Welcher standardisierte Prüfablauf sollte an Batterieprüfgeräten durchgeführt werden, um Algorithmen zur SOC-Schätzung für Batteriepacks mit in Reihe geschalteten Zellen unter dynamischen Betriebsbedingungen zu validieren? Wichtige Schritte für eine genaue Validierung

Führen Sie einen kontrollierten Lade–Anpassungs–Dynamikzyklus–Erholungs–Kapazitätstest durch und erfassen Sie dabei kontinuierlich elektrische und thermische Daten auf Zellebene. Beginnen Sie mit einem vollständig geladenen, thermisch stabilisierten Reihenschaltungspack, legen Sie durch eine präzise Coulomb-Zählung eine zuverlässige SOC-Referenz fest, führen Sie das ausgewählte dynamische Fahrprofil bis zu definierten DOD-Punkten durch und schließen Sie den Test mit einer kontrollierten Kapazitätsmessung ab. Die daraus gewonnenen Daten können anschließend verwendet werden, um den vom Algorithmus geschätzten SOC unter realistischen Stromtransienten mit einer belastbaren Referenz zu vergleichen.

Wichtige Erkenntnis: Eine SOC-Validierung ist nur dann aussagekräftig, wenn Anfangszustand, Temperatur, Stromprofil, Spannungsgrenzen und Referenz-SOC des Packs kontrolliert und dokumentiert werden. Der Test muss außerdem Polarisations- und Relaxationsverhalten erfassen, da der dynamische Packbetrieb keine Gleichgewichtsspannung liefert, die direkt als SOC verwendet werden kann.

Test vor dem Anlegen des Stroms definieren

Pack und Betriebsgrenzen festlegen

Dokumentieren Sie die Anzahl der in Reihe geschalteten Zellen, die Nennkapazität, die maximalen und minimalen zulässigen Zellspannungen, die Packspannungsgrenzen, die Lade- und Entladestromgrenzen sowie die Temperaturgrenzen.

Bei einem Reihenschaltungspack ist die Spannungsüberwachung auf Zellebene unverzichtbar. Die Packspannung allein kann verbergen, dass eine einzelne Zelle eine unsichere Grenze erreicht, bevor die Gesamtspannung des Packs auffällig wird.

Dynamisches Anregungsprofil auswählen

Verwenden Sie einen wiederholbaren Fahrzyklus, beispielsweise ein FUDS-Profil, oder eine andere definierte Strom-Zeit-Wellenform, die für die vorgesehene Anwendung repräsentativ ist.

Zeichnen Sie die genaue Profilversion, die Zeitauflösung, die Stromkonvention, das Verhalten des Rekuperationsstroms und die Abbruchkriterien auf. Bei jeder Testwiederholung muss dieselbe Wellenform konsistent angewendet werden.

Mess- und Referenzkanäle einrichten

Erfassen Sie kontinuierlich:

• Pack- und Zellspannungen
• Packstrom
• Oberflächen- oder Kammertemperatur
• Testzeit
• Vorgegebenes Fahrzyklus-Kommando
• Vom Algorithmus geschätzten SOC
• Relevante Schutz- und Abschaltereignisse

Erzeugen Sie den Referenz-SOC mithilfe einer hochpräzisen Coulomb-Zählung, wobei der anfängliche SOC und die nutzbare Kapazität eindeutig definiert sein müssen. Offset und Polarität des Stromsensors, Abtastrate und Integrationsmethode sollten vor dem Test überprüft werden.

Pack stabilisieren und Anfangszustand festlegen

Pack thermisch stabilisieren

Platzieren Sie das Pack ausreichend lange in einer temperaturgeregelten Klimakammer, damit eine gleichmäßige und stabile Innentemperatur erreicht wird. Ein praxisnahes Laborverfahren besteht darin, vor Beginn der elektrischen Sequenz mindestens 24 Stunden bei der ausgewählten Prüftemperatur zu warten.

Der Temperatursollwert, die gemessene Packtemperatur, die Kammerbedingungen und mögliche Temperaturgradienten sollten aufgezeichnet werden. Das dynamische Verhalten und der scheinbare SOC können sich mit der Temperatur erheblich verändern.

Reihenschaltungspack vollständig laden

Laden Sie mit einem kontrollierten konstanten Strom, beispielsweise 1/3 C, bis die festgelegte maximale Zellspannungsgrenze erreicht ist.

