Leistungsgeführte Regelung eines Prüfstandes für Energiespeicherelemente

Diplomarbeit von Holger Müller

Einleitung:

Seit mehr als 100 Jahren gibt es in aller Welt Bemühungen, elektrisch getriebene Straßenfahrzeuge zu einer echten Alternative zu konventionellen Verbrennungskraftfahrzeugen zu entwickeln. Während diese Arbeiten anfänglich recht erfolgreich verliefen, verloren Elektrofahrzeuge angesichts der rasanten Fortschritte bei der Entwicklung von Otto- und Dieselmotoren rasch an Bedeutung. Hauptgrund hierfür waren die im Vergleich zum konventionellen Kraftfahrzeug erheblich geringeren Fahrleistungen elektrisch angetriebener Fahrzeuge, ein Nachteil, der vor allem aus dem hohen Gewicht und der geringen Energie- und Leistungsdichte der Batterien resultiert.

Infolge der mit der Ölkrise 1973 verbundenen Verknappung und drastischen Verteuerung des Energieträgers Erdöl gingen führende Automobilfirmen daran, Entwicklungsarbeiten auf dem Gebiet der Elektrofahrzeuge zu beginnen. Doch erst seit der Sensibilisierung großer Teile der Bevölkerung für die Problematik der zunehmenden Umweltverschmutzung, an der Verbrennungskraftfahrzeuge einen nicht zu unterschätzenden Anteil haben, und der damit verbundenen Verschärfung der Umweltgesetzgebung in einigen hochentwickelten Industrieländern werden die Forschungen zur Entwicklung alltagstauglicher Elektrofahrzeuge für den Individualverkehr mit den notwendigen materiellen und finanziellen Mitteln vorangetrieben. Schließlich ist abzusehen, daß sich auf der Grundlage wachsender Einschränkungen für den Betrieb von Verbrennungskraftfahrzeugen in Ballungsgebieten infolge verschärfter Grenzwerte für Luftschadstoffe ein Markt für elektrisch oder hybrid angetriebene Pkw herausbilden wird.

Größte Hindernisse für eine breite Akzeptanz von Elektrofahrzeugen sind neben dem aus dem großen Forschungsaufwand resultierenden Preis die unverändert geringe Energiedichte der Batterien und die damit verbundenen Einschränkungen der Fahrleistungen und des Fahrkomforts. Während moderne elektrische Antriebe hinsichtlich ihrer Parameter (Drehmoment, Gewicht, Volumen) den Verbrennungsmotoren ebenbürtig oder gar überlegen sind, ist es trotz großer Anstrengungen der Batterieindustrie noch nicht gelungen, Energiespeicher zu schaffen, deren Energieinhalt auch nur annähernd dem für Benzin gültigen Werte von 12kWh/kg entspricht. Modernste Entwicklungen weisen einen Energieinhalt von etwa 120 Wh/kg auf und liegen damit um 2 Größenordnungen hinter konventionellen Kraftstoffen zurück.

Bedingt durch die intensiven Forschungen, die in aller Welt an Energiespeicherzellen verschiedenster Art durchgeführt werden, werden die mit der Entwicklung von Elektrofahrzeugen befaßten Automobilhersteller ständig mit Neuentwicklungen von Speicherzellen konfrontiert, die von ihren Herstellern stets als optimale Lösung aller Probleme der Energiespeicherung in Elektrofahrzeugen gepriesen werden.

Da jedoch die von den Batterieherstellern gemachten Angaben häufig unzuverlässig und zudem meist wenig umfassend sind, schaffen sich die Automobilhersteller und so auch die BMW AG eigene Prüfanlagen für neuentwickelte Energiespeicherzellen. Damit ist es möglich, trotz des Fehlens verbindlicher Vorschriften für die Prüfung moderner Energiespeicherelemente für Antriebszwecke Zellen unter reproduzierbaren und möglichst gleichen Bedingungen zu testen und objektive Vergleiche der Produkte einzelner Hersteller vorzunehmen. Diesem Zweck dient auch der im Rahmen dieser Arbeit modifizierte und eingesetzte rechnergeführte Sekundärzellenprüfstand.

