Ein Battery Test System dient dem Test und der Optimierung elektrochemischer Energiespeicher wie etwa Batterien. Battery Test Systeme ermöglichen es, die Veränderung der Blockspannung von Batterien über den gesamten Verlauf von Kapazitätstests hinweg zu dokumentieren. Hinter diesen Veränderungen der Blockspannung steht ein natürliches Phänomen, das insbesondere am Anfang (sog. Spannungssack) und am Ende des Entladevorganges von Batterien zu beobachten ist. Darüber hinaus kann ein Battery Test System auch weitere Daten auslesen, die über Zustand und Funktion der Batterie umfassend informieren. Dies sind Lade- und Entladestrom, Temperatur, Zellenspannung und Batteriegesamtspannung.

Software zur Steuerung und Messwert-Protokollierung von Battery Test Systemen

Eine Vielzahl an Schnittstellen erlaubt die Auswertung und Protokollierung der Messreihen eines Battery Test Systems in einer rechnergestützten Anwendung. Um dem Anwender die maximale Kontrolle über sein Battery Test System zu ermöglichen, werden derartige Softwarelösungen zum einen für das grafisch und tabellarisch aufbereitete Monitoring der Messdaten eingesetzt und informieren den Anwender zum anderen über Mittelwerte, Minimal- und Maximalwerte der Spannungsmessung. Zum anderen ist die Software auch dazu konzipiert, die Auswahl der für die jeweiligen Testzwecke relevanten Messdaten zu erleichtern, sodass ihr letztlich auch zentrale Bedeutung bei der Steuerung komplexer Battery Test Systeme zukommt.

Bei einer Breakout-Box (zu Deutsch: „Unterbrecherkästchen“) handelt es sich um ein elektronisches Messinstrument zur Überwachung und Umleitung der Signalübertragung zwischen mindestens zwei Geräten. Als Zwischenschaltgeräte werden Breakout-Boxen einfach direkt zwischen Kabelverbindung und Gerät geschaltet.

Der Vorteil einer Breakout-Box besteht u.a. darin, nichtgenormte Geräte in eine Standardumgebung integrieren zu können. Außerdem ermöglichen Breakout-Boxen die Kommunikation zwischen Datenendeinrichtungen (DTE) oder Datenübertragungseinrichtungen (DCE).

Beim CVM, dem sogenannten Cell Voltage Monitoring (zu Deutsch: Zellspannungsüberwachung), handelt es sich um ein Echtzeit-Datenerfassungssystem, mit dem die Zellspannung von Li-Ionen-Batterien, Brennstoffzellen, Elektrolyseuren und anderen Energiespeichern getestet und überwacht werden kann. Als relevante Messdaten gelten beim CVM insbesondere die Alterung, die Stack-Inhomogenität und der Wassergehalt von Brennstoffzellsystemen. Abhängig vom verwendeten Messmodul erlaubt das CVM auch Aussagen über die Zelltemperatur, was sich besonders beim Monitoring von Brennstoffzellen empfiehlt.

Messgerätetechnik beim CVM

Die beim CVM eingesetzten Messgeräte können die Daten der Zellspannungsanalyse entweder direkt über den integrierten Controller weiterverarbeiten und in Echtzeit abbilden oder über CAN-Bus, LabView oder USB an einen Computer übermitteln. Die Verarbeitung und Digitalisierung der Messdaten in Echtzeit hat den Vorteil, dass Störeinflüsse dadurch erheblich reduziert werden. Über die mehrkanalige Bauart der CVM-Module kann das Cell Voltage Monitoring teilweise bis zu mehrere tausend Zelleinheiten gleichzeitig überwachen.

CVM Software soll den Prozess der Datenverarbeitung und -analyse von Cell Voltage Monitoring Systemen (CVMS) erleichtern. Die CVM Software verhilft auf diese Weise zu erheblichen Zeit- und Kostenersparungen. Das CVMS ist ein Echtzeit-Datenerfassungssystem, mit dem die Zellspannung von Brennstoffzellen, Li-Ionen-Batterien und Elektrolyseuren in Echtzeit überprüft wird. Nachdem sich die CVM-Messmodule via CAN-Bus, LabView oder USB mit einem Computersystem verbunden haben, kann die Weiterverarbeitung der Messdaten mit CVM Software beginnen. Die Messdaten sind dabei von einem CVM-Messgeräte-Controller zuvor bereits digital aufbereitet und vorverarbeitet worden.

