White Paper

Entwickeln von Batteriesystemen mit Simulink und Simscape

Workflow zur Entwicklung von Batteriesystemen

Die Elektrifizierung trägt maßgeblich zur vermehrten Nutzung von Batterien für eine Reihe von Anwendungen bei, wie z. B. Elektrofahrzeuge (u. a. Autos, Busse), Schiffe, elektrische Luftfahrzeuge, netzgebundene Energiespeichersysteme und Photovoltaikanlagen. Diese Anwendungen stellen unterschiedliche Anforderungen an die Entwicklung von Batteriesystemen hinsichtlich Zellauswahl, Leistungs-/Energiedichte, Volumen, Gewicht und Lebensdauer.

Die Simulation des Batteriesystementwurfs vor Testbeginn gibt Aufschluss über das dynamische Verhalten des Batteriepacks. Damit können Sie auch:

  • Software-Algorithmen untersuchen und vergleichen.
  • Operative Testfälle ausweiten.
  • Den technologischen Entwicklungszyklus von der Batteriezelle bis zum Batteriesystem verkürzen.

Der Workflow für die Entwicklung von Batteriesystemen beginnt mit dem Bau der Batteriezelle. Dabei bilden fünf zentrale Aspekte die Grundlage für die Entwicklung einer Batteriezelle hin zu einem Batteriesystem. Dazu gehören:

  • Entwicklung von Batteriepacks
  • Entwicklung von elektrischen und thermischen Komponenten für Batteriepacks
  • Entwicklung von Algorithmen für Batteriemanagementsysteme (BMS)
  • Integration von Komponenten zur Durchführung von Desktop-Simulationen
  • Hardware-in-the-Loop (HIL)-Tests und Bereitstellung

Der Brückenschlag zwischen Batteriezelle und Batteriesystem.

Mithilfe von Simulink® und Simscape™ beginnt der Workflow zur Batteriesystementwicklung mit der Integration der Systemkomponenten, sodass Sie eine Desktop-Simulation zur Validierung der Komponenten und Algorithmen durchführen können (siehe Desktop Simulation). Der nächste Schritt besteht in der Echtzeitsimulation von Modellen mithilfe von Rapid Prototyping und Hardware-in-the-Loop-Tests (siehe Echtzeit-Simulation von Batteriesystemen). Die letzten Phasen der Entwicklung umfassen die Hardware-Implementierung, die Bereitstellung und Testverfahren (siehe Hardware-Implementierung).

Ein Diagramm eines Entwicklungsworkflows, das von links nach rechts die Desktop-Simulation, die Simulation in Echtzeit und die Hardware-Implementierung zeigt.

Workflow zur Entwicklung von Batteriesystemen mit Simulink und Simscape.

Abschnitt

Entwicklung von Batteriepacks

Mithilfe der Anwendungsprogrammierschnittstelle (API) von Simscape Battery™ in MATLAB® können Sie einen Batteriepack entwickeln. Zu den Grundelementen der Entwicklung gehören das Zellendesign, die Parallelmontage, das Modul, die Modulmontage und die Entwicklung des Batteriepacks.

Eine Koordinatenebene mit der Anzahl der Zellen auf der x-Achse, der Energie in kWh auf der y-Achse und der Zelle, der Parallelmontage, dem Modul, der Modulmontage und der Entwicklung des Packs, die in dieser Reihenfolge linear ansteigen.

Entwicklung von Batteriepacks von der Zelle bis zum fertigen Pack.

Mithilfe von Simscape Battery ist Folgendes ist möglich:

  • Modellieren des elektrothermischen Verhaltens unter Einbeziehung von Ladungsdynamik, Alterung, thermischen und wärmetechnischen Übertragungseffekten in Batteriezellenmodelle.
  • Parametrisieren von Zellen gemäß Herstellerdatenblättern.
  • Erstellen und visualisieren von Batteriemodellen mit verschiedenen Geometrien und Topologien – von der Zelle zum Modul und vom Modul zum Pack.
  • Modellieren von Kühlplatten mit individuell erstellbaren Flüssigkeitspfaden und thermischen Anschlüssen am Akkupack.
  • Untersuchen von Temperaturschwankung zwischen den Zellen und messen der Kühleffizienz.
  • Generieren eines individuellen Simulink-Bibliotheksmodells für Ihre Batteriepackentwicklung.
  • Wählen einer angemessenen Modellauflösung, um ein Gleichgewicht zwischen Modelltreue und Simulationsgeschwindigkeit zu finden.

Die wichtigsten Aspekte

  • Entwickeln Sie einen individuell gestalteten Batteriepack mit verschiedenen Modellauflösungen.
  • Ergänzen Sie das Batteriemodell um thermische Effekte.
  • Generieren Sie Batteriemodelle für die Simulation mithilfe von nur einer einzigen Codezeile.

Von der Batteriezelle zum Batteriesystem

Abschnitt

Wärmemanagementsysteme für Batterien

Mit MATLAB und Simulink können Ingenieure ein Wärmemanagementsystem für Batterien entwerfen, um die Temperatur des Batteriepacks entsprechend den Spezifikationen zu regeln und eine optimale Leistung unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu gewährleisten. 

Ein Diagramm des Kühlsystems der Batterie und des Batteriepacks.

