Leistungsgeführte Regelung eines Prüfstandes für Energiespeicherelemente

Gliederung

0. Einführende Bemerkungen

1. Anmerkungen zur Aufgabenstellung

2. Darstellung der Ausgangssituation
2.1 Aufbau des Prüfstands
2.2 Programmstrukturen

3. Modifikation des Prüfstands
3.1 Leistungsgeführte Messung
3.2 Spannungsbegrenzung und rechnergesteuerte Signalwegumschaltung

4. Entwicklung der Steuer-Software
4.1 Neugestaltung der DIA-Konfiguration
4.2 Modifikation und Neudefinition von DAGO-Setups

5. Eigendiagnose des Meßsystems
5.1 Grundsätzliche Überlegungen zur automatisierten Eigendiagnose
5.2 Entwurf anlagenspezifischer Strategien zur Eigendiagnose
5.2.1 Version A eines Algorithmus zur Eigendiagnose
5.2.2 Version B eines Algorithmus zur Eigendiagnose
5.3 Umsetzung einer Diagnosestrategie mittels DIA/DAGO

6. Sollwertberechnung für Zyklusmessungen
6.1 Kraftfahrzeugtypische Verbrauchszyklen
6.2 Berechnung der Batterieleistung

7. Messungen an Energiespeichern
7.1 Messungen an Batteriezellen
7.1.1 Experimentelle Ermittlung von Überladekriterien
7.1.2 Nickel/Cadmium-Batteriezelle X 35 der Firma DAUG
7.1.3 Nickel/Metallhydrid-Batteriezelle NP 60 der Firma VARTA
7.2 Messungen an Doppelschichtkondensatoren

8. Zusammenfassung

9. Literaturverzeichnis

Anlagen

0. Einführende Bemerkungen

Seit mehr als 100 Jahren gibt es in aller Welt Bemühungen, elektrisch getriebene Straßenfahr­zeuge zu einer echten Alternative zu konventionellen Verbrennungskraftfahrzeugen zu entwik­keln. 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.

1. 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.

2. Darstellung der Ausgangssituation

2.1 Aufbau des Prüfstands

Der Prüfstand besteht in der vorgefundenen Konfiguration aus drei Funktionseinheiten:

1. Leistungselektronische Schaltung mit zugehöriger analoger Regelung, unterge­bracht in einem speziellen Gehäuse,
2. Signalanschlußeinheit zur Gewährleistung der galvanischen Trennung zwischen PC und Prüfstand, auf dem Gehäuse der Leistungselektronik angeordnet und
3. Steuer-PC, ausgerüstet mit einer Meßkarte als Signalein- und -ausgang, über Kabel mit der Signalanschlußeinheit verbunden.

Die Struktur des Prüfstands ist in Bild 1 dargestellt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 1: Grundkonfiguration des Prüfstands

Auf dem Steuerrechner ist das Meßwerterfassungs- und -auswertungsprogramm DIA/DAGO-PC installiert, das die Meßabläufe entsprechend der Eingaben des Nutzers steuert, die Soll­wertvorgabe realisiert und die aus den Abläufen resultierenden Meßwerte visualisiert. Das Programm stellt somit sowohl die Schnittstelle zum Nutzer als auch die übergeordnete Ebene der Regelung der Lade- und Entladevorgänge dar. Die zweite Ebene der Regelung wird von den unmittelbar mit der Leistungselektronik verbundenen Analogreglerschaltungen auf der Basis von Operationsverstärkern gebildet (detaillierte Struktur siehe Anlage A).

Zur Verbindung zwischen PC und Signalanschlußeinheit stellt die Meßkarte acht Analog-/Digital-Eingänge, zwei Digital-/Analog-Ausgänge sowie jeweils 8 digitale Ein- und Ausgänge zur Verfügung. Dementsprechend besteht die Signalanschlußeinheit aus jeweils einer achtkana­ligen digitalen Ein- und Ausgangskarte, einer zweikanaligen D/A-Ausgangskarte sowie vier zweikanaligen A/D-Eingangskarten.

Grundsätzlich läßt sich die Funktionsweise des Versuchsstands in der ursprünglichen Gestalt wie folgt beschreiben: Nach Aufruf des Programms DIA/DAGO auf dem PC ist es dem Nutzer möglich, durch Aufruf verschiedener Menues den zeitlichen Verlauf eines Lade- bzw. Entlade­vorgangs vorzugeben. Nach Aktivierung des Menuepunktes "MESSUNG" startet ein automa­tisierter Programmablauf, der zuerst das Programm und die Bildschirmgrafik zum Ablauf der Messung und zur Online-Darstellung der Meßwerte konfiguriert und danach die Ausgabe entsprechender Steuerbefehle (Laden oder Entladen, Sollwerte von Strom bzw. Leistung) über die Meßkarte veranlaßt. Diese Signale werden durch die Signalanschlußeinheit übertragen und an das Stellglied angepaßt. In Abhängigkeit vom extern vorgegebenen Sollwert und dem über einen strombildenden Wandler nach dem Prinzip der Feldkompensation ermittelten Istwert des Stroms regelt die Lade- bzw. Entladeelektronik das Laden des Prüflings durch eine externe Energiequelle bzw. das Entladen desselben durch gesteuerten Kurzschluß. Als Schaltelemente dienen in beiden Fällen jeweils 30 parallelgeschaltete Power-MOSFET, die vom jeweiligen Regler direkt angesteuert werden.

