Zukunft & Trends
Power Supplies und ihre Einsatzgebiete.
Netzgeräte sind so vielfältig, wie ihre Einsatzgebiete. Wofür nutzen Sie persönlich Ihr Netzgerät? Und welche Messaufgabe lösen Sie damit? In diesem Artikel finden Sie vier beispielhafte Anwendungsgebiete, in denen Netzgeräte zum Einsatz kommen: Batteriezellensimulation, Erprobung von Brennstoffzellen, Funktionstests sowie Entwicklung von Invertern. Erfahren Sie mehr über die Hintergründe der Anwendung, über Herausforderungen, aber auch über deren Lösung. Diese beispielhaften Anwendungen zeigen Ihnen, wie unterschiedlich und komplex Messaufgaben sein können.
dataTec Redaktion
Aufgrund der hohen Leistungsabgabe und Energiedichte kommt sie z. B. in Schwerlast-Fahrzeugen, Maschinen oder Flugzeugen zum Einsatz. Auch für leichte Nutzfahrzeuge strebt die Automobilindustrie marktreife Brennstoffzellen-Lösungen an.
Die Herausforderung
Ein Brennstoffzellen-Stack wird auf Basis von Leistungs- und Haltbarkeitstests charakterisiert. Polarisations- und Leistungsdichtekurven sind ein wichtiger Indikator für die Leistung einer Brennstoffzelle. Belastungstests müssen dementsprechend unterschiedliche Strom- und Widerstandsprofile berücksichtigen.
Beim Haltbarkeitstest (Alterungstest) unterliegt der Stack einer kontinuierlichen Wiederholung des Arbeitszyklus, um die Stabilität zu gewährleisten. Dies kann mit langen Testzeiten und enormen Betriebskosten verbunden sein. Regenerative Testsysteme rücken somit in den Fokus, um Energie und Kosten zu sparen.
Die Erprobung von Brennstoffzellen erfordert gegebenenfalls ein anpassungsfähiges Testsystem, um auch die Prüfanforderungen im Hochstrom- und Hochspannungsbereich zu erfüllen. Liegt die Betriebsspannung einer einzelnen Brennstoffzelle wiederum im Niederspannungsbereich, sollte das Testsystem dennoch präzise und auf einen hohen Strom ausgelegt sein.
Unsere Lösung
Programmierbare, elektronische DC-Lasten sind ein Kernelement im Prüfstand für Brennstoffzellen und Stacks. Widerstandsfunktion ermöglichen dynamische Belastungstests unter verschiedenen Lastbedingungen.
Der Anwender kann zudem einen konstanten Zielwiderstand definieren, um dem Stack einen gewünschten Strom zu entnehmen. Zur Überprüfung nichtlinearer Ausgangskennlinien lässt sich über einen integrierten XY-Funktionsgenerator ein Ladestrom in Abhängigkeit von der Spannung definieren.
Beschleunigte Testprofile (stufen- förmig oder dreieckig) verkürzen die Testzeit.
Regenerative, bidirektionale DC-Netzgeräte
Elektronische Hochleistungs-DC-Lasten
Funktionstest von elektronischen Komponenten.
Elektronikprodukte werden immer komplexer und Testingenieure sind dementsprechend gefordert, leistungs- und kostenoptimierte Testsysteme bereitzustellen. Gleichzeitig darf der Einsatz hochkomplexer Mess- und Prüfgeräte die straffen Zeitpläne bis zur Produkteinführung nicht gefährden. Ihre Testlösung soll im Idealfall skalierbar sein und auch zukünftige Messanforderungen nachhaltig abdecken.
Um wettbewerbsfähig zu bleiben, werden Testprozesse daher zunehmend automatisiert. Automatische Tests sind nicht nur schneller, umfassender und effizienter als manuelle. Sie sind auch reproduzierbar und die elektronisch erfassten Messdaten stehen unmittelbar für Analysezwecke zur Verfügung.