Wechseln Sie anschließend zum Konstantspannungsladen und setzen Sie den Vorgang fort, bis der Ladestrom unter den definierten Abschaltwert fällt, beispielsweise 1/30 C. Dadurch wird ein reproduzierbarer Ausgangspunkt mit hohem SOC geschaffen und nach einer geeigneten Ruhephase eine anfängliche OCV-basierte SOC-Referenz unterstützt.

Startzustand überprüfen

Stellen Sie sicher, dass keine Zelle ihre Spannungsgrenze überschreitet, die Packtemperatur innerhalb des vorgeschriebenen Bereichs liegt und der gemessene Strom den Ladeabschaltwert erreicht hat.

Wenn der Algorithmus eine OCV-SOC-Beziehung verwendet, wenden Sie dasselbe Ruhe- und Initialisierungsverfahren an, das bei der Herleitung oder Kalibrierung dieser Beziehung verwendet wurde. Gehen Sie nicht davon aus, dass die Klemmenspannung eines gerade geladenen Packs einer Gleichgewichts-OCV entspricht.

Pack in den Bereich für den Dynamiktest überführen

Kontrollierte Kapazitätsanpassung durchführen

Entnehmen Sie vor dem dynamischen Zyklus eine kleine, definierte Ladungsmenge. Das primäre Verfahren verwendet etwa 5 % der Nennkapazität bei 1/3 C; je nach Testspezifikation kann ein verwandter Vorkonditionierungsansatz etwa 10 % bei 1 C verwenden.

Der Zweck besteht darin, den Beginn eines Rekuperations- oder Hochstrom-Dynamikzyklus an der Spannungsobergrenze zu vermeiden. Wählen Sie ein Verfahren im Voraus aus und wenden Sie es konsistent an, da unterschiedliche Anpassungsmengen zu unterschiedlichen anfänglichen SOC-Bedingungen führen.

Anfänglichen SOC und Temperatur erneut bestätigen

Bestätigen Sie nach der Kapazitätsanpassung die integrierte entnommene Ladung, die Zellspannungen, die Packtemperatur und den anfänglichen Referenz-SOC.

Dieser Punkt sollte als formaler Beginn des dynamischen Tests behandelt werden. Der anfängliche SOC des Algorithmus sollte entweder nach der vorgeschriebenen Methode initialisiert oder bei der Prüfung der Konvergenz und Robustheit der Initialisierung bewusst versetzt werden.

Dynamischen Fahrzyklustest durchführen

Stromprofil kontinuierlich anwenden

Führen Sie den ausgewählten dynamischen Ablauf mithilfe der automatisierten Stromregelung des Batterieprüfsystems durch. Setzen Sie den Zyklus fort, bis das angegebene Ziel-DOD erreicht ist, beispielsweise 60 %, 70 % oder 80 % DOD.

Verwenden Sie bei jedem Test dasselbe Stromprofil, dieselbe Abtastkonfiguration, dieselbe Temperaturbedingung und dieselbe Abbruchlogik. Zeichnen Sie den tatsächlich gelieferten Strom auf, anstatt sich ausschließlich auf die vorgegebene Wellenform zu verlassen.

Zellen und thermische Reaktion in Echtzeit überwachen

Überwachen Sie während des Zyklus kontinuierlich die einzelnen Zellspannungen, die Packspannung, den Strom und die Temperatur. Der Test sollte angehalten oder in einen sicheren Zustand überführt werden, sobald eine Zell- oder Packschutzgrenze erreicht wird.

Erfassen Sie außerdem Stromspitzen, Rekuperationsintervalle, Spannungsausschläge und thermische Veränderungen. Diese Ereignisse helfen dabei, einen Algorithmusfehler von einem Betrieb außerhalb des vorgesehenen Modell- oder Kalibrierungsbereichs zu unterscheiden.

SOC-Referenz während der Anregung aufrechterhalten

Aktualisieren Sie den Referenz-SOC, indem Sie den gemessenen Strom über die Zeit integrieren und die definierte nutzbare Kapazität sowie den Anfangszustand berücksichtigen.

Die Referenz ist nicht einfach der momentane spannungsbasierte SOC. Unter dynamischer Last enthält die Klemmenspannung den ohmschen Spannungsabfall, Ladungsübertragungseffekte und Polarisation. Daher kann die Spannung allein zu einer irreführenden SOC-Anzeige führen.

Erholungs- und Polarisationsverhalten messen

Ruhephase nach dem Fahrzeugabschalten anwenden

Stoppen Sie am ausgewählten DOD-Endpunkt das dynamische Profil und lassen Sie eine kurze Ruhephase, beispielsweise 10 Minuten, zu, um das Abschalten oder eine Pause des Fahrzeugs abzubilden.

