Solutions

© Siemens AG 2010
Batteriesimulator zur Entwicklung
von neuen Antriebslösungen
Battery simulator for developing new drive solutions
Broschüre/Brochure
Solutions
Answers for industry.
© Siemens AG 2010
Effizient und leistungsfähig
Hochleistungs-Gleichstromquelle mit Ein- und Rückspeisemöglichkeit für die Hochschule der Bundeswehr in Neubiberg
Für die Entwicklung und Prüfung neuer elektrischer Antriebskonzepte in der Automobilindustrie und für die Versorgung von
Prüfständen mit Gleichspannung mit unterschiedlichstem Spannungsniveau werden Hochleistungs-Gleichstromquellen mit
Ein- und Rückspeisemöglichkeit – sogenannte Batteriesimulatoren – benötigt. Mit unseren effizienten und leistungsfähigen
Lösungen stellen wir zuverlässig Strom und Leistung über ein
breites Spannungsband bereit und minimieren gleichzeitig den
Platzbedarf.
Beispielsweise wurde für die Hochschule der Bundeswehr in
Neubiberg eine Hochleistungs-Gleichstromquelle mit Ein- und
Rückspeisemöglichkeit als Batteriesimulator entwickelt, geliefert, montiert und in Betrieb genommen. Mit dieser Lösung
können Versuche und Prüfungen von neuen Antriebskonzepten
der Industrie insbesondere für E-Mobility -Anwendungen durchgeführt und Ingenieure für Elektrotechnik und Maschinenbau
ausgebildet werden.
Dieser Batteriesimulator erfüllt besondere Anforderungen an
Flexibilität und universelle Einsatzmöglichkeiten:
• Vier Arbeitsplätze mit autarkem Betrieb über die übergeordnete Steuerung
• An jedem Platz individuell einstellbare Gleichspannungen
von 10 V bis 800 V bei einem maximalen Strom von 1 000 A
und einer maximalen Leistungsabgabe von 200 kW bei einer
definierten maximalen Welligkeit bezogen auf den jeweiligen Betriebspunkt.
• Geringer Platzbedarf für das Leistungsteil des Batteriesimulators.
• Konzeption der Lösung für die Aufstellung der Komponenten
in Räumen mit geringer Höhe (< 2 000mm).
Der Aufbau der Lösung basiert aus gestuften Transformatoren,
die für die Reihen- und Parallelschaltung von primärseitigen
und sekundärseitigen Teilwicklungen konzipiert sind. Daraus
resultiert eine kostengünstige und gleichzeitig zuverlässige
Lösung über den geforderten großen Spannungsbereich.
Betrieben wird die Anlage im Zwei-Quadrantenbetrieb mit
Stromrichtungsumkehr, jedoch nur mit einer Spannungspolarität. Die Gleichrichtung erfolgt mit den industriell erprobten
SIMOREG-DC-MASTER 6RA70-Stromrichtergeräten in 12pulsSchaltung in Master- und Slave- Anordnung (siehe Bild rechts).
Durch diese Konzeption konnten die kundenseitigen Anforderungen hinsichtlich der Strom- und Leistungsbereitstellung über
das gesamte Spannungsband voll abgedeckt werden.
Die entsprechenden Kurvenverläufe sind hierbei nicht linear,
sondern weisen - bedingt durch die nötigen Umschaltungen der
Teilwicklungen der Transformatoren und der Transformatoren
selbst – Sprünge auf.
Im Bereich 200 V bis 800 V wird so verfahren, dass der Arbeitspunkt 300 V bei 200 kW (als typische Spannung für Brennstoffzellen) bei jedem möglichen Schaltungszustand angefahren
werden kann.
Kennlinien des Batteriesimulators:
Leistungskennlinie in Abhängigkeit der Spannung
Power characteristic depending on the voltage
Die Wicklungen und Wicklungsteile werden manuell am
Klemmbrett umgeschaltet, da die Lösung für Langzeit-Versuche
über mehrere Wochen hinweg konzipiert ist. Eine Umschaltung
über Fernbedienung ist optional realisierbar.
Die Anlage wurde entsprechend der Kundenvorgaben in der
Projektierungsphase simuliert und nach den Ergebnissen entsprechend ausgelegt. Damit konnten die Kundenanforderungen
hinsichtlich des spezifizierten Oberschwingungsgehaltes der
DC-Gleichspannung voll erfüllt werden.
