Testen van elektrische scheepsaandrijving

5.1 Emuleren van batterijen

Een batterij is eigenlijk een DC voeding/DC load maar dan wel met wat specifieke eigenschappen. Zo heeft elke batterij een interne weerstand. De uitgangsspanning van de batterij is ook afhankelijk van de laadstatus van de batterij. En zo zijn er nog wat variabelen die van invloed zijn. Maar afhankelijk van het aantal laadcycli zal de capaciteit van de batterij wijzigen. Met een standaard DC voeding / DC load of bi-directionele voeding kunnen we dit niet goed simuleren en vandaar dat hier een oplossing voor is gezocht door middel van batterij emulatie software.

Waarom een batterij emuleren?
Eén van de redenen om een batterij te emuleren is de repeteerbare instelling die u altijd dezelfde waarde geeft.

Bij bepaalde testen is het van belang dat we wel altijd dezelfde waarde aanbieden. Bijvoorbeeld bij kwaliteit controles. Een ander voordeel is dat grote batterijen vaak zwaar en onhandig zijn in gebruik.
Het grootste voordeel zit echter in het feit dat je eenvoudig de spanning, stroom, de capaciteit en de laadstatus van de batterij kunt aanpassen en zo verschillende tests snel een eenvoudig kunt uitvoeren. Wil je nu op 90% testen en vervolgens op 10% en dan 50%? Dit realiseer je in seconden terwijl je met een echte batterij moet gaan laden of ontladen om dit te bereiken.

Nog een ander voordeel is veiligheid. Verzekeringmaatschappijen willen het liefst dat je niet met echte batterijen werkt als dat niet nodig is in verband met brandgevaar.

Zo worden schepen getest met batterij emulators en worden de batterijen zelf pas geplaatst juist voor de ingebruikname.

Batterij emulatie software
De Itech batterij emulatie software (BSS2000) geeft u een eenvoudig te bedienen tool om batterij emulatie uit te voeren voor verschillende applicaties.

De basisversie is geschikt voor li-ion batterijen en ook lood batterijen. Met deze software kunt u eenvoudig de curve van de batterij programmeren door standaardwaarden in te vullen. Daarnaast kunt u ook een laad-/ontlaad curve via een .CSV file laden. Het wijzigen van de State of Charge (SOC) is vervolgens heel eenvoudig en snel.

Met de BBS2000 Pro versie krijgt u nog meer functionaliteit met standaard bijna alle batterij types voorgeprogrammeerd. Daarnaast is het importeren van Matlab files ook mogelijk en kan er zelfs de BMS worden gesimuleerd zodat er batterijsimulatie mogelijk is voor verschillende toepassingen. Uiteraard voorziet de software ook in de bescherming van u batterij met verschillende instellingen.

Voor uitgebreide specificaties zie de BSS2000 datasheet, geschikt voor de volgende power supplies van Itech: IT6000B, IT6000C, IT-M3400 ,IT-M3600, IT-M3900B, IT-M3900C en IT6600C.

5.2 Testen van een batterij pack

Voor het  testen van een batterij pack kunnen we de volgende testen uitvoeren:

– Het bepalen van de impedantie van het complete batterij pack
– Het bepalen van de capaciteit van het batterij pack
– Het aantal laad-/ontlaad cycli

Bij het testen van batterijpacks hebben we te maken met hoge vermogens (kWh), hogere stromen en ook hoge spanningen.

Het bepalen van de impedantie
De interne weerstand kunnen we bij een batterij pack vrij simpel bepalen door middel van een stap response meeting in de belasting van de batterij. Bij batterij packs heb je hierbij een relatief zware belasting nodig. Hiervoor zijn bi-directionele DC voedingen die deze spanningen en stromen goed aan kunnen zoals de IT6000C/D, IT6600C/D.

Het bepalen van de capaciteit van het batterij pack

Van belang is om een duidelijk script op te stellen met daarin de condities waaronder de capaciteit van de batterij wordt bepaald.

1. Wat is de maximale laadspanning?
2. Tot welke spanning mag de batterij worden ontladen?
3. Wat is de ontlaadstroom of ontlaadstroomcycli?
4. Bij welke temperatuur wordt er ontladen en geladen?
5. Met welke laadstroom wordt de batterij ook weer opgeladen?

En zijn dit ook waarden conform uw toepassing van deze batterij? Een batterij die op zee in een boei wordt gebruikt heeft een hele andere omgevingstemperatuur en laad-/ontlaadcyclus als de batterij in bijvoorbeeld een binnenvaartschip. Afhankelijk van de spanning en de capaciteit van de batterij pack wordt voor het testen in dit geval vaak gebruik gemaakt van bi-directionele DC voedingen. Bij hoge vermogens zien we de voordelen van het gebruik van regeneratieve bi-directionele DC voedingen.

Voor de kleine packs hebben we in het producten portfolio van TTMS twee kwadrant DC voedingen in de spanningsrange van 0-80V door tot 0-1500V bij vermogens van 200W tot 18kW. Deze voedingen zijn helemaal afgestemd op deze toepassingen en hebben de mogelijkheid van een autonome charge en discharge cyclus met de door de klant gewenste parameters. Aan de hand van ingestelde waarden als Laad / Ontlaad spanning, stroom en tijd kan worden geladen of ontladen. Daarnaast hebben we dan de stop waarden voor het laden en ontladen in de vorm van stop spanning, stop stroom en stop capaciteit. Bij een enkele bi-directionele DC voeding is er ook een mogelijkheid van het aansluiten van een temperatuur sensor zodat ook de temperatuur van de Batterij een stop waarde kan zijn.

