Wenn es um Simulation, Test und Produktionsunterstützung von elektrischen Antrieben geht, ist der Stromversorgungsspezialist Schulz-Electronic immer öfter mit von der Partie. Die Baden-Badener stellten sich frühzeitig auf das Thema «E-Mobility» ein. Im umfangreichen Gerätepool finden sich beispielsweise 2Q-DC-Quellen im Leistungsbereich von 20 und 32 kW mit Ausgangsspannungen von einigen hundert Volt, elektronische Lasten, bidirektionale AC-Quellen und auch Batteriesimulations-Software.
Enges Verhältnis zu den Lieferanten ist ein Erfolgsfaktor
Das Unternehmen vertritt die Marken quasi wie ein Hersteller. Das Verhältnis zu den Lieferanten ist eng. Vertriebsleiter Stefan Dehn formuliert es so: «Da wir schon in einer frühen Entwicklungsphase mit unseren Kunden ins Gespräch kommen, ergeben sich nicht selten daraus Anstösse für neue Entwicklungen.» Meist arbeiten die Spezialisten von Schulz-Electronic mit im Team des Auftraggebers. So stellen sie sicher, dass dieser exakt die Lösung erhält, die wirklich gebraucht wird. Erfolgsfaktoren sind u.a. die sorgfältige Auswahl der herstellerseitigen Partner und konsequentes Engineering. Das Augenmerk ist dabei auf flexible Lösungen gerichtet, um auch für zukünftige technische Entwicklungen, wie z.B. geänderte Kommunikationsstandards, offen zu sein. Dazu gehört beispielsweise auch, dass eine Komponente für das Kundenprojekt entwickelt wird, falls es diese nicht ab Lager gibt. Die folgenden Projektbeispiele zeigen auf, mit welchen Wünschen die Kunden auf Schulz-Electronic zukommen.
Simulation von Batteriezellen
Aufgrund ihrer Energiedichte von ca. 95 bis 190 Wh/kg spielen Lithium-Ionen-Batterien in der Elektromobilität derzeit eine Schlüssel- rolle. Ein bewährtes Simulationstool für Lithium-Ionen-Batterien ist die Software «ISET-LIB» des Fraunhofer-Instituts für Windenergie und Energiesystemtechnik. Anhand von Konstruktionsparametern erstellt die Software ein virtuelles Batteriemodell. Werden geeignete Stromversorgungsgeräte von der Echtzeitvariante dieser Software gesteuert, kann man damit virtuelle Batterien generieren und das Klemmenverhalten realer Batterien physikalisch nachbilden.
Um aktuelle Simulationsprofile dieser gefragten Stromspeicher ohne Einschränkungen «fahren» zu können, suchte das Fraunhofer Institut 2Q-Netzteile zur Simulation einzelner Batteriezellen, die zu einer kompletten virtuellen Batterie verschaltet werden können. Schulz-Electronic entschied sich für DC-Netzteile von Delta-Elektronika. Das SM 7.5-80, inklusiv aktiv programmierbarer Senke, liefert eine programmierbare Ausgangsspannung von max. 7,5 V und 80 A Ausgangsstrom. Über die programmierbare Senke – sie kann bis zu 700 Wpeak aufnehmen – wird der Ladevorgang der Batterie simuliert.
Die Netzteile von Delta Elektronika sind kurzschlussfest, gegen alle Überlastbedingungen geschützt und damit für den Testbetrieb bestens geeignet. Die Geräte lassen sich seriell und parallel verschalten und erlauben so den Test unterschiedlicher Zellen-Stacks. Das Fraunhofer Institut bekam von Schulz-Electronic ein komplett verdrahtetes Rack mit 40 Netzteilen.
Lieferung von vorkonditionierten Batterien
Ebenfalls um Lithium-Ionen-Batterien ging es in einem anderen Projekt. Ein Unternehmen produziert für einen Automobilhersteller Fahrzeugbatterien mit einer Kapazität von 16,5 kWh und einer Ladeschlussspannung von 450 V. Da Lithium-Ionen-Akkus nicht vollgeladen gelagert werden, damit sie nicht so schnell altern, warten sie teilgeladen auf ihre Auslieferung. Der Abnehmer akzeptiert allerdings nur vollständig geladene Batterien mit einem Testzertifikat nicht älter als 48 Stunden. Daher entlädt und lädt der Batteriehersteller die gelagerten Batterien vor Auslieferung nochmal vollständig und misst dabei die Batterien entsprechend aus.