Steuerung und Regelung der Anlage erfolgt über eine SIMATIC
S7-300 und den eingebundenen Steuer- und Regelungsteilen
der 6RA70-SIMOREG-DCMASTER-Stromrichtergeräte.
Der Batteriesimulator wurde
über eine PROFIBUS-Schnittstelle an das vorhandene
Bediensystem des Kunden
angebunden. Bei Bedarf kann
die Anlage über das Operator
Panel (Option), das in eine
Schaltschranktüre eingebaut
ist, auch vor Ort bedient
werden.
Seit der Übergabe an den
Kunden ist die Anlage ständig
zur vollsten Zufriedenheit im
Einsatz.
Schaltungskonzept
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Siemens Batteriesimulator zur Entwicklung von neuen Antriebslösungen
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Efficient and powerful
High-capacity DC source with energy infeed and recovery
option for the German Military Academy (Hochschule der
Bundeswehr) in Neubiberg
• Four workstations working autonomously via the higherlevel controller
• At each station, individually adjustable voltage from 10 V DC
to 800 V DC at a maximum current of 1 000 A and maximum
power dissipation of 200 kW at a defined maximum ripple
related to the operating point in each case.
• Low space requirements for the power unit of the battery
simulator.
• Solution designed for installation in areas with low ceilings
(< 2 000 mm).
Characteristic curves of the battery simulator:
Zulässige Stöme in Abhängigkeit von der Spannung
Permissible currents depending on the voltage
High-capacity DC sources with energy infeed and recovery option - known as battery simulators - are required for developing
and testing new electrical drive concepts in the automobile
industry, and for supplying test bays with direct voltage at the
most varied voltage levels.
With our efficient and powerful solutions, we provide reliable
power and performance across a wide voltage range while
simultaneously minimizing space requirements.
For example, a high-capacity DC source with energy infeed and
recovery option has been developed, delivered, installed and
commissioned as a battery simulator for the German Military
Academy in Neubiberg. With
this solution, experiments
and tests can be carried out
on new industrial drive concepts, especially for E-Mobility
applications, and engineers
can be trained for electrical
engineering and mechanical
equipment manu-facture.
This battery simulator meets
special requirements with regard to flexibility and universal application options:
The design of the solution is based on graded transformers designed for series and parallel connections of primary and secondary part-windings. This results in a low-cost and simultaneously reliable solution across the large voltage range required. The
system is operated in two-quadrant mode with current reversal,
but with only one voltage polarity. Power rectification is carried
out with the industrially field-proven SIMOREG DC-MASTER
6RA70 converters with 12-pulse operation in master and slave
arrangement in accordance with the circuit design below.
This design was able to fully satisfy customer requirements with
regard to current and power provision across the entire voltage
range.
The relevant characteristics are not linear here but exhibit nonlinearities – caused by the necessary switchovers of the partwindings of the transformers themselves.
In the 200 - 800 V range the operating point 300 V at 200 kW,
which is a typical fuel cell voltage, can be approached in every
possible circuit configuration.
The windings and winding parts are switched manually at the
terminal board since the solution has been designed for long
experiments covering several weeks. A remote switching option
can also be implemented.
The system was designed according to customer specifications
in the configuring phase and dimensioned according to the
results. This made it possible to fully satisfy customer requirements with regard to the specified harmonic content of the
DC voltage.
Open-loop and closed-loop control of the system is implemented using a SIMATIC S7-300 and the integrated open-loop and
closed-loop control sections of the 6RA70 SIMOREG DC-MASTER
converters.
The battery simulator was connected to the existing control and
monitoring system of the customer using a PROFIBUS interface.
If required, the system can be operated on-site using the Operator Panel (option) installed in a control cabinet door.
The system has been working to the customer‘s complete satisfaction since handover.
Circuit design
Siemens Battery simulator for developing new drive solutions
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E-mail:
[email protected]
Internet:
www.siemens.com/automotive-solutions
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Industrial Automation Systems
Postfach 48 48
90026 NÜRNBERG
DEUTSCHLAND
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Order No.: 6ZB5540-0AG30-0BA0
3P.8201.78.07 / Dispo 26100
BR 0610 0.15 ROT 4 De/En
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