Automatisierte Tests schließen zudem Anwendungsfehler aus. Testteams können so den steigenden Anforderungen an ihre Testumgebung gerecht werden und gleichzeitig die Produktqualität, einen hohen Testdurchsatz und die innerbetriebliche Wirtschaftlichkeit gewährleisten.
Die Herausforderung
Eine automatische Testanwendung bringt sehr individuelle Anforderungen mit sich, beispielsweise die passende Auswahl digitaler Schnittstellen, um auch Tests bewältigen zu können, bei denen sich das Testsystem nicht in der Nähe des Steuerrechners befindet. Gegebenenfalls soll auch ein älteres Prüfsystem aufgerüstet werden. Eine dedizierte Anwendungssoftware kann den schnellen Aufbau robuster, automatisierter Prüf- und Validierungssysteme unterstützen.
Beim Funktionstest elektronischer Komponenten kommen DC-Netzgeräte (Stromquellen) zum Einsatz. Oft ist es erforderlich, das DUT (Device Under Test) in einem sehr weiten Spannungsbereich zu testen. Oder es soll ein erhöhter Strom bei reduzierter Ausgangsspannung geliefert werden. Dies führt u. U. zu einer Überdimensionierung des Testsystems oder zum Einsatz mehrerer Netzgeräte für variierende Eingangsbedingungen.
Sollen batteriebetriebene Geräte geprüft werden, ist zudem eine effiziente Lade- und Entladesimulation notwendig, um lange Wartezeiten beim Test unter verschiedenen Batteriebedingungen zu vermeiden.
Unsere Lösung
Unsere programmierbaren DC-Stromquellen und elektronischen Lasten unterstützen Sie dabei, Ihre Testprozesse zu automatisieren.
Netzgeräte mit Autoranging-Funktion liefern die benötigte Flexibilität für variierende Eingangsspannungen und erzeugen die erforderliche Leistung zur Simulation realer Testbedingungen.
Mit bidirektionalen Stromversorgungen lassen sich zudem verschiedene Lade- und Entladezustände für Batterieanwendungen simulieren. Durch den zusätzlichen Einsatz einer regenerativen Last können Sie Ihre Energiekosten signifikant senken.
1-/3-phasige AC-Quellen/Netzgeräte
DC-Netzgeräte / -Stromversorgungen
Regenerative, bidirektionale DC-Netzgeräte
Batteriezellensimulation in der E-Mobility.
Die gestiegene Bedeutung von Elektrofahrzeugen (EV) und Hybrid-EV stellt die Automobilbranche vor komplexe Anforderungen an den Batteriespeicher und an ein optimal abgestimmtes Lade- und Batteriemanagement. Das Batteriesystem soll nicht nur zuverlässig und sicher arbeiten, sondern auch die größtmögliche Reichweite, minimale Ladezeit und maximale Lebensdauer erzielen.
Speziell beim Test von Hochvolt-Batterien stehen Aspekte hinsichtlich Batteriekapazität, EMI-Störeffekte und Sicherheit im Fokus.
Moderne Messtechnik ist daher unverzichtbar für Akkupack- und Chip-Hersteller, Algorithmen-Entwickler für Balancing-Prozesse, Zertifizierungslabore oder für Fahrzeughersteller, die eine Funktionsprüfung vor der finalen BMS-Integration vornehmen, um die Infrastrukturteile des elektrischen Antriebsstrangs in EV und HEV sicher und effizient charakterisieren.
Die Herausforderung
Die anspruchsvollen Kriterien hinsichtlich Leistungsdichte und Stabilität gelten letztlich für alle Batteriesysteme. Nicht ausbalancierte Batteriezellen können die Gesamtkapazität reduzieren und einen Batteriepack beschädigen. Ein funktionierendes Batterie-Managementsystem (BMS) ist fundamental, um dem Auseinanderdriften der Zellspannungen entgegenzuwirken. Die Hardware und Algorithmen des BMS müssen entsprechend validiert sein.
Das angewandte Prüfverfahren erfordert präzise, reproduzierbare Messergebnisse und die Testumgebung muss für Anwender und DUT sicher sein.