Funktionsumfang von CVM Software

Die CVM Software speichert diese Daten und stellt sie übersichtlich in Tabellen und Diagrammen dar. Das User Interface von CVM Software ist intuitiv bedienbar und erfordert keine Programmierkenntnisse. Es können mehrere Monitoring-Projekte angelegt werden und bis zu 4x180 Einzelmesswerte gleichzeitig abgebildet werden. In Erweiterungen von CVM Software kann bei Bedarf eine Schnittstelle für C/C++ eingerichtet und die Zellspannungsüberwachung so noch genauer gesteuert werden.

Bei Duty Cycle Messungen wird das Tastverhältnis, auch Tastgrad, Aussteuergrad oder duty cycle genannt, von Pulsen gemessen. Jeder Puls besteht aus einem Pulsdach und einem Pulsboden. Die Duty Cycle Messung ermittelt nun das Verhältnis der beiden Größen, das auch durch das Verhältnis von Impulsdauer zu Periodendauer ausgedrückt werden kann.

Beispiel einer Duty Cycle Messung

Tastet die Frequenz für 300 Nanosekunden innerhalb einer Periodendauer von 1 Mikrosekunde, beträgt das Tastverhältnis 30 %.
Die Werte der Duty Cycle Messung werden entweder als Verhältniszahl prozentual oder durch eine reelle Zahl zwischen 0 und 1 angegeben. Ein duty cycle von 50 % wird auch symmetrischer Puls genannt.

Bedeutung und Nutzen der Duty Cycle Messung

Die Duty Cycle Messung hat eine große Bedeutung für die Übertragung von Signalen oder Modulationsverfahren wie die Pulsweitenmodulation (PWM). Der Nutzen von Duty Cycle Messungen besteht darin, dass nicht lediglich eine Durchschnittsleistung der Pulsstärke angegeben wird, sondern der duty cycle auch Aussagen darüber erlaubt, in welchem Verhältnis zur Periodendauer die Impulsleistung abgerufen wird. Außerdem kann über die Variation des Tastgrades die elektrische Spannung und Leistung ohne Verlustleistung gesteuert werden.

Der Wert vieler physikalischer Größen wird über die Frequenzmessung ermittelt, die für die elektrische Messtechnik insofern von essentieller Bedeutung ist. Dies gilt bspw. für die Drehzahl‐, Längen‐ und Geschwindigkeitsmessung sowie für die Kommunikationstechnik. Die zwecks Frequenzmessung eingesetzten Messgeräte können Frequenzen sinusförmiger Wechselspannungen wie auch rechteckiger Signale (Kippschwingungen, Impulsfolgen) messen.

Die Frequenz wird in Physik und Elektrotechnik allgemein als Anzahl der Schwingungen eines periodischen Vorganges pro Zeiteinheit definiert. Zu den gängigen Methoden der Frequenzmessung gehören in der modernen Messtechnik das Zählverfahren, die schnelle Fourier-Transformation (FFT) und eine elektronische Mischung mit Referenzfrequenz. Als Messgeräte werden für die Frequenzmessung entsprechend digitale Frequenzzähler, Zeigerfrequenzmesser, Zungenfrequenzmesser, Wellenmesser, Dipmeter und Absorptionsfrequenzmesser verwendet.

Bei einem induktiven Drehzahlgeber (auch induktiver Drehzahlsensor) handelt es sich um eine berührungslose Messmethode zur kontinuierlichen Erfassung von Drehzahlen. Der Messtechnik liegt das Prinzip der elektromagnetischen Induktion zugrunde. Darunter versteht man das Entstehen eines elektrischen Feldes bei Änderung der magnetischen Flussdichte. Wenn sich also beispielsweise ein Magnet auf und ab bewegt oder mit einer bestimmten Geschwindigkeit rotiert, so wird in der Spule eine elektrische Spannung induziert. Diese ist an den Klemmen der Spule messbar und lässt Rückschlüsse auf Art und Geschwindigkeit der Bewegung zu.