Erfassen Sie während dieses Zeitraums weiterhin Spannung und Temperatur. Die Relaxationskurve ist Bestandteil der Validierungsdaten und nicht lediglich ein Warteintervall.

Depolarisations-Ladung durchführen

Führen Sie nach der kurzen Ruhephase die definierte Depolarisations-Ladung durch. Sie dient dazu, die Wiederherstellung des elektrochemischen Zustands zu unterstützen und Daten zur Bewertung der polarisationsbezogenen Modellparameter bereitzustellen.

Höhe, Strom und Dauer dieser Ladung müssen in der Testspezifikation festgelegt und zusammen mit den Ergebnissen angegeben werden.

Erweiterte Relaxationskurve aufzeichnen

Lassen Sie nach dem Depolarisationsschritt eine verlängerte Ruhephase, beispielsweise zwei Stunden, zu und zeichnen Sie dabei die Spannungsrelaxation von Zellen und Pack auf.

Verwenden Sie diese Spannung-Zeit-Kurven, um zu beurteilen, ob die Polarisations- und Relaxationsparameter des Modells die gemessene Reaktion reproduzieren. Dieser Schritt ist besonders wichtig, wenn der SOC-Schätzer ein Ersatzschaltbild oder ein anderes dynamisches Batteriemodell verwendet.

Kapazitätsreferenzmessung abschließen

Bis zur normalen Abschaltgrenze entladen

Entladen Sie das Pack nach der Erholungssequenz mit einem kontrollierten konstanten Strom, beispielsweise 1/3 C, bis die definierte minimale Zellspannungsgrenze erreicht ist, zum Beispiel 3,3 V pro Zelle, sofern diese Grenze gilt.

Die Abschaltung sollte auf der festgelegten Zell- oder Packschutzregel basieren. Die tatsächlich begrenzende Zelle muss identifiziert und aufgezeichnet werden.

Restkapazität bei niedrigem Strom messen

Fahren Sie mit einer Restentladung bei niedrigem Strom unter 1/30 C fort, um die verbleibende verfügbare Kapazität zu messen.

Dieser abschließende Abschnitt mit niedrigem Strom hilft dabei, die Kapazität zu quantifizieren, die während der vorangegangenen Entladung mit höherem Strom möglicherweise nicht zugänglich war, und bietet eine vollständigere Grundlage für die Berechnung von Referenz-SOC und DOD.

Kapazitäts- und Ladungsaufzeichnungen abgleichen

Vergleichen Sie die aus der vollständigen Entladung ermittelte Kapazität mit der Aufzeichnung der Coulomb-Zählung. Untersuchen Sie Abweichungen, die durch einen Offset der Strommessung, den Zeitpunkt der Abschaltung, Temperaturschwankungen oder die Abhängigkeit der Kapazität von der Entladerate verursacht werden.

Die Definition der nutzbaren Kapazität muss bei der Berichterstattung über den SOC-Fehler ausdrücklich angegeben werden. Andernfalls kann ein Algorithmus ungenau erscheinen, weil sein SOC-Nenner von der Kapazitätsreferenz des Tests abweicht.

SOC-Algorithmus bewerten

Schätzung und Referenz über das gesamte Profil vergleichen

Richten Sie den Algorithmus-SOC und den Referenz-SOC zeitlich aus und bewerten Sie den Fehler während:

• Stromtransienten
• Rekuperativem Laden
• Andauernder Entladung
• Ruhephasen
• Erholung der Polarisation
• Der abschließenden Abschaltung und Restkapazitätssequenz

Berichten Sie den SOC-Fehler als Zeitverlauf und nicht nur als einzelnen Endwert. Dadurch werden Drift, transientes Nachlaufen, Initialisierungsfehler und erholungsbedingte Verzerrungen sichtbar.

Übereinstimmung des Spannungsmodells separat untersuchen

Wenn der Schätzer die Klemmenspannung vorhersagt, vergleichen Sie die vorhergesagte und gemessene Zell- oder Packspannung zusammen mit dem SOC-Fehler.

Die Trennung von Spannungsmodellfehler und SOC-Referenzfehler ist wichtig. Eine unzureichende Polarisationsanpassung kann zu einer Spannungsabweichung führen, obwohl der integrierte SOC plausibel ist, während eine Verzerrung des Stromsensors eine SOC-Drift ohne großen unmittelbaren Spannungsfehler verursachen kann.

