Laddade elbilar | Mätteknik för bränslecellselektrisk drivning

Sponsras av CSM

Bränslecellsdrivna fordon håller på att bli en viktig del av omvandlingen av elektromobilitet. Kärnkomponenten i drivlinan är den elektrokemiska reaktorn, känd som bränslecellstapeln. Driftsättning sker på testbänkar där alla väsentliga funktioner testas. Därefter kontrolleras kraven för hela den bränslecellselektriska drivningen med en systemvalidering. Alla basdata för hela systemet måste mätas med hög precision för att prestandaparametrarna kan verifieras.

Bakgrund

Bränslecellsstapeln är en serie individuella bränsleceller, där energin från den kemiska reaktionen av kontinuerligt tillfört väte och atmosfäriskt syre omvandlas till elektrisk energi vid ”kall förbränning”. Detta kräver ett exakt operativsystem som matar väte, atmosfäriskt syre och fukt till stacken. Stacken är temperaturstyrd av ett kylsystem. Bränslecellströmmen är ett mått på den strömtäthet som uppstår i stapeln. Beroende på bränslecellens egenskaper leder utströmmen till en verklig bränslecellstackspänning. Strömmen och spänningen måste mätas synkront. Denna stackspänning är sammansatt av antalet bränsleceller i stacken. Utan effektuttag har bränslecellstacken en viss öppen kretsspänning som också styrs i alla provkörningar.

Den bränslecellselektriska drivningen är vanligtvis ett komplett delsystem av fordonet som tillhandahålls av en leverantör. Fordonets totala prestanda och dynamik är resultatet av den elektriska drivningen i kombination med de andra undersystemen för drivlinan. Den bränslecells-elektriska drivningens egenskaper, funktioner och egenskaper verifieras på testbänkar fram till produktionssläpp genom olika tester. Energin från bränslecellsstacken levereras till DC/DC-omvandlaren, som betjänar alla andra högspänningskomponenter i fordonet. De är sammankopplade via fordonets elsystem med hög spänning. DC/DC-omvandlarens effektelektronik innehåller också viktiga funktioner, som att ställa in stackbörvärdet för respektive driftläge. DC/DC-omvandlaren innehåller även en boost-omvandlare, till exempel till 700 V för drivlinan (växelriktare och e-motor) och drivbatteriet.

Elfordon med bränsleceller har vanligtvis olika driftlägen, beroende på vald driftstrategi och önskad kördynamik. Bränslecellstapeln ger den nödvändiga elektriska energin för både drivningen och batteriladdningen.

SE ÄVEN: CSM:s kostnadsfria webbseminarium på Charged Virtual Conference:
Funktionstest och mätning av bränslecells elektriska drivsystem

Utmaning

Funktionstesterna täcker alla driftfunktioner såsom kylkrets, kylstyrning, värme, vätgas (anod) banor, luft (katod) banor, högspännings elektriska kretsar, sensorteknik och bränslecells styrenhet. Därför krävs högprecisionsmätning av en mängd olika fysiska parametrar för funktionstestning och validering av bränslecellsdrivsystem. Förutom temperaturer, volymetriska flöden, luftfuktighet och tryck krävs mätningar av strömmar och spänningar i högspänningskretsarna. Från dessa beräknas levererad energi, effekt och verkningsgrad.

De enskilda delsystemen för väte-, luft- och kylkretsar appliceras och driftsätts individuellt. En definierad startprocess genomförs för att starta bränslecellsystemet. Därefter testas de specifika systemfunktionerna: Kallstartbeteende, uppvärmningsfasens varaktighet, driftpunkter, termisk hantering eller kylkretsarna. Ett funktionstest visar om systemet fungerar som det ska, till exempel om alla styrparametrar är korrekt inställda.

Med validering bevisas systemkraven såsom prestandaparametrar, reaktionshastighet vid laständringar eller livslängd med fordonstester och uthållighetskörningar.

Ström-, spännings- och effektmätningar används för att kontrollera korrekt funktion i dessa olika driftsfaser. Till exempel den karakteristiska kurvan för effekten under uppvärmningsfasen, för uppstart, laständringar, dellast och topplast samt olika andra utmärkande driftpunkter.

Spänningsrippeln som uppstår i högspänningslikströmskretsen måste kontrolleras, eftersom gränser är definierade för storlek och lutning. Den tillåtna rippelströmbelastningen, till exempel vid toppbelastning, måste också verifieras.