Das Prinzip der Spannungsinduktion ist für Anwendungen aus dem Maschinenbau, der Elektrotechnik oder der Informationstechnik von großer Bedeutung. Im Gegensatz zu anderen Messverfahren bietet der induktive Drehzahlgeber die Möglichkeit, Drehbewegungen berührungslos und somit verschleißfrei zu erfassen. Die gemessene Größe wird durch das Verfahren also in keiner Weise beeinflusst.

Induktive Drehzahlgeber und ihre Anwendungsfelder

Induktive Drehzahlgeber kommen heute in vielen verschiedenen Anwendungsbereichen zum Einsatz:

•    Drehzahlerfassung
•    Erfassung von Winkeln (Bsp.: ESP in der Automobiltechnik)
•    Niveausensor in der Fahrwerksregelung
•    Bremspedalsensor
•    Stellung der Kurbelwelle

Die Vorteile induktiver Drehzahlgeber sollen am Beispiel des Kurbelwellensensors erläutert werden. Die Kurbelwelle ist bei Kraftfahrzeugen dafür verantwortlich, dass die translatorische Bewegung der Kolben in eine Drehbewegung umgewandelt wird. Um diese Drehzahl – die gleichbedeutend mit der Motordrehzahl ist – zu erfassen, kommen in der Regel Spulen zum Einsatz. Diese werden um den Weicheisenkern eines Dauermagneten gewickelt. Wenn am sich drehenden Schwungrad nun ein Zahnkranz angebracht wird, kann der induktive Drehzahlgeber anhand der daraus resultierenden magnetischen Impulse die Drehzahl ermitteln. Das Verfahren ist sehr zuverlässig und präzise, weshalb es nicht nur in der Automobiltechnik, sondern auch in vielen weiteren Bereichen zum Einsatz kommt.

Die SMART TESTSOLUTIONS GmbH bietet als Spezialist für Hightech-Mess- und Simulationstechnik spezielle Geräte zur Erfassung und Auswertung von Inkrementsignalen sowie frei konfigurierbare Drehgebersimulatoren für den Einsatz in Entwicklung, Labor und Prüfstandstechnik.

Ein Messsystem umfasst die Gesamtheit aller Elemente, welche die Ermittlung des Wertes der zu messenden physikalischen Größe direkt oder indirekt beeinflussen. Dies sind im Detail: Das eigentliche Messobjekt, die eingesetzten Messmittel bzw. -geräte, die messende(n) Person(en), die Umwelt sowie die angewandten Methoden der Messung und Auswertung. Alle diese Komponenten zusammen definieren einen vollständigen Messprozess, der mit dem Begriff Messsystem oftmals synonym gebraucht wird. Als Messsystem werden nicht allein nur komplexe Versuchsapparaturen bezeichnet, auch ein einziges Messgerät kann ein Messsystem definieren.

Messabweichungen innerhalb des Messsystems und ihre möglichen Ursachen

Abweichungen vom tatsächlichen Wert der Messung werden nach DIN-Norm jetzt nicht mehr Messfehler, sondern Messabweichungen genannt. Damit wird dem Umstand Rechnung getragen, dass fehlerfreie Messungen letztlich nicht möglich sind.

Mögliche Ursachen für Messungenauigkeiten können sein:

• Äußere Umwelteinflüsse, die auf das Messsystem einwirken
• Abnutzungsgrad der Messinstrumente sowie deren Alter und Art
• Einfluss des Menschen auf das Messsystem

Bei den Messabweichungen wird wiederum zwischen beeinflussbaren und nicht beeinflussbaren Fehlern (Luftunruhe, thermisches Rauschen, Luftfeuchtigkeit) unterschieden. Sind die Fehler konstant und systematisch bedingt, spricht man auch von Offset, steigen oder fallen sie im Messverlauf, haben sich die Bezeichnungen Trend und Drift durchgesetzt.
Weil die Elemente von Messsystemen als System miteinander korrelieren, können Fehler bei der Messung nie monokausal nur auf einen Faktor zurückgeführt werden, sondern müssen immer in ihrer Interferenz mit der Gesamtheit aller Elemente des Messsystems interpretiert werden.