Bij de meeste bi-directionele DC voedingen kunnen we een test systeem opbouwen door een aantal units in een master/slave configuratie te zetten om zo configuraties te creëren tot zelfs in de MW’s. Bij schepen zien we al laadstations van 6MW.

Het aantal laad-/ontlaadcycli van een batterij pack
Deze testen kunnen worden uitgevoerd op het volledige pack. Maar meestal blijft dit beperkt tot de batterij module aangezien dit langdurige en kostbare testen zijn. Voor de testen kan dezelfde hardware worden gebruikt als bij de capaciteitstest en dan vaak aangevuld met uitgebreide batterij testsoftware.

5.3 Testen laadoplossingen voor schepen

Er bestaan verschillende laadoplossingen voor hybride en volledig elektrische schepen. Deze oplossingen variëren van autonoom telescopisch opladen met een laadkraan tot armlaadsystemen en handmatige laadstations. Met vermogens tot 6 MW en zelfs al meer. De handmatige snellaadstations kunnen worden uitgerust met CCS2-stekkers, waarmee zowel wisselstroom als gelijkstroom kan worden geladen.

Handmatige laadstation aan de kade.

De inzet van AC sources en grid emulators, zoals de Itech IT7800 en IT7900 series, stelt fabrikanten van laadoplossingen in staat om realistische netcondities (zoals spanningsdips, harmonischen of netfrequentievariaties) na te bootsen en hun systemen te testen zoals die in de praktijk functioneren.

5.4 Testen van DC/DC converters

DC/DC-converters worden gebruikt om de hoge DC spanning van het DC boordnet om te zetten naar een lagere spanning. Deze lagere spanning is bijvoorbeeld nodig voor het voeden van navigatie- en communicatiesystemen.

Een bijkomende taak van de DC/DC-converter is het opladen van de 24V-accu in het vaartuig. Hoewel deze lood- of lithiumbatterij veel kleiner is dan het hoogspanningspakket, blijft het een belangrijke energiebron, vooral het activeren van veiligheidssystemen en het tijdelijk overbruggen van piekbelastingen of storingen in het hoogspanningscircuit.

Testen van DC/DC converter

De converter die centraal staat in bovenstaande testopstelling (Device Under Test) is aangesloten op zowel een hoogspanningszijde als een laagspanningszijde, waarbij beide kanten gevoed en gemeten worden door programmeerbare voedingen.

Aan de hoogspanningszijde wordt de DC/DC-converter gevoed door een batterijsimulator die een spanningsniveau van bijvoorbeeld 800 volt levert, afhankelijk van het type converter dat getest wordt. Aan de laagspanningszijde zijn één of meerdere DC verbruikers (DC elektronische belastingen) aangesloten die de 24 volt boordsystemen van het vaartuig nabootsen.

De opstelling maakt het mogelijk om het gedrag van de DC/DC-converter te analyseren bij verschillende spannings- en stroomcondities, zoals tijdens het opstarten, bij variabele belasting, of tijdens spanningsschommelingen. Ook de efficiëntie, temperatuurgedrag en stabiliteit van de uitgangsspanning kunnen nauwkeurig worden geëvalueerd.

TTMS heeft diverse DC voedingen, batterij emulators en DC loads van onder andere H&H en Itech in haar product portfolio. Itech DC power supplies: IT6000C/D en IT6600C/D. Itech DC electronische load IT-M3300.

5.5 Testen van DC/AC inverters

DC/AC inverters worden gebruikt om het hoogspanning DC boordnet om te zetten in een 240V AC elektriciteitsnetwerk aan boord. Hiermee worden o.a. de verlichting en verblijfsruimten aan boord voorzien van elektriciteit.

Testen van DC/AC inverter.

De inverter die centraal staat in bovenstaande testopstelling (Device Under Test) is aangesloten aan de DC zijde op een DC programmeerbare voeding en aan de 240 AC zijde op een AC programmeerbare elektronische belasting.

Aan DC zijde wordt de DC/AC-converter gevoed door een DC voeding die een spanningsniveau van bijvoorbeeld 800 volt levert, afhankelijk van het type converter dat getest wordt. Aan de AC spanningszijde zijn één of meerdere AC verbruikers (AC elektronische belastingen) aangesloten die de 240 volt AC systemen van het vaartuig nabootsen.

De opstelling maakt het mogelijk om het gedrag van de DC/AC-inverter te analyseren bij verschillende spannings- en stroomcondities, zoals tijdens het opstarten, bij variabele belasting, of tijdens spanningsschommelingen. Ook de efficiëntie, temperatuurgedrag en stabiliteit van de uitgangsspanning kunnen nauwkeurig worden geëvalueerd.

TTMS heeft diverse DC voedingen en AC belastingen van o.a. H&H en Itech in haar product portfolio. Itech DC power supplies: IT6000C/D en IT6600C/D. Itech electronische belastingen: IT8200 en IT8200E.

Voor meer informatie verwijzen wij u graag door naar de onderstaande hoofdstukken.

1. Inleiding ontwikkelingen binnen de maritieme sector
2. Elektrisch gevoede systemen in de maritieme sector
3. Normen en richtlijnen
4. Elektrische scheepsaandrijving