Anmerkungen zur Aufgabenstellung:

Der hier zu behandelnde Sekundärzellenprüfstand entstand als Ergebnis der Diplomarbeit eines Studenten der FH Konstanz [1]. Dieser Prüfstand ermöglichte in seiner ursprünglichen Konfiguration eine stromgeführte Ladung und Entladung von Sekundäreinzelzellen und Doppelschichtkondensatoren großer Kapazität (in der Literatur oftmals als Supercapacitors bezeichnet), wie sie für die Speisung der Antriebe von Elektrokraftfahrzeugen verwendet werden. Beide Arten von Energiespeicherelementen werden im folgenden als Zellen angesprochen.

Ausgehend von der Tatsache, daß für die Bewertung von Energiespeicherelementen hinsichtlich ihrer Brauchbarkeit für die Anwendung in elektrogetriebenen Straßenfahrzeugen vor allem das Leistungsangebot über einen bestimmten Zeitraum von Bedeutung ist und durch die Bestimmung des Leistungsprofils des Speicherelements eine bessere Vergleichbarkeit mit den Leistungen eines konventionellen Verbrennungs-Kfz. gewährleistet werden kann, galt es den Meßablauf des Prüfstands um einen leistungsgeführten Modus zu erweitern. Darüber hinaus wurde eine Betriebsart zur Messung mit Online-Sollwerteingabe über die Tastatur für Vorbereitungsmessungen gefordert.

Um die leistungsgeführten Messungen nach kraftfahrzeugtypischen Abläufen und mit der notwendigen Reproduzierbarkeit durchführen zu können, sollte der Leistungsbedarf eines Straßenfahrzeuges bei Fahrt nach international genormten Verbrauchszyklen der Sollwertvorgabe zugrunde gelegt und ein automatisierter Meßablauf auf der Basis dieser Werte gestaltet werden.

Die Realisierung einer leistungsgeführten Schaltung war bereits Inhalt der Aufgabenstellung, die dem Aufbau des Versuchsstands in der vorgefundenen Konfiguration zugrunde lag, wurde in diesem Rahmen aber nur in Ansätzen realisiert. Auf bereits vorhandene Teile einer Leistungsregelung konnte auf Grund deren konzeptioneller Fehler nicht zurückgegriffen werden. Der Umsetzung eigener Ideen ging deshalb jeweils die Außerbetriebsetzung bzw. Demontage bereits vorhandener Baugruppen sowie die Modifikation der Software voraus.

Inhaltsverzeichnis:

Textprobe:

Kapitel 5.2.1, Version A eines Algorithmus zur Eigendiagnose:

Ziel der Erarbeitung des als Version A bezeichneten Algorithmus zur Eigendiagnose soll die Schaffung einer Testfolge unter besonderer Beachtung der Spezifika der zu prüfenden Anlage sein. Dies betrifft vor allem die Realisierbarkeit mit vorhandener Hard- und Software.

Zur Gestaltung des Diagnoseablaufs stellt das Programm DIA/DAGO definierte Elemente zur Generierung von Testsignalen und zur Prüfung von Parametern hinsichtlich verschiedenster Bedingungen zur Verfügung, die durch nutzerspezifische Eingaben an den konkreten Anwendungsfall angepaßt werden. Der durch das Programm realisierbare Funktionsumfang wird, wie bereits bei der Darstellung der allgemeinen Einflußfaktoren erwähnt, im wesentlichen durch die Anzahl der zur Verfügung stehenden Ein- und Ausgänge der Meßkarte beschränkt.

Entsprechend der in Bild 10 dargestellten Struktur der Funktionsgruppe stehen bei Verzicht auf zusätzliche Adaptierpunkte folgende Eingänge des Versuchstands als Koppelstellen der Stimuli zur Verfügung:

- e21: Grenzwerteingang (Spannung) des Überspannungsbegrenzers; - e33: Sollwerteingang (Strom- bzw. Leistungsäquivalent) des Ladereglers; - e61: Steuereingang (Istwertumschaltung) des Multiplizierers; - e2/9: Steuereingang (Grenzwertumschaltung) der Spannungsbegrenzer; - e73: Sollwerteingang (Strom- bzw. Leistungsäquivalent) des Entladereglers; - e92: Grenzwerteingang (Spannung) des Unterspannungsbegrenzers.