Neben den Schaltungen für die primären Funktionen existieren Baugruppen, die Hilfsfunktio­nen, wie Spannungsversorgung der Reglerschaltungen, Überladeschutz für das Energiespeiche­relement und Steuerung der zur Kühlung der Leistungselektronik eingesetzten Lüfter, realisie­ren. Detailliert werden Struktur und Parameter des Prüfstands und der Stromregelung in [1] dargestellt. Die Daten zu den konfektionierten Hardwarekomponenten können [2] und [3] ent­nommen werden.

2.2 Programmstrukturen

Zur Realisierung der oben genannten Aufgaben ist die Version 4.27 von DIA/DAGO-PC für das Betriebssystem MS-DOS installiert. Diese Programmstruktur wurde vom Ersteller der Grundkonfiguration des Prüfstands um einen anwenderspezifischen Programmteil erweitert. Obwohl das Programm ab der Version 4.27 unter Windows lauffähig und mit einer entspre­chenden Oberfläche ausgestattet ist, basieren alle im folgenden beschriebenen Programmierar­beiten auf der MS-DOS-Version, da diese Vorteile bezüglich der Arbeitsgeschwindigkeit besitzt und die zugehörige Oberfläche nach kurzer Eingewöhnung ebenso problemlos wie die des Windows-Betriebssystems zu bedienen ist.

Wie bereits aus dem Namen DIA/DAGO ersichtlich, besteht das Programm aus zwei separaten Programmteilen, die auch unabhängig voneinander lauffähig sind. Im folgenden wird aufbauend auf [4] die Aufgabenverteilung zwischen beiden Komponenten im Rahmen der dargestellten Anwendung kurz dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2: Struktur und Aufgabenverteilung von DIA/DAGO

DAGO dient der Erfassung der Meßwerte über zugeordnete Schnittstellenkarten, der Online-Visualisierung dieser Meßwerte und ihrer strukturierten Speicherung in speziellen Dateien. Abhängig von der eingesetzten Schnittstellen-Hardware und den Geschwindigkeitsanforderun­gen der Anwendung kann DAGO auch Steuerungs-, Überwachungs- und Regelungsfunktionen übernehmen. In DIA können sowohl durch DAGO-Messungen direkt gewonnene als auch Daten anderer Herkunft grafisch analysiert, mathematisch ausgewertet und ausgegeben werden.

Die Datenverarbeitung in DIA/DAGO erfolgt kanalorientiert. Zur Speicherung der Daten erstellt DIA/DAGO eine Datenmatrix, deren Spalten, die Kanäle, zusammengehörige Zahlen­werte sowie kanalbezogene und allgemeine Zusatzinformationen enthalten.

Beiden Programmteilen gemeinsam ist die Gestaltung der Benutzeroberfläche. Der Programmablauf kann während der Nutzung über ein als Strukturbild bezeichnetes Menue, das gleichzeitig ein Inhaltsverzeichnis darstellt, über Funktionstasten, deren sich ändernde Bele­gung in Menues am unteren Bildschirmrand eingeblendet wird sowie über Eingabemasken und Direktbefehle gesteuert werden.

DIA/DAGO bietet zahlreiche Funktionen für die anwendungs- und anwenderorientierte Gestal­tung von Meßabläufen, von denen im Rahmen dieser Anwendung vor allem Autosequenzen und Anwenderstrukturbilder genutzt werden. Autosequenzen stellen eine Auflistung von Befehlen und Eingaben dar und laufen nach Initialisierung automatisch ab. Zur Steuerung der Meßabläufe genügt im vorliegenden Falle ein Anwenderstrukturbild. Die Strukturbilddatei "zellstrk.usb" erzeugt nach Aufruf unter Menuepunkt "EW-5 Prüfstand" drei Fenster, die die Schlüsselworte für alle Operationen im Zusammenhang mit der Messung enthalten (siehe Abschnitt 4.1). Die Schlüsselworte sind durch die Datei mit Befehlen oder Dateiaufrufen verbunden, so daß beim Anklicken die entsprechenden Abläufe ausgelöst werden.

Das erste Menuefenster dient der Aktivierung der Hauptabschnitte der Messung: Datenein­gabe, Messung und Auswertung. Durch das zweite Fenster wird die Arbeit mit den kanalori­entierten Prozeßdaten gesteuert und im dritten Fenster erfolgt die Sollwertvorgabe (siehe Bild 7).

Die Anwahl des Menuepunktes "Messung" aktiviert die Autosequenz"zelldago.aut", in deren Ablauf entsprechend den Vorgaben des Anwenders die Daten für die Messung aufbereitet werden, die Online-Darstellung gestaltet und die Konfiguration der Datenkanäle vorgenommen wird.

