Ganz gleich, ob es sich um ein batterieelektrisches Fahrzeug (Battery-Electric Vehicle, BEV) oder um ein stationäres Batteriespeichersystem für die Energiewirtschaft handelt: Jedes Batteriesystem benötigt ein Batteriemanagementsystem (BMS), um einen sicheren, zuverlässigen und langfristigen Betrieb der Batterie und ihrer einzelnen Zellen sicherzustellen. Das BMS ist quasi das Gehirn der Batterie, das sie überwacht, steuert und schützt. Die Funktionen des BMS wiederum werden durch den Haupt-BMS-Controller koordiniert. Eine Aufgabe dieses Controllers ist die Kommunikation mit anderen Steuergeräten, wie z. B. dem Motorsteuergerät eines BEV. Wenn wir also in dem Bild von gerade bleiben, ist der Haupt-BMS-Controller sozusagen das Gehirn des BMS.
Zusätzlich zum Hauptcontroller befinden sich an den Batteriezellen einzelne Zellcontroller. Ihre Hauptaufgabe besteht darin, die Spannungen auf Zellebene zu überwachen und auszugleichen, während sie mit dem Haupt-BMS-Controller kommunizieren. Sie werden für gewöhnlich als Zellüberwachungsschaltungen (Cell Supervision Circuits, CSCs) bezeichnet.
Die Aufgabe
Ein möglicher Ansatz beim Testen von Batteriemanagementsystemen ist der Test auf Signalebene. Hierbei liegt der Testfokus auf den Hauptfunktionen des BMS und seiner Interaktion mit dem Fahrzeugnetz oder einer beliebigen anderen Umgebung – und das ganz ohne den Einsatz hoher Spannungen. Bei diesem Ansatz ist der Haupt-BMS-Controller das Testobjekt . Die Batteriezellen und alle CSCs werden simuliert.
Typische Anwendungsfälle für diesen Ansatz sind Integrationstests mit anderen Steuergeräten, wie z. B. Motorsteuerungen oder Onboard-Ladegeräten von BEVs. Diese Integrationstests finden in der Regel auf einem System- oder Gesamtfahrzeug-Hardware-in-the-Loop (HIL)-Simulator statt.
Herausforderungen
Um ein BMS von Beginn an zu optimieren und seinen Entwicklungsprozess so effizient wie möglich zu gestalten, ist es besonders wichtig, die Funktionen des BMS frühzeitig zu testen. In diesem frühen Stadium sind jedoch häufig noch keine echten Zellcontroller verfügbar. Um die frühzeitigen Tests dennoch zu ermöglichen, müssen die Zellcontroller, also die CSCs, folglich simuliert werden. Für eine entsprechende Testlösung bedeutet dies, dass die Register, Logiken und Funktionen der simulierten CSC-Chips in der Testlösung implementiert sein müssen.
Neben den CSCs selbst muss im Rahmen dieses Anwendungsfalls auch deren Kommunikation mit dem BMS simuliert werden. In der realen Welt kommunizieren die CSCs mit dem Haupt-BMS-Controller über ein Kommunikationsprotokoll . Soll der Haupt-BMS-Controller in einer HIL-Umgebung mit simulierten CSCs getestet werden, muss das Testsystem dieses Protokoll also unterstützen. In der Vergangenheit war es üblich, hierfür ganz klassisch CAN-Kommunikation zu verwenden. Die Einrichtung der Simulationsumgebung war hierbei recht einfach, da CAN bereits seit Jahrzehnten im Einsatz war. Heute geht der Trend jedoch hin zu chipanbieterspezifischen, isolierten Protokollen wie isoSPI oder Vertical Interface – mit hohen Bitraten von 1 MBaud oder mehr. Für die Simulation ist daher eine anspruchsvollere Lösung erforderlich.
Die dSPACE Lösung
Für den Test des Haupt-BMS-Controllers zusammen mit simulierten CSCs bietet dSPACE eine spezielle Lösung namens Cell Controller Virtualization (CCV) an. Diese Lösung eignet sich perfekt für BMS-Tests auf Signalebene.
Mit der CCV von dSPACE können BMS-Entwickler und -Tester die passende Umgebung für ihr zu testendes System, also den Haupt-BMS-Controller, simulieren. Zu diesem Zweck ermöglicht die dSPACE Lösung die Simulation von:
- Den Zellcontrollern , auch CSCs genannt, und
- Der Kommunikation zwischen den Zellcontrollern und dem Haupt-BMS-Controller.
Gut zu wissen: Die gesamte Hardware und Software, die für diese BMS-Tests benötigt wird, ist von dSPACE erhältlich, darunter modulare und skalierbare Echtzeitplattformen sowie ein einsatzbereites Multizellen-Batteriemodell für die Simulation. Weitere Informationen finden Sie weiter unten auf dieser Seite.
Tiefergehende Informationen über unsere CCV-Lösung
Um höchsten Timing-Anforderungen gerecht zu werden, werden die spezifischen Kommunikationsprotokolle der Chiphersteller und die entsprechenden chipspezifischen Register und Befehle auf einem leistungsfähigen dSPACE FPGA-Board implementiert. Die Umwandlung der Single-Ended-Kommunikation in das differentielle, isolierte Protokoll erfolgt über ein chipherstellerspezifisches Transceiver-Modul.
Um ein insgesamt realistisches Verhalten des simulierten CSC zu simulieren, können Sie ASM Battery, das dSPACE Modell für die Batteriesimulation, verwenden. Mit diesem Simulationsmodell können Sie jede einzelne Zelle der Batterie simulieren. Das Modell ermöglicht auch das Cell Balancing und die realistische Simulation von Temperaturen.
Welche CSCs unterstützt die dSPACE Lösung?
Unsere CCV-Lösung unterstützt mehrere CSCs von verschiedenen Anbietern, darunter:
- Analog Devices
- NXP
- Texas Instruments
Dank des flexiblen Ansatzes lässt sich die Testlösung so anpassen, dass auch neue CSC-Chips in das Simulationsportfolio mit aufgenommen werden können.
Warum sollte man sich bei BMS-Tests für den Ansatz auf Signalebene entscheiden?
Im Vergleich zu Hochvolt-BMS-Tests hat das Testen auf Signalebene zwei entscheidende Vorteile, nämlich zum einen die Preiseffizienz und zum anderen die Kompaktheit des entsprechenden Testsystems. Einer der Hauptgründe dafür ist, dass für den Test auf Signalebene keine realen Zellspannungen erforderlich sind. Das Testsystem benötigt folglich weniger Sicherheitseinrichtungen und fällt deutlich weniger komplex aus. Mit unserer CCV-Lösung können Entwickler ihre BMS-Funktionen schon früh im Entwicklungsprozess testen und optimieren – noch bevor echte CSCs verfügbar sind.
Je nach Testschwerpunkt kann es also sinnvoll sein, anstelle von Hochvolt-BMS-Tests auf der Signalebene zu testen. Ein Beispiel hierfür wird in diesem Anwendungsfall beschrieben.
Natürlich ist es auch möglich, den Hochvolt- und den Signal-Level-Ansatz zu kombinieren. In diesem Fall sind einige der CSCs real verfügbar und werden als reale Teile mit tatsächlichen Zellspannungen getestet, während die übrigen CSCs mit Hilfe der dSPACE Cell Controller Virtualization simuliert werden.