Das Meßsystem kann an folgende Ausgänge angeschlossen werden:

- a14: Meldeausgang (Betriebszustand) der Spannungsversorgung; - a4: Istwertausgang (Strom) der Ladeleistungselektronik; - a6: Istwertausgang (Leistungsäquivalent) des Multiplizierers; - a8: Istwertausgang (Strom) der Entladeleistungselektronik; - a11: Istwertausgang (Spannung) des Prüflings; - a12: Istwertausgang (Spannung) der Hilfsspannungsquelle.

Bei der Berechnung des Algorithmus nach der Fehlermatrix (5.7) in Abschnitt 5.1 wurden wegen fehlender Entkopplungsmöglichkeiten Funktionselemente als funktionsfähig vorausgesetzt, deren Funktionstüchtigkeit zuvor nicht geprüft werden konnte. Daraus ergibt sich unter dem Gesichtspunkt der praktischen Realisierung der Nachteil, daß Fehler der für die Realisierung aller Tests notwendigen Energiequellen (Spannungsversorgung, Hilfsenergiequelle, Ener-giespeicherzelle) erst am Ende des Algorithmus festgestellt werden, da alle Tests eine Fehler-meldung liefern. Ganz besonders problematisch für die Umsetzung der Eigendiagnose mit DIA/DAGO, das nicht speziell für Testzwecke geschaffen wurde, ist die Notwendigkeit, bei einer Testfolge nach (5.7) die Ergebnisse der einzelnen Tests zu speichern und danach hinsichtlich der einzelnen Fehlerinformationen zu vergleichen. Dazu wären Eingangs-, Bedingungs- und Typdefinitionen in einem Umfang notwendig, der den Programmieraufwand für die eigentliche Meßaufgabe übersteigen würde. Dies ist technisch und ökonomisch unsinnig. Deshalb wird nachfolgend ein Diagnoseablauf entworfen, der die in (5.7) definierten Tests unter Verwendung von bereits für die Messung verwendeten Programmkomponenten realisiert. Die Testfolge wird so gestaltet, daß Funktionselemente, deren Funktionstüchtigkeit bei Tests anderer FE vorausgesetzt wird, zuerst geprüft werden und daß jeder Testschritt die eindeutige Zuordnung des gefundenen Fehlers zu einem Funktionselement erlaubt.

Eine Abweichung von der optimalen Testfolge ist auch deshalb möglich, weil die Gesamtzahl der erkennbaren Fehler (10) sehr gering ist und selbst bei Einfügung von zwei bis drei zusätzlichen Prüfschritten der Zeitbedarf für die Eigendiagnose im Verhältnis zur Dauer der Zyklusmessungen vernachlässigbar klein ist.

Unter Berücksichtigung der genannten Spezifika der Anlage ergibt sich folgender Diagnoseablauf:

Die Funktionstüchtigkeit der Spannungsversorgung wird durch Prüfung des Zustands des Meldeausgangs ‘Betrieb’ festgestellt ( ). Bei ordnungsgemäßer Funktion der Spannungsversorgung liegt an diesem Ausgang eine Spannung von +12V an, die vom angeschlossenen Digitaleingang der Signalanschlußeinheit als ‘High’-Signal interpretiert wird. Liegt an diesem Eingang jedoch ein ‘Low’-Signal an, liefert die Spannungsversorgung eine zu geringe Ausgangsspannung bzw. ist der Netzschalter aus- oder der ‘STOP’-Schalter eingeschaltet. Diese fehlerhaften Schaltzustände lassen sich von einer Fehlfunktion durch visuelle Prüfung der Schalterstellungen unterscheiden. Das Auftreten eines Fehlers bei Test 1 führt zum Abbruch des Testablaufs, um dem Nutzer die Möglichkeit zu geben, die für die Funktion notwendigen Schalterstellungen anzuwählen bzw. die Funktionstüchtigkeit der Spannungsversorgung wiederherzustellen.

Im Anschluß an die Prüfung des Netzanschlusses sind die Spannungen von Prüfling und Hilfsspannungsquelle ( ) als Indikatoren des Ladezustands zu messen und mit einem vorher festgelegten Grenzwert zu vergleichen, da auf Grund der Parameter der Signalanschlußeinheit nur diese beiden Energiespeicher als Stimuli für den Test von Leistungselektronik und Reglern verwendet werden können. Ein zu geringer Energieinhalt der Speicher verursacht auch bei fehlerfreier Funktion von Regler und Stellglied Abweichungen zwischen Soll- und Istwert, die wiederum Fehlermeldungen hervorrufen. Die Messung der Spannungen erfolgt direkt mit Hilfe der dafür vorgesehenen Eingänge. Sind die gemessenen Spannungen kleiner als die vorgegebenen Grenzwerte, erfolgt der Abbruch der Eigendiagnose, da zur Herstellung der Prüfbedingungen das Auswechseln eines oder beider Energiespeicher notwendig ist.

