Der Weg zu skalierbaren BMS-Tests

Sponsert von dSPACE.

Batteriemanagementsysteme (BMS) werden zunehmend auch außerhalb von Fahrzeugen mit hohem Volumen eingesetzt. Sie versorgen nun leichte Elektrofahrzeuge, automatisierte Gelenkfahrzeuge, mobile Roboter, Gabelstapler, Drohnen, Elektrowerkzeuge, stationäre Speichersysteme sowie weitere Anwendungen mit Energie. Die gemeinsame Herausforderung besteht darin, dass selbst kleinere Batteriepakete weiterhin ein zuverlässiges Batteriemanagementsystem benötigen, und dass das BMS unter realistischen, wiederholbaren und sicheren Bedingungen getestet werden muss, bevor es im Feld eingesetzt werden kann.

In diesem vielfältigen BMS-Markt arbeiten Teams heutzutage mit Niedrig- und Mittelspannungssystemen, kleineren Batteriepacks, engen Zeitplänen sowie weniger spezialisierten Testingenieuren. Sie benötigen nicht unbedingt von Anfang an ein vollständig angepasstes, großskaliges BMS-Hardware-in-the-Loop (HIL)-System. Stattdessen brauchen sie einen zuverlässigen Ausgangspunkt, der kompakt ist, kosteneffizient in der Implementierung und dennoch auf einer Skalierbarkeit beruht.

dSPACE bietet Simulationen und Validierungslösungen für die Entwicklung vernetzter, autonomer sowie elektrisch angetriebener Systeme. Im Bereich der Batterien umfasst dies Echtzeit-Simulationen, Emulation von Zellspannungen, Simulation von Temperatursensoren, Kommunikationsanschlüsse, Testautomatisierung sowie Batteriemodelle in skalierbaren HIL-Umgebungen. Ziel ist es, das BMS in einer realistischen Batterieumgebung zu testen, ohne bei jedem Validierungs Schritt auf ein physisches Batteriepack angewiesen zu sein.

Warum kleinere BMS-Programme dennoch gründliche Tests benötigen

Ein kleineres BMS ist nicht automatisch ein einfaches BMS. Es überwacht weiterhin die Zellspannungen und -temperaturen, schätzt den Ladezustand sowie den Gesundheitszustand der Batterien ein, steuert das Ausgleichen der Zellen, verwaltet Kontakte oder Relais, überwacht den Stromfluss sowie die Isolationsbedingungen und reagiert auf Störungen. Fehlende Validierungen können zu Verfügbarkeitsproblemen, vorzeitiger Abnutzung oder unsicherem Betrieb führen.

Traditionelle Prüfverfahren für Batteriepacks decken nur Teile des Problems ab und haben Schwierigkeiten mit Wiederholbarkeit, Einbringen von Störungen, Regressionstests sowie dem dynamischen Verhalten der Batterien. Reale Batteriepacks sind langsam, teuer, haben begrenzte Störungsszenarien und bergen Risiken bei der Prüfung von Randfällen. HIL-Tests ersetzen das physische Batteriesystem durch eine steuerbare Echtzeit-Simulation, während der echte BMS-Controller weiterhin getestet wird.

Für kleinere Programme stellt sich nicht die praktische Frage, ob HIL-Testing nützlich ist. Die eigentliche Frage lautet, wie man mit dem HIL-Testing beginnen kann, ohne Komplexität zu erzeugen. Genau hier kommt das dSPACE SCALEXIO Battery HIL – Essential ins Spiel.

SCALEXIO Battery HIL – Essential: Ein praktischer Einstiegspunkt

SCALEXIO Battery HIL – Essential ist als Ausgangskonfiguration für kleinere BMS-Anwendungen konzipiert. Es richtet sich an Systeme der etwa 200-V-Klasse, darunter leichte Elektrofahrzeuge, Werkzeuge mit elektrischem Antrieb, mobile Roboter, Gabelstapler, industrielle Transportsysteme, E-Bikes, Drohnen sowie ähnliche Plattformen. Das Konzept legt Wert auf ein kompaktes Design, standardisierte Konfigurationen, kurze Kostenvoranschlagszeiten, kürzere Lieferzeiten sowie eine kosteneffiziente Architektur im Vergleich zu vollständig individuell angepassten HIL-Systemen.