Batterien stehen zudem in Wechselwirkung mit dem angebundenen Elektroniksystem und beeinflussen dessen Stromverbrauch. Um die Testbedingungen mit reellen Batterieeigenschaften vergleichen zu können, müssen die elektronischen Komponenten während der Designphase mit einer geeigneten DC-Quelle versorgt werden. Für eine optimale Batteriebetriebszeit ist nicht zuletzt die präzise Charakterisierung von Ruhestrom und Stromspitzen unerlässlich.
Unsere Lösung
Bei der Entwicklung, Funktionsprüfung und Fehlersimulation heutiger BMS kommen Batteriezellensimulatoren zum Einsatz. Die Emulation virtueller Batteriezellen mit allen relevanten Betriebszuständen bietet automatisierte, reproduzierbare und sichere Testbedingungen.
Für eine schnelle Produktverifizierung kann der Simulator in ein voll funktionsfähiges BMS eingebunden werden. Durch präzise Spannungsregelung lassen ich sich auch bei hohen Strömen eindeutige Ladezustände einer Zelle simulieren, z. B. für Balancing-Tests.
dataTec unterstützt Ihre Messaufgaben – von der Validierung eines Batterie-Managementsystems bis zum Test von batteriebetriebenen Geräten für die Drahtloskommunikation. Mit innovativen Batteriezellen-Simulatoren, Batterie-Testsystemen sowie bidirektionalen DC-Quellen mit Batteriesimulationsfunktion (Netzgeräte und SMU).
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Die optimale Stromverteilung zwischen Energieanlage, eingebundenem Batteriespeicher, Verbraucher und dem öffentlichen Netz ist für Hausanlagen ebenso relevant wie für ein Smart Grid.
Der allgemeine Kostendruck auf elektronische Designs treibt die Entwicklung neuer Technologien und den Bedarf an geeigneten Validierungstests voran. Der zunehmende Einsatz von Hochleistungskomponenten verändert Aspekte hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit und Sicherheit.
Die Herausforderung
Leistungswandler müssen bereits in der Entwicklung und vor der Produktionsfreigabe getestet werden, um Designfehler frühzeitig zu erkennen sowie die gesetzlichen EMC-Vorgaben zu gewährleisten. Der Wirkungsgrad gehört zu den zentralen Messaufgaben.
Mit dem zunehmenden Einsatz von Hochvoltwandlern (v. a. in E-Fahrzeugen) steigt zudem der Anspruch an die elektromagnetische Störfestigkeit. Das Testen in einer Hochleistungsumgebung stellt aufgrund der hohen Spannungen und Ströme gesonderte Sicherheits- und Umweltkonzepte in den Fokus. Regulierungsprüfungen nach diversen Standards, z. B. IEC 62116 oder IEC 61000, gewährleisten den sicheren Betrieb von elektronischen Komponenten, die an das öffentliche Stromnetz angeschlossen sind.
Die Verifizierung von PV-Invertern erfordert daher Mess- und Analysefunktionen, die unterschiedliche Netzkennlinien, Spannungsverzerrungen und Frequenzabweichungen berücksichtigen.
Unsere Lösung
Unsere Komplettlösung für den Test von PV-Invertern ist ein Netzsimulator, bestehend aus einem DC/AC-Netzgerät, einem Leistungsanalysator und einer AC-Last.
Mit dieser Testlösung von Chroma lassen sich die Leistungsmerkmale von Solarmodulen sowie unterschiedliche Stromnetz-Szenarien simulieren. Die regenerativen Netzsimulatoren von Chroma mit Netzleitungs-Störungsfunktion simulieren Spannungsverzerrungen und diverse Transienten-Bedingungen zur Produktvalidierung von PV-Anlagen oder Elektrofahrzeugen
Die Mess- und Analysefunktionen sind auf Pre-Compliance-Tests ausgelegt. Die vom Prüfobjekt abgegebene, überschüssige Energie wird verlustarm und umweltschonend ins Versorgernetz zurückgespeist.
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