Med mätning av strömmar, spänningar och effekter i högspänningsbanorna kontrolleras också alla transienta processer. Till exempel när bränslecellsstapeln är påslagen eller när delsystem som luftkompressorn eller kylsystemet är påslagna. Här måste ström- och spänningskurvorna mätas med en hög samplingshastighet på 1 MS/s för att fånga spänningsfall, amplitudlutningar, rippelstorlekar och interfererande subharmoniska frekvenskomponenter.

I slutändan bestäms de specificerade verkningsgradskurvorna för den bränslecellselektriska drivningen. Verkningsgraden är den energi som levereras i förhållande till förbrukat väte. Det beror på belastningspunkten och den optimala tillförseln av de olika medierna: väte, atmosfäriskt syre, luftfuktighet och kyla. En icke-optimal försörjning, till exempel av stackbefuktning, leder till ett fall i stackspänningen.

Noggrann mätning och analys av ström, spänning, effekt och effektivitet verifierar och bevisar alla systemrelevanta prestandaparametrar för bränslecellsdrivningen.

Mätlösning

Vector CSM E-Mobility Measurement System (www.csm.de/ev-ems) inkluderar all nödvändig hårdvara och programvara för att utföra dessa nödvändiga mätningar och analyser.

För mätning av likström, spänning och effekt, en högspänningsbrytningsmodul 1.2 (www.csm.de/ev-bm) sätts in i HV+ och HV- kablarna mellan DC/DC-omvandlaren och batteriet. Ytterligare breakout-moduler (HV BM 1.1) mäter strömmarna i luftkompressorn och kylsystemet. Enkel strömmätning kan utföras via CAN vid samplingshastigheter på till exempel 1 kHz. För snabba mätningar av ström, spänning och effekt kan upp till samplingshastigheter på 1000 kHz användas, via EtherCAT® (ECAT) buss. För strömmätningar inuti hjälpenheter kan CSM LEM-sensorpaket användas, att anslutas via analog-till-digitala moduler (AD4 MiniModules) även på ECAT-bussen.

AD4 ECAT MiniModules används för att tidssynkronisera mätningen av alla andra spänningar som krävs för verifiering.

De uppmätta värdena från CSM:s ECAT-moduler (HV BM:s och AD4:s) skickas till XCP-Gateway, som omvandlar data till XCP-on-Ethernet-protokollet och överförs till datainsamlingsdatorn.

Vid stackmatningen mäts alla viktiga fysiska parametrar med ytterligare CSM-låg- och högspänningsmoduler med lägre samplingshastigheter på en CAN-buss. Sensorerna för mätning av volymflöden, tryck och luftfuktighet är anslutna till konventionella och högspänningssäkra CAN MiniModules (www.csm.de/ev-hvmm). Temperaturer mäts vid högspänningskritiska punkter via HV TH8 evo-moduler. THMM 16 MiniModules används vid andra mätpunkter.

Fördelar

Med de konventionella och högspänningsmätmodulerna från CSM kan testbänken och fordonet utrustas för att uppfylla de specifika mätkraven. Högspänningssäkra moduler används där mätpunkter finns i högspänningsmiljö. EtherCAT-mätmoduler tillåter en hög samplingsfrekvens för att säkerställa att höghastighetstransientdata inte missas.

Högspänningsbrytarmoduler tillåter direkt mätning av höga strömmar och spänningar med beräkning av momentan effekt i HV-kablarna. Mätdata skickas via traditionell CAN, eller via EtherCAT för snabba mätningar med en samplingshastighet på upp till 1 MS/s.

CSM LEM-sensorpaket används för strömmätningar vid installationer med utrymmesbegränsningar. Dessa strömtransformatorer är anslutna via en CSM ADMM4-mätmodul, som också utför den samtidiga spänningsmätningen.

Integreringen i en testbänksmjukvara som ETAS INCA för snabb mätning är mycket enkel: Programvarutilläggen ”CSM INCA AddOn ETH” möjliggör en enkel integrering av CSM-mätmodulerna i INCA-mät- och analysmjukvaran från ETAS. Konfigurationen görs enkelt via ett anpassat användargränssnitt.

För noggrann effektanalys är Vector-programvaran vMeasure exp med eMobility Analyzer idealisk.

För att lära dig mer, registrera dig för CSM:s kostnadsfria webbseminarium på Charged Virtual Conference:
Funktionstest och mätning av bränslecells elektriska drivsystem

Sponsras av CSM