Methoden der Kompensation von Messwertfehlern in Messsystemen

In Meteorologie und Qualitätsmanagement haben sich eine Reihe von zielgerichteten Methoden zur Ausgleichung von Messabweichungen etabliert. Als wichtigste Maßnahme gilt hier die Eichung, Kalibrierung und Justierung von Messinstrumenten, um die Vergleichbarkeit der Ergebnisse zu gewährleisten.

Mit einem OBD-Tester können die wartungsrelevanten Daten eines Automobils (Wirkungsgrad des Katalysators, Lambdasondenfunktion, abgasbeeinflussende Systeme, Verbrennungsaussetzer mittels eines Inkrementenrads) ausgelesen und etwa zum Zweck von Fehleranalysen weiterverarbeitet werden.

Funktionsweise des OBD Testers

Die Daten sind auf einem im Fahrzeug integrierten zentralen Steuergerät, dem sogenannten On-Bord-Diagnose-System (OBD-System), gespeichert und werden von OBD-Testern über den Anschluss an eine genormte Schnittstelle (OBD-2-Diagnosebuchse) abgefragt. Die mit dem OBD-Tester ausgelesenen Datensätze informieren den Anwender über alle wichtigen Messdaten des Kraftfahrzeuges sowie über den Zustand der kritischen Steuergeräte (vor allem Abgassystem). Durch die im OBD-Tester oftmals integrierte Fehleranalyse-Funktion erleichtern sie dem Hobbymechaniker die selbstständige Reparatur seines Kfz.

Beim Auslesen, Testen und der Interpretation der Messwerte der fahrzeuginternen Steuergeräte hilft eine Softwareanwendung. OBD-Tester erlauben zwar auch das Zurücksetzen der im OBD-System gespeicherten Datensätze. Um sicherheitsrelevante Informationen wie Probleme an den Airbags vor einem versehentlichen Löschen zu schützen, ist dieser Zugriff aber nur eingeschränkt möglich.

Anwendungsgebiet der OBD-Tester

OBD-Tester werden heutzutage in allen Kfz-Werkstätten verwendet, erfreuen sich aber auch zunehmend unter Privatnutzern großer Beliebtheit, weil sie durch ihre handliche Form überzeugen und somit mobil einsetzbar sind – ob am Prüfstand oder im Fahrzeug. Ein großer Vorteil der OBD-Tester besteht für den Kunden einer Kfz-Werkstatt also darin, sich bereits vor der Inspektion einen Überblick über die relevanten Diagnose-Daten seines Automobils zu verschaffen.

PWM ist eine technische Modulationsart. PWM steht als Abkürzung für das Verfahren der Pulsweitenmodulation, bei der – bei fester Grundfrequenz – die Ein- und Ausschaltzeit eines Rechtecksignals variiert werden kann. Das durch PWM erzeugte Signal einer technischen Größe wechselt dann zwischen zwei Werten. Frequenz und Tastverhältnis (Verhältnis von Ein- und Ausschaltzeit des Rechtecksignals, auch Duty Cycle genannt) sind bei der PWM variabel einstellbar. Ist die Frequenz konstant, moduliert die PWM einen Rechteckpuls.

PWM findet Einsatz in Testsystemen oder in Prüfständen. PWM-Signalgeneratoren erzeugen ein simuliertes und frei skalierbares Sensorsignal, das in der Mess- und Simulationstechnik eine wichtige Rolle spielt.

Die Aufgabe eines PWM-Signal-Generators besteht darin, ein PWM-Signal zu erzeugen, wobei Frequenz, Tastverhältnis und Amplitude variabel einstellbar sind. Dabei steht die Abkürzung PWM für Pulsweitenmodulation, eine Modulationsart, die zwischen zwei Werten hin und her wechselt. Bei konstanter Frequenz erzeugt der PWM-Signal-Generator einen Rechteckpuls.