Unter definierten Bedingungen wiederholen

Wiederholen Sie den Ablauf bei den im Validierungsplan festgelegten Temperaturen, anfänglichen SOC-Bedingungen und Zielen des dynamischen Zyklus.

Bei jeder Wiederholung müssen dieselbe Ladebeendigung, Kapazitätsanpassung, Ruhezeiten, Stromprofil, Messkonfiguration und Abschaltregeln verwendet werden. Ein Test ist nur dann standardisiert, wenn seine Anfangs- und Randbedingungen reproduzierbar sind.

Abwägung der Kompromisse

Initialisierung mit voller Ladung verbessert die Reproduzierbarkeit, kostet aber Zeit

Eine vollständige Konstantstrom-/Konstantspannungsladung bietet einen kontrollierten Ausgangspunkt, dauert jedoch länger als der Beginn bei einem beliebigen SOC.

Das Überspringen oder Verkürzen des Beendigungsschritts kann Unsicherheit im anfänglichen SOC verursachen und die Interpretation nachfolgender Algorithmusfehler erschweren.

Die Kapazitätsanpassung verringert das Überspannungsrisiko, verändert aber den Teststartpunkt

Das Entnehmen von Ladung vor dem dynamischen Profil schafft Spielraum für Rekuperationsstrom. Die Anpassung selbst wird jedoch Bestandteil der Definition des Anfangszustands und muss in die Berechnung des Referenz-SOC einbezogen werden.

Die Verwendung unterschiedlicher Anpassungsraten oder -mengen zwischen den Tests verringert die Vergleichbarkeit.

Dynamische Tests sind realistisch, aber keine Gleichgewichtsmessung

Fahrzyklen setzen den Schätzer den Transienten aus, die er im praktischen Betrieb bewältigen muss. Sie erzeugen außerdem Polarisations- und Temperatureffekte, die eine spannungsbasierte SOC-Validierung erschweren.

Aus diesem Grund sollten dynamische Ergebnisse durch kontrollierte Ruhe- und Relaxationsmessungen ergänzt und nicht ausschließlich anhand der Klemmenspannung interpretiert werden.

Tests auf Packebene können das Verhalten einzelner Zellen verbergen

Ein Reihenschaltungspack kann eine akzeptable Packspannung aufweisen, während sich eine Zelle ihrer Grenze nähert oder eine anormale Relaxation zeigt.

Die Erfassung von Zellspannung und -temperatur ist daher sowohl für die Sicherheit als auch für die Diagnose erforderlich. Der SOC-Fehler auf Packebene sollte nicht gemeldet werden, ohne zu prüfen, ob Zellungleichgewicht oder eine begrenzende Zelle das Ergebnis beeinflusst hat.

So wenden Sie dies auf Ihr Projekt an

Verwenden Sie die folgende Sequenz als kontrolliertes Testskript:

• Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf einer reproduzierbaren SOC-Genauigkeit liegt: Stabilisieren Sie das Pack thermisch, laden Sie es mit einer Konstantstrom-/Konstantspannungsregelung vollständig auf, definieren Sie den anfänglichen SOC und verwenden Sie eine präzise Coulomb-Zählung als Referenz.
• Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Leistung im dynamischen Fahrbetrieb liegt: Wenden Sie eine feste Fahrzyklus-Wellenform kontinuierlich bis zu definierten DOD-Zielen an und erfassen Sie den tatsächlichen Strom, die Zellspannungen, die Packspannung, die Temperatur und die Ausgabe des Schätzers.
• Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Validierung von Modell und Polarisation liegt: Integrieren Sie die kurze Ruhephase, die Depolarisations-Ladung, die verlängerte Relaxationsphase und die Aufzeichnung der Spannungsrelaxation.
• Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf einer belastbaren Kapazitätsreferenz liegt: Schließen Sie den Test mit einer Konstantstromentladung bis zur minimalen Zellspannungsgrenze und einer Restentladung mit niedrigem Strom unter 1/30 C ab.
• Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Sicherheit und Diagnose von Reihenschaltungspacks liegt: Erzwingen Sie Zellspannungsgrenzen und analysieren Sie die begrenzende Zelle und nicht nur die aggregierte Packspannung.

Ein kontrollierter Anfangszustand, ein genauer Referenz-SOC, eine realistische dynamische Anregung und eine vollständige Erholungsmessung bilden die Grundlage für eine zuverlässige SOC-Validierung von Reihenschaltungspacks.

Zusammenfassungstabelle:

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