliche Prüfanforderungen zu erfüllen, ohne neue Systeme anschaffen zu müssen.

Jeder Batterietyp weist eigene, spezifische Spannungs- und Strombereiche auf, die getestet werden müssen; moderne Systeme ermöglichen es Ihnen jedoch, diese Ausgangswerte innerhalb eines definierten Bereichs anzupassen, um sowohl Niederspannungs-Module als auch Hochspannungssysteme wie z. B. Fahrzeug- oder netzseitige Großbatterien abzudecken. Die Automatische Bereichswahl (Autoranging) stellt sicher, dass unter verschiedenen Prüfbedingungen stets die maximale Leistung entnommen wird – was die Effizienz der zu testenden Geräte erhöht.

Die Reaktionszeit beeinflusst maßgeblich, wie gut dynamische Bedingungen simuliert werden können. Systeme mit schnellen Stromanstiegszeiten und hochauflösender, schneller Abtastung erfassen Verhaltensweisen in diesen transienten Systemen, die bei langsameren Systemen möglicherweise übersehen werden – was zu einer umfassenderen Prüfung der Batterieleistung führt.

Zusammenfassung: Vorteile und Bedeutung der bidirektionalen Technologie bei der Batterieprüfung

Die Verwendung bidirektionaler Netzsimulationsstromquellen als Komponente von Batterie-Leistungs-Testsystemen bietet eine erhebliche Senkung der Energiekosten, die mit Batterietestbetrieben verbunden sind.

Die ersten Anwender regenerativer Systeme werden einen Wettbewerbsvorteil erlangen, da die Anforderungen an Tests steigen und die Kosten für Batterieenergie zunehmen. Einrichtungen mit veralteter Ausrüstung sehen sich einer sinkenden Rendite gegenüber, da die Notwendigkeit, auf anspruchsvolle, effektive und nachhaltige Weise zu testen, zum Industriestandard wird.

Es lässt sich sehr deutlich erkennen, dass die bidirektionale Technologie nicht nur Energieverluste minimiert, sondern auch einen wichtigen Maßstab für eine nachhaltige und wirtschaftlich tragfähige Batterie-Leistungsprüfung setzt.