Durch die Autosequenz wird ein Setup aufgerufen, das aus den Dateien mit den Extensionen *.dgz, *.dga, *.dgk, *.dgo und *.dgs besteht. Diese enthalten alle Einstellungen zur Formulie­rung der Meßaufgabe, zur Konfigurierung der Hardware und zur Gestaltung der Online-Darstellung.

In der zentralen Setup-Datei "zellbild.dgz" erfolgt die Zuordnung der anderen Dateien zum Setup sowie die Definition allgemeiner Parameter. Die Aufgabendatei "zellbild.dga" enthält neben den Definitionen der DAGO-Ein- und Ausgänge die zeitlichen Abläufe, ihre Aktivie­rungs- und Abbruchbedingungen, Kalibrierungsvorschriften und Definitionen von sogenannten Rechen-Typen (mathematische Verknüpfungen von Eingangsdaten) sowie die Zuordnung der genannten Parameter zu den Ein- und Ausgängen. Mit Hilfe der Konfigurationsdatei "zellbild.dgk" werden den DAGO-Geräten (das sind reale oder virtuelle Hardware-Komponen­ten, die die Kommunikation mit der Umgebung ermöglichen) entsprechende Treiber zugewie­sen. Weiterhin werden Ein- und Ausgangs-Typen definiert, diesen DAGO-Geräte und weitere Parameter zugeordnet und somit der programminterne Datenfluß vorgegeben. Aus den Vorga­ben der Online-Datei "zellbild.dgo" resultiert die Gestaltung der Online-Grafik.

Zu den benutzerdefinierten Programmstrukturen gehören neben den erwähnten Setup-Dateien und Strukturbildern auch die Meßwertdateien. Die Vorgabe des zeitlichen Verlaufs der Soll­werte erfolgt in den Kanaldateien. Während der Messung dienen Kanäle der Speicherung der Werte verschiedener Ein- und Ausgänge. Diese bilden die Grundlage der anschließenden Meßwertanalyse mittels DIA.

Umfassende Informationen zur Nutzung und Gestaltung von DIA/DAGO bietet [4].

3. Modifikation des Prüfstands

3.1 Leistungsgeführte Messung

Voraussetzung für die Durchführung einer leistungsgeführten Messung ist die fortlaufende Berechnung der Istleistung als Produkt aus der Spannung des Energiespeichers und dem aufgenommenen bzw. abgegebenen Strom. Grundsätzlich sind zwei Wege der Ermittlung der Momentanleistung denkbar:

1. Separate Messung und Wandlung der Werte von Spannung und Strom sowie Produktbildung mit Hilfe der mathematischen Eingangswertverknüpfungen des Programms DIA/DAGO oder

2. Bildung des Strom-Spannungs-Produkts innerhalb der Schaltung mittels speziel­ler Bauelemente und Verarbeitung des Ergebnisses durch das Meßprogramm.

Obwohl DIA/DAGO auch für die Realisierung regelungstechnischer Aufgaben konzipiert wurde, ist die Geschwindigkeit, mit der eingehende Signale mathematisch verarbeitet und die daraus resultierenden Ergebnisse ausgegeben werden, zu gering, um die notwendige Schnellig­keit der Regelung zu sichern. Deshalb wurde zur Berechnung des Äquivalents der Momentan­leistung aus tatsächlicher Zellenspannung und der Spannung, die durch Umwandlung des Ausgangsstroms des strombildenden Wandlers über einen Widerstand entsteht, ein Analog­multiplizierer, also ein integrierter Schaltkreis, der die Werte zweier Eingangsspannungen multiplikativ zu einer Ausgangsspannung verknüpft, eingesetzt.

Auf der Basis dieser Lösung ist es möglich, die bereits installierte Stromregelung weiterzunut­zen, indem lediglich der Istwert (in Form der vom Multiplizierer erzeugten Ausgangsspannung) und der Sollwert der Leistung (eine mit Hilfe von DAGO erzeugte und über Meßkarte und Signalanschlußeinheit angepaßte Spannung) verändert werden. Stellgröße bleibt weiterhin allein der Strom aus dem oder in den Energiespeicher, die leistungsbildende Spannung ist allein durch den Ladungszustand des Energiespeichers vorgegeben.

Ziel der Auswahl des Multiplizierers war es zum einen, durch Einsatz eines möglichst linea­ren und präzisen Bauelements den Meßfehler zu minimieren und andererseits, den Aufwand für die Beschaltung auf ein Mindestmaß zu reduzieren, um Problemen mit unzureichender Stabili­tät und Zuverlässigkeit der Multipliziererschaltung vorzubeugen.

Nach Durchsicht umfangreichen Applikationsmaterials wurde der Schaltkreis AD 534 K der Firma Analog Devices ausgewählt. Dieser bietet laut Datenblatt folgende für diese Anwendung wichtige Leistungsmerkmale:

Realisierung der Multiplizierfunktion ohne externe Beschaltung. Lediglich die Einstellung eines von 10V abweichenden Skalierungsfaktors muß über ein Poten­tiometer erfolgen, das mit dem entsprechenden Eingang verbunden wird.