Um die Batterien für die Lieferung zu konditionieren, wird also zunächst Energie entnommen und anschliessend wieder zurückgeliefert. Eine Aufgabe mit respektablen Dimensionen. Denn die Energie, die beim Konditionieren von 100 Batterien frei wird, entspricht dem Jahresbedarf eines Ein-Personen-Haushaltes. Es wäre unwirtschaftlich, diese Energie beispielsweise als Wärme «in die Luft zu blasen». Gesucht wurden daher Geräte, welche die frei werdende Energie zurück ins Stromnetz speisen und die Messungen des Entlade- und Ladevorgangs durch geeignete Software unterstützen. Die Wahl fiel hier auf die Gerätelinie TC.GSS des Schweizer Herstellers Regatron. GSS, «Grid-tie Source Sink», steht für ein innovatives und modulares System von Gleichspannungsversorgungen, die im Zwei-Quadrantenbetrieb rückgespeiste Energie direkt ins Stromnetz einkoppeln. TC.GSS ist daher ideal geeignet für das Testen und Evaluieren von Batteriesystemen, hybriden Antriebssystemen, elektrischen Prozessen in der Verfahrenstechnik sowie zur Simulation von Bordnetzsystemen für Land- und Luftfahrzeuge. Die Geräte schaffen bei der Rückspeisung Wirkungsgrade von 91 %.
Zum Einsatz kommen Entlade-/Ladestationen mit je einem programmierbaren bidirektionalen Netzteil mit 0 bis 450 V und max. 20 kW. Schulz-Electronic lieferte dazu eine komplette Sicherheitsbeschaltung im Rack. «Verwaltet» werden die TC.GSS-Geräte vom Softwaremodul TC.BatControl. Die Software sorgt nicht nur für vordefinierte Lade- und Entladezyklen, sondern auch die auf Tests von Batterien zugeschnittene optimale Programmierung und Datenaufzeichnung des Systems.
Nebenaggregate im Rampenlicht
Alles wird inzwischen elektrisch angetrieben, auch Komponenten, die bislang am «Keilriemen» hingen, wie Lenkung, Wasserpumpe, Lüfter. Ein Hersteller suchte für seine verschiedenen Betriebsstätten 20 mobile Quelle-Senken-Systeme zur Simulation von 48-V-Bordnetzen. Eine der wichtigen Vorgaben war hier der Schutzgrad IP54, da die Prüfstände mit Wassernebel gelöscht werden. Kein Problem für die Techniker von Schulz-Electronic, die das Rack mit einem Bodenblech und einer Fronttür versahen. Die rückseitige Tür erhielt eine Lüftungsöffnung, die die Kühlluft der Stromversorgung über ein Labyrinthblech nach aussen leitet.
Schulz-Electronic baute den Batteriesimulator in kompakte und mobile Racks. Dadurch sparte sich der Kunde den kostenintensiven Umbau seiner zahlreichen Motorprüfstände. Je nach zu prüfendem Aggregat, kann man mit der Lösung kurzfristig eine 48-VDC-Bordnetzsimulation in jeden beliebigen Motorprüfstand integrieren. Die Einbindung in die Prüfstandsoftware PUMA von AVL erfolgt per ProfiBus.
Rückspeisefester Hochvolt- Batterieersatz für Hybridprüfstände
Hybridantriebe kombinieren im Automobilbau meist einen Verbrennungs- mit einem Elektromotor. Beide Antriebe können jeweils unterschiedliche Aufgaben übernehmen, etwa die Beschleunigung durch das Boosten unterstützen, beim Bremsen Energie zurückgewinnen (Rekuperieren) oder eine Batterie aufladen – bis hin zum rein elektrischen Fahren. Vorhandene Prüfstände sollten um Hochvolt-DC-Quellen erweitert werden. Es wurde eine Lösung gesucht, die möglichst flexibel entweder hohe Ströme (400 A) bei Spannungen bis 400 VDC oder eine hohe Spannung (800 VDC) liefern kann. Die Leistung sollte immer ca. 100 kW betragen.
Hier entschied sich Schulz-Electronic wieder für Geräte von Regatron. Die fertige Lösung besteht aus vier TC.GSS.32.400.400.S. Ein separates Schaltfeld erlaubt die Seriell- oder Parallelschaltung der Geräte, um die geforderten elektrischen Werte zu erhalten. Die externe PDU (Power Distribution Unit) wurde für die Wandmontage vorbereitet. Für die Kommunikation mit dem übergeordneten Testsystem dient das hauseigene Profibus-Interface. Das Gesamtsystem wurde für den Betrieb in LPZ1 (Lightning Protection Zone 1) ausgelegt.
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