1 Labor Elektrische Mobilität HTW Dresden Praktikum Elektrische Mobilität Untersuchungen am Elektro-PKW V2 Ziel des Praktikumsversuchs In diesem Praktikumsversuch soll das Antriebssystem eines Elektrofahrzeugs insb. PKW untersucht werden. Als Versuchsfahrzeug steht ein auf Elektroantrieb umgerüsteter Smart ForTwo von der Firma E-Car-Tech zur Verfügung. Der Aufbau und die Funktion des gesamten Antriebssystems sowie das Zusammenspiel der Komponenten Batterie, Hochvoltverteilung, Elektroheizung, Antriebsmotor und Bord- netzversorgung sollen in den Versuchen vermittelt werden. Inhalt Ziel des Praktikumsversuchs ....................................................................................................... 1 Teil 1: Vergleich passives und aktives Batteriemanagementsystem (BMS) .................................. 2 Teil 2: Energieverbrauchsmessung im Elektrofahrzeug ............................................................... 3 Vorbereitungsaufgaben ............................................................................................................... 4 Funktionsprinzip eines Elektroautos und seiner Komponenten .................................................... 5 E-Smart – Gesamtübersicht inkl. Komponenten .......................................................................... 9 E-Smart – Blockschaltbild aktives Batteriemanagementsystem ................................................. 10 E-Smart – Blockschaltbild Slave Knoten ................................................................................... 10 Methoden des Zellspannungsausgleichs .................................................................................... 11 Passives Balancing .................................................................................................................... 12 Fester Shuntwiderstand ......................................................................................................... 12 Gesteuerter Shuntwiderstand ................................................................................................. 13 Aktives Balancing ..................................................................................................................... 14 Single Kondensator ............................................................................................................... 14 Multi Kondensatoren ............................................................................................................. 15 Single Induktivität ................................................................................................................. 15 Multi Induktivität .................................................................................................................. 16 Single Winding Transformator .............................................................................................. 17 Multi Winding Transformator................................................................................................ 18 Multiple Transformator ......................................................................................................... 18 µC µC
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Labor Elektrische Mobilität HTW Dresden
Praktikum Elektrische
Mobilität
Untersuchungen am Elektro-PKW
V2
Ziel des Praktikumsversuchs
In diesem Praktikumsversuch soll das Antriebssystem eines Elektrofahrzeugs insb. PKW untersucht werden. Als Versuchsfahrzeug steht ein auf Elektroantrieb umgerüsteter Smart ForTwo von der Firma E-Car-Tech zur Verfügung.
Der Aufbau und die Funktion des gesamten Antriebssystems sowie das Zusammenspiel der Komponenten Batterie, Hochvoltverteilung, Elektroheizung, Antriebsmotor und Bord-netzversorgung sollen in den Versuchen vermittelt werden.
Inhalt
Ziel des Praktikumsversuchs ....................................................................................................... 1
Teil 1: Vergleich passives und aktives Batteriemanagementsystem (BMS) .................................. 2
Teil 2: Energieverbrauchsmessung im Elektrofahrzeug ............................................................... 3
Teil 1: Vergleich passives und aktives Batteriemanagement-
system (BMS)
Zu Beginn liegt das Augenmerk auf dem elektro-chemischen Energieträger, der Traktions-batterie. Von ihr hängen mitunter die Leistungsfähigkeit des Antriebs und die Reichweite des Fahrzeugs ab. Eine Batterie besteht aus mehreren Akkumulatorzellen, die als Batte-rie seriell und/oder parallel verschaltet werden. Aufgrund der zulässigen Spannungsberei-che der Akkumulatoren ist ein sogenanntes Batteriemanagementsystem (BMS) notwendig. Das BMS erkennt, wenn die Spannung einer Zelle vom Mittelwert abweicht, was gleichbe-deutend mit eine Abweichung der Ladung zusammenhängt. Um die Zellen auf die gleiche Spannungs- und damit Ladungsebene auszugleichen, gibt es zwei prinzipielle Möglichkei-ten. Ein passives System entlädt die Zelle mit zu hoher Spannung über einen Leistungs-widerstand. Dabei wird die Energie in Wärme umgewandelt und ist nicht mehr für den An-trieb nutzbar. Das aktive Managementsystem entlädt die Zelle mit erhöhter Spannung und lädt mit dieser Energie die gesamte Batterie. Dadurch entsteht weniger Energieverlust beim Ausgleich und der Gesamtwirkungsgrad steigt.
In der Praxis gibt unterschiedliche Wege ein aktives Batteriemanagementsystem aufzu-bauen. Die verschiedenen Ausführungen werden in einer Übersicht im Anhang dieser An-leitung erläutert. Im Praktikumsversuch soll ein passives BMS einem aktiven BMS gegen-übergestellt werden. Das aktive BMS im Praktikum ist als Multi-Winding-Transformator-System ausgeführt.