Hohe Linearität (Linearitätsfehler des X-Eingangs bei Y=konst.: Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten 0,2%, Linea­ritätsfehler des Y-Eingangs bei X=konst.: Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten 0,1%)

Geringer Fehler (Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten 0,5% Maximalfehler in allen vier Quadranten)

Skalierungsfaktor einstellbar zwischen 3,00V und 10,00V durch Beschaltung des entsprechenden Eingangs mit einem Widerstand geringe Ausgangs-Offset-Spannung Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten 0.2mV Vor dem Einbau wurden die Schaltkreise mit Hilfe einer provisorischen Meßanordnung hinsichlich der Einhaltung der Datenblattparameter überprüft. Bei einer Versorgungsspan­nung von Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten 15,0 V wurden beide Eingänge jeweils mit der gleichen Eingangsspannung aus einem Präzisionsstromversorgungsgerät mit einer kleinsten einstellbaren Spannung von 0,0001V und einer garantierten Fehlergrenze von maximal 0,02% im kleinsten Meßbereich versorgt und die resultierende Ausgangsspannung gemessen. Als Vergleichswert wurde die theoretische Ausgangsspannung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten (3.1) berechnet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1: Ein- und Ausgangsspannungen am unbeschalteteten Multiplizierer bei Skalierungs­faktor 10V

Nachdem somit Funktionsfähigkeit und hinreichende Genauigkeit der Bauelemente nachgewie­sen werden konnten, wurden die Eingänge des Multiplizierers an die bestehende Schaltung angeschlossen. Anschließend wurde durch Messung der Eingangsgrößen (Zellenspannung, Spannungsäquivalent des Zellenstroms) sowie der Ausgangsspannung und Vergleich zwischen theoretischem und tatsächlichen Produkt die Präzision des Multiplizierers bei kleinen Aussteue­rungen (Zellenspannung < 2V, Stromäquivalent (theoret.) 0,94V / 100A) überprüft.

Der relative Fehler wurde basierend auf der in [5] angegebenen Beziehung nach

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten (3.2)

berechnet. Da der Multiplizierfehler im Bereich geringer Leistung mehr als 1% betrug, wurde in einer zweiten Meßreihe untersucht, ob die Veränderung des Skalierungsfaktors von 10V auf 5V (durch Verbindung der negativen Versorgungsspannung mit dem Skaliereingang über einen Widerstand von 5,4kAbbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten) und die damit verbundene Verdopplung der Ausgangsspannung in den jeweiligen Arbeitspunkten zu einer Verringerung des prozentualen Fehlers führt.

Im Ergebnis der Messungen mußte jedoch festgestellt werden, daß mit dem unbeschalteten Bauelement die höchste Genauigkeit erzielt werden kann. Demgegenüber steht das Problem, daß bei einem Skalierungsfaktor von 10V die Ausgangsspannung des Multiplizierers so niedrig wird, daß sowohl deren Messung über den A/D-Wandler der Meßkarte als auch die Ausgabe eines entsprechenden Spannungssollwertes durch den D/A-Wandler bereits wegen der auf 4,9mV (entsprechend 11 Bit für die Abbildung des Betrags des Meßwertes + 1 Bit für die Darstellung des Vorzeichens) begrenzten Auflösung mit einem erheblichen Fehler behaftet ist.

Um den Einfluß dieser Fehlerquelle auf die Messung einzuschätzen, wurde der Ausgang des Multiplizierers provisorisch mit der Schaltung verbunden und somit eine leistungsgeführte Regelung ermöglicht. Da der Meßbereich der A/D-Wandler 0 bis 10V umfaßt, die Ausgangs­spannung des Multiplizierers bei der verwendeten Skalierung bei der Dimensionierungsvorgabe 1kW jedoch lediglich etwa 0,95V betragen würde, wurde ein nichtinvertierender Operations­verstärker mit einer Verstärkung von etwa 9,3 wiederum in freier Verdrahtung in die Schaltung eingefügt (siehe Bild 3). Der nicht ganzzahlige Wert der Verstärkung resultiert aus der Verwendung vorhandener Widerstände (Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten, Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten). Die Wahl einer solchen Verstärkung ist unproblematisch, da die Kalibrierung der Meßanordnung ohnehin mittels spezieller Menues in der Software erfolgt und eine Anpassung auch bei ganzzahligen Verstär­kungen vorgenommen werden müßte.