Vergleich der thermischen Analyse einer neuen und einer alten Lithium-Ionen-Batterie mithilfe von Simscape Battery.

Abschnitt

Algorithmen für Batteriemanagementsysteme

Ein optimal konzipiertes Batteriemanagementsystem (BMS) gewährleistet maximale Leistung, einen sicheren und zuverlässigen Betrieb und eine optimale Lebensdauer unter verschiedenen Lade- und Entlade- sowie Umweltbedingungen. Simulink und Simscape ermöglichen es Ihnen hierbei, Einblicke in das dynamische Verhalten des Batteriepacks zu gewinnen, Software-Architekturen zu untersuchen, Betriebsfälle zu testen und frühzeitig mit Hardware-Tests zu beginnen, um so Entwicklungsfehler zu vermeiden. Ingenieure können die in Simscape Battery integrierten BMS-Regelungsblöcke verwenden, um die Leistung des entwickelten Batteriepacks zu bewerten, ein Wärmemanagementsystem zu entwickeln und Simulationen auf Systemebene durchzuführen.

Damit diese Ziele erreicht werden können, besteht das BMS aus Algorithmen, die das Verhalten und die Leistung des Batteriepacks steuern.

Diagramm der Komponenten des Batteriemanagementsystems.

Funktionen des Batteriemanagementsystems.

Abschnitt

Desktop-Simulation

Mit der Desktop-Simulation in Simulink können Sie die funktionalen Aspekte Ihrer Batteriesystementwicklung überprüfen. Auf dem Desktop werden das Batteriesystem, die Umgebung und die Algorithmen mithilfe von Verhaltensmodellen simuliert. Beispielsweise können Sie aktive und passive Zellenausgleichskonfigurationen sowie Algorithmen untersuchen, um die Eignung jedes Ausgleichsansatzes für eine bestimmte Anwendung zu bewerten. Sie können die Desktop-Simulation verwenden, um neue Entwicklungsideen zu untersuchen und mehrere Systemarchitekturen zu testen, bevor Sie sich auf einen Hardware-Prototypen festlegen. Ebenso ist es möglich, Anforderungsprüfungen in Desktop-Simulationen durchzuführen, z. B. können Sie überprüfen, ob Schütze am Öffnen oder Schließen gehindert werden, wenn ein Isolierungsfehler erkannt wird.

Abschnitt

Echtzeit-Simulation von Batteriesystemen 

Nach der Validierung durch Desktop-Simulation können Simulink-Modelle zur Generierung von C und HDL-Code für Rapid Prototyping (RP) oder Hardware-in-the-Loop (HIL)-Tests verwendet werden, um die BMS-Algorithmen in Echtzeit weiter zu validieren. Mit RP generieren Sie anstelle von handschriftlichem Steuerungs-Softwarecode für Echtzeittests Code aus Ihrem Reglermodell und stellen diesen auf einem Echtzeitrechner bereit, der die Funktionen des Produktionsmikrocontrollers ausführt. Mit der automatischen Codegenerierung können so im Modell vorgenommene Algorithmusänderungen innerhalb von wenigen Stunden anstatt von mehreren Tagen auf Echtzeit-Hardware getestet werden. Ferner können Sie von Simulink aus mit der Echtzeit-Regelungshardware interagieren, um Algorithmusparameter zu ändern und Testdaten zu protokollieren.

Wie beim Rapid Prototyping wird auch bei HIL-Tests Code aus einem Simulink-Modell generiert und auf einem Echtzeit-Computer bereitgestellt. Im Falle von HIL-Tests wird Code aus den Batteriesystemmodellen und nicht aus den Modellen der Regelungsalgorithmen generiert, wodurch eine virtuelle Echtzeitumgebung geboten wird, die Batteriepack, aktive und passive Schaltungselemente, Lasten, Ladegerät und andere Systemkomponenten darstellt. In dieser virtuellen Umgebung können Sie die Funktionalität des BMS-Reglers in Echtzeit validieren, bevor Sie einen Hardware-Prototyp entwickeln – und das in einer Umgebung, in der die Hardware nicht beschädigt wird.

Tests, die während der Desktop-Simulation entwickelt wurden, können in die HIL-Tests übernommen werden, um sicherzustellen, dass die Anforderungen im weiteren Verlauf des BMS-Designs erfüllt werden. Obwohl HIL-Tests in erster Linie zum Testen von Code verwendet werden, der auf einem Mikrocontroller oder FPGA läuft, können Sie stattdessen auch ein Rapid-Prototyping-System wie Simulink Real-Time™ und Speedgoat®-Zielhardware verwenden und es mit der HIL-Konfiguration verbinden, bevor die Hardware für den Produktionsregler ausgewählt wird.

Abschnitt

Hardware-Implementierung

In der Hardware-Implementierungsphase werden die mittels Desktop-Simulation, RP und HIL verifizierten Regelungsmodelle von Simulink verwendet, um effizienten, serienreifen Code für das BMS zu generieren. Bei Bedarf kann die Seriencodegenerierung in Workflows integriert werden, die den formalen Zertifizierungsstandards der Automobil-, Luft- und Raumfahrtbranche und anderen reglementierten Industriezweigen entsprechen.