Nachdem somit die Umgebungsbedingungen für die fehlerfreie Funktion der Regelung geprüft worden sind, ist es möglich, mit Regler und Leistungselektronik ( ) die funktionsbestimmenden Elemente des Versuchstands zu testen. Um festzustellen, ob diese Funktionselemente den Forderungen hinsichtlich der Genauigkeit der Nachführung des Istwertes entsprechend dem Vorgabewert genügen, muß ein zeitlicher Verlauf eines Sollwertes vorgegeben, die Abweichung des durch die Regelung eingestellte Istwertverlaufs von der Vorgabe bestimmt und mit einem die Funktionsfähigkeit charakterisierenden Grenzwert verglichen werden. Wird dieser überschritten, erfolgt die Meldung der Fehlfunktion.

Damit trotz der Komplexität von Reglerschaltungen und Leistungselektronik zumindest eine grobe Lokalisierung des Fehlers möglich ist, muß der Soll-/Istwertvergleich für Lade- und Entladekomponenten in separaten Schritten erfolgen.

Das Prinzip der Funktionsprüfung des Multiplizierers ( ) entspricht, da hierbei auch auf Regler und Leistungselektronik zurückgegriffen wird, dem zuvor dargestellten. Der Unterschied besteht lediglich in der Zuführung des Istwertäquivalents zu den Reglern über den Multiplizierer und der dementsprechend modifizierten Sollwertvorgabe. Auf eine getrennte Diagnose bei Laden und Entladen kann verzichtet werden, da der Multiplizierer bei beiden Betriebsarten genutzt wird.

Der Test von Über- und Unterspannungsbegrenzung ( ) muß notwendigerweise von der Funktion dieser Baugruppen während einer Messung abweichen, da es mit der vorhandenen Schaltungskonfiguration nicht möglich ist, den Wert der Zellenspannung zu beeinflussen bzw. auf die Meßstelle einen anderen Spannungswert aufzuschalten. Deshalb muß die Sollwertvorgabe so gestaltet werden, daß die jeweils zu testende Funktion aktiviert wird. Dies ist der Fall, wenn der Überspannungsbegrenzung ein fallender und der Unterspannungsbegrenzung ein steigender Sollwertverlauf vorgegeben wird.Bei Unter- bzw. Überschreitung der zu diesem Zeitpunkt anliegenden Zellenspannung muß die jeweils aktive Begrenzerschaltung das Abschalten der Leistungselektronik veranlassen. Das Kriterium für die Bewertung der Funktionselemente ist dann die Einstellung eines Zellenstroms von 0A als Folge der Abschaltung der Power-MOSFET durch die Begrenzer.

Auf die Prüfung des Lüfters mit Steuerung muß im Rahmen des hier erstellten Algorithmus verzichtet werden, da an diesem Funktionselement keine Ein- bzw. Ausgänge vorhanden sind, die zur Gewinnung von Meßwerten bzw. Prüfergebnissen genutzt werden können. Eine Funktionsprüfung durch Vorgabe eines hohen Zellenstroms und Feststellung der Reaktion des Lüfters durch den Nutzer ist ebenfalls nicht möglich, da das Einschalten des Lüfters stark umgebungstemperaturabhängig ist und Ströme, die eine entsprechende Erwärmung hervorrufen, für viele Prüfobjekte nicht zulässig sind.

Die Diagnose des Taktgenerators unterbleibt ebenfalls, da dessen Aktivierung nur manuell möglich ist und eine Fehlbedienung die Prüfaussage verfälschen könnte. Die Funktion des Taktgenerators kann nach dessen Einschalten relativ einfach durch Beobachtung des Verlaufes des Zellenstroms überprüft werden. Außerdem wird der Taktgenerator bei den hier zu behandelnden zyklusgeführten Messungen nicht genutzt.

Wurden während des Ablaufes der Eigendiagnose keine Fehler festgestellt, so erfolgt abschließend die Meldung der Betriebsbereitschaft.