Um den Fehlereinfluß des OPV auf den Wert des Leistungsäquivalents zu überprüfen, wurden bestimmte Leistungssollwerte vorgegeben, die dazugehörigen Eingangsspannungen am Multiplizierer gemessen und der theoretische Wert der Ausgangsspannung des mit dem Multiplizierer verbundenen OPV mit dem tatsächlichen Wert verglichen. Zur Vermeidung von Ablesefehlern durch die mit dem Anstieg bzw. Abfall der Zellenspannung beim Laden bzw. Entladen verbundene ständige Änderung der Ausgangsspannung des Multiplizierers wurde ein konstanter Spannungswert extern vorgegeben. Die theoretische Ausgangsspannung wurde aus der Verknüpfung der Übertragungsfunktion des Multiplizierers

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten (3.1)

mit der des Operationsverstärkers

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten (3.3)

berechnet. Die Beschaltungswiderstände wurden vor dem Einbau vermessen. Die Meßwerte betragen Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten und Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten. Daraus resultieren ein Wert für Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten von 9,26 und eine Gesamtübertragungsfunktion

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten. (3.4)

In Auswertung der Messungen wurde festgestellt, daß die Multipliziererbaugruppe erst bei Strömen oberhalb 150A hinreichend genau arbeitete. Ursache war eine Offset-Spannung des Verstärkers. Zu deren Kompensation wurde eine zusätzliche Beschaltung nach [6] eingefügt (siehe Bild 3). Die nachfolgende Tabelle zeigt die Ergebnisse der Meßreihe nach erfolgter Kompensation.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2: Ein- und Ausgangsspannungen am eingebauten Multiplizierer mit nachgeschaltetem Operationsverstärker nach Offset-Kompensation

Anmerkung: Der Vorzeichenwechsel innerhalb der Messung resultiert aus der Umschaltung zwischen Laden und Entladen. Diese war notwendig, um die Batteriezelle nicht zu überladen. Der Maximalstrom von 400A wurde durch die Zellenparameter vorgegeben.

Im Ergebnis der Kompensation konnte eine hinreichende Genauigkeit der Leistungsmessung für Ströme von 75A und größer (das entspricht bei vorliegender Einstellung einer Leistung Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten 127,5W) festgestellt werden. Eine Verringerung des Fehlers bei kleinen Leistungen war durch Veränderungen an der Multipliziererbaugruppe nicht möglich, da dazu deren Aussteuerung erhöht werden mußte. Die dafür notwendigen Veränderungen werden im Rahmen der Fehler­betrachtung für das gesamte Meßsystem beschrieben.

Die nach Einfügen der Kompensationsbeschaltung und Verbinden des OPV-Ausgangs mit dem Istleistungseingang der Signalanschlußeinheit entstandene endgültige Konfiguration der Multipliziererbaugrupp e zeigt Bild 3.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 3: Multiplizierer mit nachgeschaltetem Operationsverstärker

Die Einordnung der Baugruppe in die Gesamtschaltung ist in Anlage B dargestellt.

Zur wahlweisen Heranführung des Istwertes von Strom bzw. Leistung wurde ein Umschal­ter eingefügt. Dazu war es notwendig, die Zuleitung für das Istwertäquivalent des Zellenstroms aufzutrennen und Verbindungsleitungen zwischen Regler- und Bedienelementeplatine einzufü­gen. Bild 6 zeigt das Prinzipschaltbild der eingefügten Umschaltmöglichkeiten für Soll- und Istwerte in der im folgenden Abschnitt beschriebenen modifizierten Version (auf die Einfügung der Umschaltmöglichkeiten in die Darstellung der Gesamtschaltung in Anlage B wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet).

Zum Nachweis der Funktionsfähigkeit der Leistungsregelung wurde die Reaktion der Anordnung auf die Veränderung der Zellenspannung untersucht. Dazu wurde der Meßwert der Zellenspannung durch die frei wählbare Ausgangsspannung eines Konstantspannungsgerätes ersetzt, indem die Kontakte der Meßleitung für die Zellenspannung von der leistungselektroni­schen Schaltung getrennt und mit den entsprechenden Ausgängen des Gerätes verbunden wurden. Unter Vorgabe einer konstanten Solleistung wurde die simulierte Zellenspannung mehrfach sprunghaft erhöht oder verringert und die daraus resultierenden Verläufe von Zellen­strom und -leistung beobachtet. Die Zellenleistung blieb während der gesamten Messung konstant.

Nachdem somit der Nachweis der prinzipiellen Funktionsfähigkeit der modifizierten Schaltung erbracht war, konnten Überlegungen zur Fehlerbehaftung und Reproduzierbarkeit der Messun­gen angestellt werden. Ausgangspunkt ist dabei die Struktur des Meßsystems für Leistungen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 4: Struktur des Meßsystems für den Leistungsistwert

Ausgehend von der in Bild 4 dargestellten Gesamtstruktur des Meßsystems sollte eine Abschätzung des Fehlers, der bei der Erzeugung und Übertragung des Meßwertes Leistung entsteht, erfolgen.

Für diese Struktur gilt nach [5] die Übertragungsfunktion:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten (3.5)

Der relative Maximalfehler, der eine Aussage über die Fehlerbehaftung des Systems im ungün­stigsten Fall liefert, läßt sich demzufolge nach:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten (3.6) berechnen.