Diese Aufgaben sind im Vorfeld zu bearbeiten:
1 Erarbeiten Sie das Grundfunktionsprinzip eines aktiven Batteriemanagementsys-tems am Bespiel eines Multi-Winding-Transformators.
2 Erläutern Sie den Funktionsunterschied zwischen Top- und Bottom-Ballancing.
Im Praktikum sind folgende Punkte abzuhandeln:
1 Aufbau und Inbetriebnahme des Tischversuchstandes incl. Monitoringsystem (CA-Noe-Tool) nach Anleitung des Betreuers.
3 Definieren Sie eine Spannungsdifferenz zwischen Zelle Nr.:= und den restlichen Zellen.
4 Starten Sie den Balancing-Vorgang mithilfe des CANoe-Tools.
5 Erfassen Sie folgende Parameter: Zeit, Spannung, Strom, Energie
Die Versuchsauswertung beinhaltet:
1. Stellen Sie die Energiebilanz von dem untersuchten passiven und aktiven BMS auf.
2. Berechnung der Zeit und des Endladezustands eines vollständigen Zellausgleichs mit einem Wirkungsgrad von 97 % bei einer Ladung von 100 % SOC einer Zelle bei zehn in Reihe geschalteten 120-Ah-Zellen mit sonst 99 % SOC mit den im Prakti-kum verwendeten Verfahren und Parametern.
3. Vergleichen Sie anschließend die zwei Systeme anhand des Wirkungsgrads, der Systemkosten und nennen Sie sinnvolle Einsatzgebiete der Systeme (Begründung).
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Teil 2: Energieverbrauchsmessung im Elektrofahrzeug
Im zweiten Teil des Praktikums werden die elektrischen Komponenten eines Elektroautos
und deren Zusammenspiel vermittelt. Der auf Elektroantrieb umgerüstete Smart ForTwo soll analysiert werden.
Im Vorfeld sollte die Vorbereitungsaufgabe mithilfe der Funktionsbeschreibung der
Teilkomponenten (s. Anhang) gelöst werden.
Dadurch wird ein Grundverständnis des Antriebssystems erlangt. Dies wird benötigt, um die Versuche im Praktikum durchzuführen und auch zu verstehen.
Das Praktikum beinhalten im Wesentlichen folgende Punkte:
1. Zu Beginn werden mithilfe der Gesamtübersicht des E-Smarts die Komponenten identifiziert und deren Funktion erarbeitet.
2. Definieren Sie die Messpunkte zur Verbrauchsmessung unter Berücksichtigung des
Bordnetzes und der Heizung (s. Auswertung). Was, wo und wie muss gemessen werden? Es bietet sich das Blockschaltbild des gesamten Fahrzeugs an, in dem die Messpunkte markiert werden können (s. Anhang).
3. In einer Diskussion sollen die notwendigen Fahrmanöver und alle Ausgangsbedin-gungen definiert werden.
4. Nehmen Sie anschließend das Datenloggermesssystem in Betrieb und schließen Sie die Messwandler an.
5. Anschließend werden die Messwerte bei definierten Fahrmanövern aufgezeichnet. 6. Zum Abschluss wird der Ladevorgang ausgewertet und die Steckerstandards und
Lademodi nach SAE J1772 diskutiert.
Folgende Auswertungen sind zu betrachten und die Ergebnisse zu interpretieren:
1. Gesamtenergieumsatz in kWh pro 100 km auf Basis der durchgeführten Messfahr-ten. Geben Sie die einzelnen Verbräuche von Heizung, Bordnetz, Antrieb ohne Rekuperation und mit Rekuperation an sowie den Rekuperationswirkungsgrad.
2. Wie hoch sind die max. elektrische Antriebsleistung und die max. elektrische Reku-perationsleistung?
3. Erstellen Sie eine Wirkungsgradkette soweit möglich anhand der gemessenen Wer-te. Bevorzugte Darstellung ist ein Blockschaltbild.
4. Ergänzen Sie ihre Darstellung um den Wirkungsgrad des Ladegeräts anhand der erfassten Messwerte. Warum ist dieser Wert nicht repräsentativ?
5. Visualisierung der gefahrenen Strecke (Fahrprofil) anhand der GPS-Koordinaten und hinsichtlich des Energieumsatzes (Leistungsprofil) mit Bestimmung der signifi-kanten Traktions- und Rekuperationsstrecken.
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Vorbereitungsaufgaben
Unterschied zwischen einem reinen Elektrofahrzeug (BEV) und Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor.
Benennen Sie die verdeckten Komponenten der Grafik. Nutzen Sie auch die Dokumente im Anhang über die Funktionsprinzipien eines Elekt-rofahrzeugs.
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Funktionsprinzip eines Elektroautos und seiner Komponenten