SCALEXIO Battery HIL – Essential bietet eine strukturierte Methode, um mit der Arbeit zu beginnen. Die Konfiguration unterstützt bis zu 64 Spannungskanäle für die Zellen, eine Systemspannung von bis zu 200 V, konfigurierbare Temperatursensorkanäle sowie den Betrieb mit einem externen dSPACE-Echtzeitprozessor. Zudem kann es mit den ASM-Batteriemodellen aus dem dSPACE Automotive Simulation Models (ASM)-Suite kombiniert werden, wodurch bereits zu Beginn des Validierungsprozesses ein realistisches und wiederholbares Batterieverhalten erzielt werden kann.

Von dem Einstiegspunkt bis zu vorgefertigten und angepassten Battery HILs

Sobald Batteriesysteme größer werden, müssen auch die Prüfsysteme angepasst werden. Größere BMS-Programme erfordern in der Regel höhere Systemspannungen, mehr Zellkanäle, umfangreichere Temperatursimulationen, zusätzliche Strom- und Trennungsanschlüsse, Hochspannungsquellen, Fehlereinrichtungen, Sicherheitsinfrastruktur sowie mehrere Kommunikationsnetzwerke. Genau hier kommen die von dSPACE vorgefertigten und anpassbaren SCALEXIO-Batterie-HIL-Systeme ins Spiel.

dSPACE SCALEXIO-Batterie-HIL-Systeme kombinieren ASM-Batteriemodelle mit einer hochpräzisen Emulation von Batteriezellen. Der Simulator kann Zellspannungen, Temperatursensoren, Stackspannung, das Verhalten von Stromsensoren, Relaissteuerungen, mit der Trennung verbundene Signale sowie Kommunikationsanschlüsse in einer Schleifenumgebung darstellen. Ingenieure können das BMS anhand realistischem Zellverhalten überprüfen, ohne für jeden Test eine echte Batteriepackung benötigen zu müssen.

Vordefinierte sowie vollständig anpassbare Konfigurationen sind für Testumgebungen vorgesehen, darunter Freigabetests, Systemintegration, sicherheitsrelevante Validierung, Regressionstests sowie komplexe Packarchitekturen. Vorkonfigurierte Systeme können eine höhere Anzahl an Kanälen sowie verschiedene Spannungsklassen unterstützen, während angepasste Systeme den spezifischen Anforderungen des Kunden hinsichtlich Batterietopologien, Sicherheitskonzepten, elektrischer Schnittstellen, Diagnosefunktionen und Automatisierungsanforderungen entsprechen können.

Dies ist wichtig, denn die Validierung eines BMS steht selten still. Ein Projekt kann mit grundlegenden Algorithmen beginnen, über die Hardwareintegration hinausgehen, sich auf Fehlerbehandlung erweitern, Automatisierungselemente hinzufügen und schließlich Validierungsprozesse in Software-in-the-Loop (SIL) sowie Hardware-in-the-Loop (HIL)-Workflows verknüpfen. Ein skalierbarer Ansatz ermöglicht es Teams, Modelle, Testfälle, Automatisierungsressourcen sowie ingenieurtechnisches Wissen im Laufe der Projektentwicklung erneut zu nutzen.

Virtualisierung des Zellcontrollers: Tests auf Signalebene

Durch die Virtualisierung des Zellcontrollers (CCV) wird die gesamte oder teilweise Funktionalität des Zellcontrollers in die HIL-Simulation verlagert. Anstelle der physischen Emulation aller Zell-Eingänge in echte Zellcontroller-Hardware stellt der Simulator die isolierte Kommunikations Schnittstelle bereit, die vom BMS-Controller erwartet wird. Dies ist nützlich, wenn Zellcontroller nicht verfügbar sind, der BMS-Controller im Mittelpunkt des Tests steht oder eine vollständige Hochspannungs-Emulation der Zellen unnötige Komplexität mit sich bringen würde. Dadurch wird die frühzeitige Erprobung des BMS-Controllers beschleunigt und die Abhängigkeit von der Verfügbarkeit von Hardware verringert.