Da jedoch für den Operationsverstärker und den A/D-Wandler keine Herstellerangaben vorla­gen, mußte die Ermittlung des mittleren Fehlers des Systems experimentell erfolgen. Für einen Meßbereich > 100A stand kein Strommeßgerät mit einem Meßfehler < 2% zu Verfü­gung, so daß die Vorgabe des Meßstroms indirekt erfolgen mußte. Dies ist auf Grund des Wirkprinzips des Wandlers (Kompensation des Magnetfelds des zu messenden Stroms) durch die Einspeisung eines kleineren Stroms in eine große Anzahl von Windungen, die durch den Wandler geführt werden, möglich. Für die Messungen standen ein Konstantstromversorgungs­gerät mit einem maximalen Ausgangsstrom von 8A und ein Strommeßgerät mit einem Fehler von 0,4% + 100 Digit bei einer Anzeige von 5 1/2 Digit zur Verfügung. 30 Windungen der Meßleitungen konnten in die Öffnung des Wandlers eingeführt werden. Daraus resultiert ein Meßbereich von 240 A. Die einzelnen Vorgabewerte wurden durch Variation der Stromstärke zwischen 1A und 8A sowie durch Reduzierung des Windungszahl um jeweils 5 erzeugt. Die Messungen wurden jeweils dreimal durchgeführt. Die Ergebnisse der Messungen sowie die daraus ermittelten relativen Fehler werden getrennt für Laden (Festlegung: negatives Vorzei­chen) und Entladen (positives Vorzeichen) in Anlage C dargestellt.

Wie aus Anlage C zu erkennen ist, übersteigt der relative Fehler der Leistungsmessung für Leistungen kleiner 100W den Wert 1%, während hingegen die Genauigkeit der Strommessung bereits ab Strömen von 20A den Anforderungen genügt. Da die Ursache für den relativ hohen Fehler der Messung kleiner Leistungen in der damit verbundenen geringen Aussteuerung von Multiplizierer und Operationsverstärker liegt, wurde zur Erhöhung des Ausgangsspannung des Stromwandlers bei Messung kleiner Leistungen dieser mit einem Meßwiderstand von 235Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten (ursprünglicher Wert 47Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten) beschaltet, woraus die Verfünffachung der Ausgangsspannung und ein maximaler Meßbereich von 200W resultieren. Die Ergebnisse der mit dieser Konfiguration durchgeführten Messungen sind ebenfalls in Anlage C dargestellt. Bei Nutzung der modifizier­ten Konfiguration wird bei Messung von Leistungen ab 30W die Fehlergrenze von 1% unter­schritten. Zu praktischen Nutzung der Schaltungskonfiguration für kleine Leistungen wurden spezielle Setups (siehe Abschnitt 4.2) definiert und ein Umschalter für den Ausgangswider­stand vorgesehen.

Neben dem Meßfehler charakterisiert auch die maximal erreichbare Auflösung das Meßsys­tem. Diese beträgt bei einem Stromwandlerübersetzungsverhältnis Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten=5000, einem Beschal­tungswiderstand des Wandlers Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten, einem Skalierungsfaktor des Multiplizierers von 0,926VAbbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten (siehe auch Abschnitt 4.2) und einer Auflösung des A/D-Wandlers von 11BitAbbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten4,88mV für Ströme 0,52A und für Leistungen 0,56W. Mit den Setups für kleine Leistungen und dem Beschaltungswiderstand Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten ergeben sich Auflösungen für Ströme von 0,1A und für Leistungen von 0,11W.

3.2 Spannungsbegrenzung und rechnergesteuerte Signalwegumschaltung

Während der Versuchsmessungen unter Vorgabe von Leistungszyklen (siehe Abschnitt 6) wurde festgestellt, daß bei Entnahme hoher Leistungen aus den zu prüfenden Zellen die Zellen­spannung auf Werte unter 0,25V absinkt und durch die Leistungsregelung somit Entladeströme eingestellt werden, die in der Größenordnung des Kurzschlußstroms liegen. Aus diesen Strö­men resultieren ein weiterer Abfall der Zellenspannung und möglicherweise die Beschädigung bzw. Zerstörung des Prüflings. Um dies zu vermeiden und gleichzeitig der Vorgabe einer klein­sten zulässigen Betriebsspannung durch die Hersteller zu entsprechen, wurde in den Versuchs­stand eine Unterspannungsbegrenzung eingefügt.

Diese sollte ursprünglich durch eine Software-Funktion realisiert werden. Versuche mit einer entsprechenden Programmkonfiguration (ähnlich der Abschaltung bei Unterschreitung der Hilfsspannung, siehe Abschnitt 4.2) ergaben, daß die Arbeitsgeschwindigkeit der DAGO-Rege­lung für diese Aufgabe nicht ausreicht. Eine Erhöhung der Abtastrate der Meßwerterfassung und Sollwertausgabe auf 100Hz konnte dieses Problem nicht beseitigen. Aus diesem Grund wurden die Software-Modifikationen rückgängig gemacht und eine analoge Reglerschaltung zur Unterspannungsbegrenzung vorgesehen.

Der Entwurf des analogen Spannungsbegrenzers basiert auf den in der Anlage vorhandenen Stromreglern, da er auf die gleichen Führungs- und Stellgrößen (Spannung bzw. Strom) und den gleichen Angriffspunkt zurückgreift. Liegt am Eingang Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten eine Spannung an, die kleiner als der vorgegebene Minimalspannungswert Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten ist, so gibt der Operationsverstärker am Ausgang eine positive Spannung aus, die, durch den nachgeschalteten Spannungsteiler verrin­gert, das Durchsteuern des Ausgangstransistors bewirkt. Dadurch wird die Gate-Spannung der Power-MOSFET verringert und damit der Zellenstrom in Abhängigkeit von der Differenz der OPV-Eingangsspannungen reduziert bzw. vollständig abgeschaltet. Ist die Spannung Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten größer als Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten, so liegt am Ausgang des OPV eine negative Spannung, der Ausgangstran­sistor sperrt und die Gate-Spannung der Power-MOSFET wird nicht beeinflußt.

Die Werte der Eingangswiderstände wurden nach der in [6] angegebenen Beziehung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten (3.7)

für eine Eingangs-Offset-Spannung Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten von 2mV und einen Eingangsruhestrom Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten von 0,2A zu 10k ermittelt, wegen des Einsatzes vorhandener Bauelemente jedoch auf 12k geändert. Zur Ermittlung des optimalen Wertes des Kondensators wurden zahlreiche Zyklusmessungen mit verschiedenen Kapazitäten durchgeführt. Der gewählte Kondensator mit einer Kapazität von 56pF bietet den besten Kompromiß zwischen Regelungsgeschwindigkeit bei großen Soll­wertänderungen und Schwingungsdämpfung bei maximaler Aussteuerung. Die Auswahl der weiteren Bauelemente beruht auf den Erfahrungen mit der vorgefundenen Schaltungskonfigu­ration.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 5: Schaltung zur Begrenzung der minimalen Zellenspannung

Im Verlaufe der Erprobung der oben dargestellten Schaltung wurde festgestellt, daß sich die Vorgabe der Grenzspannung mittels des Potentiometers sehr aufwendig gestaltet (die Einstellung muß mit einer entsprechenden Referenzspannungsquelle erfolgen). Deshalb wurde entschieden, die Spannungsvorgabe durch Software zu realisieren. Zu diesem Zweck wurde der zweite vorhandene Digital-/ Analog-Ausgang der Signalanschlußeinheit über ein Koaxial­kabel und eine entsprechende, zusätzlich eingefügte Buchse mit dem entsprechenden Eingang der Begrenzerschaltung verbunden. Die zuvor mittels dieses Kanals realisierte Ausgabe des Leistungssollwertes wurde durch Software-Umschaltung auf den auch für die Stromsoll­wertausgabe genutzten Kanal umgeleitet. In den Autosequenzen für das Starten der Messun­gen nach den Verbrauchszyklen wurde die Eingabe des einzuhaltenden Spannungswertes vorgesehen und dessen Ausgabe über entsprechende Ein- und Ausgangsdefinitionen vorberei­tet (siehe Abschnitt 4.2).

Da bei der Erprobung der modifizierten Grenzwertvorgabe deren einfache Bedienung und Genauigkeit nachgewiesen werden konnten, wurde entschieden, die Vorgabe der maximalen Zellenspannung für die Überspannungsbegrenzung, wie sie bei der Ladung von Doppelschicht­kondensatoren Anwendung findet, auf gleiche Art zu realisieren.

Bedingt durch die Konfiguration der Meßkarte stehen nur zwei Digital-/ Analog-Ausgänge zur Verfügung. Da ein Ausgang für die Ausgabe des Strom- bzw. Leistungssollwertes benötigt wird, kann demzufolge für die Vorgabe der beiden Sollwerte für Über- und Unterspannungs­begrenzung nur ein Kanal genutzt werden, wodurch eine Umschaltung des Sollwertes zwischen den beiden Schaltungen notwendig wird. Die alternative Zuordnung der Vorgabe zu einer der beiden Funktionen ist lediglich deshalb möglich, weil in Abhängigkeit von der zu messenden Zellenart jeweils nur eine der beiden Maßnahmen (bei Batteriezellen Unterspan­nungs-, bei Doppelschichtkondensatoren Überspannungsbegrenzung) notwendig ist.

Nach Einfügung des notwendigen Umschalters mußte bei der Überprüfung der neuen Konfigu­ration festgestellt werden, daß aus der Vorgabe jeweils des gleichen Sollwertes für Über- bzw. Unterspannungsbegrenzung die Einstellung verschiedener Istwerte von Maximal- bzw. Mini­malspannung resultiert. Ursache hierfür ist die unterschiedliche Auslegung der beiden Begrenzerschaltungen. Um die Funktion der Baugruppen nicht durch zusätzliche Kompensati­onsbeschaltungen zu beeinträchtigen, wurden in DAGO zusätzliche Befehle zur Neukalibrie­rung des Spannungssollwertes für die Überspannungsbegrenzung entsprechend der gemessenen Funktion

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltenV

eingefügt. Die Aktivierung der Kalibrierungsfunktion erfolgt in der Autosequenz "zelldago.aut" in Abhängigkeit von einer zuvor erfolgten Maskeneingabe (siehe Abschnitt 4.1).