Die Rolle von ASM Battery und Testautomatisierung

Ain allein die Hardware reicht nicht aus. Eine leistungsstarke BMS-Testumgebung benötigt ein Batteriemodell, das unter wechselnden Bedingungen hinsichtlich Ladezustand, Temperatur, Stromstärke, Ausgleichsvorgängen und Topologie glaubwürdig funktioniert. Die Automotive Simulation Models (ASM) Battery bieten Echtzeitmodelle für spannungs- und temperaturbezogenes Verhalten der einzelnen Zellen sowie für Pack-/Modul-/Stack-Strukturen und parametrisierte Batterietopologien. BMS-Algorithmen reagieren auf Trends, Ungleichgewichte, Zeitfaktoren, Kommunikationsprobleme und Fehler – und nicht nur auf statische Werte. Da die Modelle in die dSPACE-Testumgebung integriert sind, können Ingenieure dieselbe Modellierungs- und Validierungsbasis in verschiedenen Testphasen sowie Systemkonfigurationen nutzen.

Durch die Automatisierung von Tests können Ingenieure diese Szenarien in wiederholbare Validierungswerkzeuge umwandeln. Sie können Tests zur Über- und Unterstrombelastung, Ausgleichstests, Vorkonditionierungstests, Kommunikationsprüfungen, Temperaturszenarien sowie Fehlerreaktionen konsequent durchführen. Der Nutzen liegt nicht nur darin, einen einzelnen Fehler im Labor zu finden, sondern vielmehr darin, Regressionen aufzudecken, Ergebnisse zu dokumentieren und manuelle Arbeitsprozesse zu reduzieren.

Eine skalierbare Teststrategie – kein einmaliger Kauf

Der Vorteil des SCALEXIO Battery HIL – Essential-Systems liegt nicht einfach darin, dass es kleiner ist. Es bietet Teams einen praktischen Ausgangspunkt. Bei neuen Batterieanwendungen besteht oft die Gefahr, ein Testumfeld zu schaffen, das entweder zu eingeschränkt ist, um nützlich zu sein, oder zu groß, um gerechtfertigt zu sein. Das SCALEXIO Battery HIL – Essential-System findet den Mittelweg: Es verfügt über ausreichende Leistungsfähigkeit für eine sinnvolle Validierung des BMS, über ausreichende Standardisierung, um Reibungsverluste zu verringern, sowie über ausreichende Anbindung an das dSPACE-Ecosystem, um Sackgassen zu vermeiden.

Von dort aus können die Teams auf vorgefertigte oder angepasste SCALEXIO Battery HIL-Systeme umsteigen, je nachdem wie die Spannungsklasse, die Anzahl der Zellen, die Sicherheitsanforderungen, das Automatisierungsgrad sowie der Integrationsumfang zunehmen. Sie können auch die Zellsteuerer-Virtualisierung nutzen, wenn Tests auf Signalebene die bessere Wahl sind – insbesondere bei der frühen Validierung von BMS-Steuerern oder in Architekturen, in denen eine physische Integration von Zellsteuerern unnötige Komplexität verursachen würde.

Das ist die wahre Bedeutung von skalierbaren BMS-Tests. Es geht nicht nur darum, Kanäle hinzuzufügen. Vielmehr geht es darum, für jede Entwicklungsphase das richtige Abstraktionsniveau, die passende Hardware-Struktur, die erforderliche Simulationsgenauigkeit sowie die geeignete Automatisierungsstrategie auszuwählen. SCALEXIO Battery HIL – Essential ist der Ausgangspunkt. Vorgefertigte sowie anpassbare SCALEXIO Battery HIL-Systeme bieten den Weg für weitere Erweiterungen. CCV sorgt für Flexibilität bei der Validierung auf Signalebene. Gemeinsam bieten sie Ingenieurteams eine praktische Möglichkeit, Batteriemanagementsysteme zu testen – von der ersten kompakten Laboreinrichtung bis hin zur vollständigen Validierung.

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