Mit der zur Verarbeitung dieser Eingaben notwendigen Bedingungsabfrage bot sich eine Möglichkeit, die manuelle Umschaltung zwischen Über- und Unterspannungsbegrenzung durch eine programmgesteuerte Umschaltung zu ersetzen. Im Sinne einer Vereinheitlichung der Bedienungsabläufe wurden im gleichen Arbeitsgang die bisher manuelle Istwertumschaltung für die Leistungs- bzw. Stromregelung sowie die im vorangegangenen Abschnitt dargestellte Meßbereichsumschaltung durch Änderung des Stromwandlerausgangswiderstands auf Programmsteuerung umgestellt. Mögliche Fehlbedienungen der genannten Umschaltungen sind somit ausgeschlossen.

Die Funktion der bisher vorhandenen Umschalter übernehmen drei monostabile Relais, die mit den Digitalausgängen 4, 5 und 6 verbunden wurden. Im abgefallenen Zustand ist der Wandler mit dem kleineren Ausgangswiderstand beschaltet, wird den Reglern das Istwertäquivalent der Leistung zugeführt bzw. ist die Unterspannungsregelung eingeschaltet. Wird dem jeweiligen Digitalausgang der Wert 1 zugewiesen, wodurch die Relais anziehen, so erfolgt die Zuschal­tung des größeren Ausgangswiderstands, die Zuführung des Iststromäquivalents bzw. die Aktivierung der Überspannungsbegrenzung. Die Wertzuweisung an die Digitalausgänge 4, 5 und 6 ("UmschaltMessb", "UmschaltPI" und "UmschaltUgr") wird in Abschnitt 4.2 beschrie­ben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 6: Prinzipschaltbild der Grenz- und Istwertumschaltung

Nach Abschluß der Arbeiten an der Schaltung wurde ein neues Layout für die Multiplizierer­platine unter Berücksichtigung aller Modifikationen erstellt. Dieses ist in Anlage D dargestellt.

4. Entwicklung der Steuer-Software

4.1 Neugestaltung der DIA-Konfiguration

Zur Realisierung der leistungs- und zyklusgeführten Meßabläufe war es notwendig, die vorge­fundenen Autosequenzen und Strukturbilder zu modifizieren sowie neue Programmabläufe zu schaffen. Die Modifikationen und Neudefinitionen werden nachfolgend in der Reihenfolge ihrer Aktivierung während des Meßablaufes beschrieben. Auf bereits vorhandene Funktionen wird nur eingegangen, wenn modifizierte oder neugeschaffene Abläufe auf diese zurückgreifen.

Die Gestaltung und Steuerung des Meßablaufes erfolgt, wie in Abschnitt 2.2 dargestellt, über das Anwenderstrukturbild. Das installierte anwenderspezifische Strukturbild "zellstrk.usb" genügt den Anforderungen bezüglich einfacher Bedienung und Übersichtlichkeit. Die darin vorgenommenen Änderungen beschränkten sich deshalb auf die Entfernung des funktionslosen und nicht mit einer Autosequenz unterlegten Menuepunktes "AUSGABE" sowie der nicht lauffähigen und auch nicht notwendigen Autosequenz zur Darstellung von 4 Diagrammen in einer Grafik.

Zum Aufruf von leistungsgeführten Messungen mit einer aus den Verbrauchszyklen resultie­renden Sollwertvorgabe (siehe Abschnitt 6) wurde in das Menuefenster "Sollwertvorgabe beim Ablauf der Zellenmessung" ein Untermenue "Zyklusvorgabe" eingefügt. Darin erscheinen die Menuepunkte "ECE", "FTP-75" und "Highway", die jeweils mit einer durch das Anklicken des jeweiligen Menuepunktes zu aktivierenden Autosequenz ("ecezykl.aut", "ftpzykl.aut" bzw. "highzykl.aut") unterlegt sind.

Für Messungen im Leistungsbereich bis 200W wurde der Menuepunkt "MESSUNG 200W" definiert, der durch Aufruf eines modifizierten Setups Messungen mit höherer Genauigkeit bei kleinen Leistungen gestattet. Der in das erste benutzerdefinierte Fenster eingefügte Menue­punkt "SELBSTTEST" ermöglicht den Start der Autosequenz zur Eigendiagnose des Versuchstands "diagnose.aut" (siehe Abschnitt 5.3) auch unabhängig vom Hochlaufen des Programms. Damit kann beispielsweise die Diagnose wiederholt werden, nachdem diese infolge eines Fehlers in der Anlage abgebrochen worden war. Die ebenfalls in diesem Fenster angeordneten Menuepunkte "HANDBETRIEB" bzw. "HANDB. 200W" initialisieren Messun­gen mit Sollwertvorgabe durch die Tastatur.

Das so geänderte Anwenderstrukturbild, das nach Hochlaufen von DIA/DAGO und Anklicken des Menuepunktes "EW-5 Prüfstand" im Standardmenue auf dem Bildschirm erscheint, zeigt die nachfolgende Anzeige:

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