Ein Sensor-Simulator simuliert das Signal eines aktiven digitalen Drehzahlsensors, das in der Fachliteratur auch unter dem Namen DF-Signal bekannt ist. Sensor-Simulatoren werden hauptsächlich in der Entwicklung von Automobilen eingesetzt. Diejenigen Steuergeräte, die ein DF-Signal verarbeiten können, können mit den simulierten Messdaten eines Sensor-Simulators am Prüfstand oder in einem existierenden Testsystem für Entwicklungszwecke oder aus Gründen der Qualitätssicherung getestet werden.

Funktionsumfang eines Sensor-Simulators

Der große Vorteil eines Sensor-Simulators besteht darin, dass er das Signal verschiedenster Typen von im Fahrzeug installierten Drehzahlsensoren problemlos simulieren (Signale von industriellen Inkrementgebern, Kurbel- und Nockenwellensensoren) sowie analoge, statische und rampenförmige Drehzahlsignalverläufe abbilden kann.
Hochpreisige Sensor-Simulatoren erweitern die Möglichkeit der Sensor Simulation um folgende Funktionen: Modellierung des Ein- und Auspendelmusters von Motoren, Phasenverschiebung der Signale zueinander, drehzahlabhängige Amplitude und die realitätsgetreue Simulation von Fehlern.  Zusammen mit einer modernen Softwareanwendung ist eine noch genauere Feinjustierung des ausgegebenen Sensor-Signals möglich wie auch die Anpassung der Signalform.

Einsatzfelder des Sensor-Simulators

Sensor-Simulatoren überzeugen durch eine praxisnahe Modellierung von Fehlersituationen, durch die das Verhalten von Steuergeräten umfassend analysiert und auf Optimierungsmöglichkeiten hin überprüft werden kann. So wird etwa der Rapid-Prototyping-Test angewandt, um in der Entwicklungsphase von Steuergeräten diese im Hinblick auf ihr Interaktionsmuster mit anderen Sensoren zu testen. Solchermaßen kann ein Sensor-Simulator verschiedene Problemszenarien durchtesten, ohne dass das betroffene Steuergerät jemals in ein reales Fahrzeugsystem implementiert zu werden brauch.

Die Signalsimulation wird in der Automobil-Entwicklung eingesetzt, um das Signal eines aktiven digitalen Drehzahlsensors, auch Drehzahlfühler-Signal oder DF-Signal genannt, zu simulieren. Mit den simulierten Sensordaten können dann diverse Steuergeräte, die dieses DF-Signal digital weiterverarbeiten können, in einem bestehenden Testsystem oder am Prüfstand getestet werden. Die Fehlersimulation, welche die Signalsimulation bereitstellt, hat insbesondere für die Entwicklung moderner Antiblockiersysteme (ABS) große Bedeutung.

Die Signalsimulation im praktischen Einsatz

Durch Manipulation der Sensordaten können Fehlersituationen aus der Praxis simuliert werden und das Steuergeräteverhalten entsprechend überwacht werden. Besonders bei der Entwicklung neuer Steuergeräte wird die Signalsimulation zur Durchführung von Rapid-Prototyping-Anwendungen gebraucht, mit denen die neuen Steuergeräte-Prototypen auf ihre Interaktion mit bestehenden Sensoren überprüft werden sollen. In diesem Fall können die Steuergeräte mit einem realitätsgetreuen Sensorsignal getestet werden, ohne dass sie in einem laufenden Fahrzeugsystem tatsächlich verbaut sein müssten.

Geräteabhängige Funktionen der Signalsimulation

Viele der für die Signalsimulation eingesetzten Geräte sind imstande, verschiedene Signaltypen (Signale von Kurbel- und Nockenwellensensoren, industrielle Inkrementgeber) mit frei einstellbaren Drehzahlsignalverläufen (analog, statisch, rampenförmig) auszugeben.  Die Signalsimulation kann auf diese Weise verschiedene im Fahrzeug verbaute Sensoren mit nur einem einzigen Simulationsgerät simulieren.
Signalsimulationstechnik aus dem Premium-Bereich erlaubt die  Simulation von Fehlern, Phasenverschiebung der Signale zueinander, Ein- und Auspendelmuster von Motoren und drehzahlabhängige Amplitude. Außerdem erleichtert der Einsatz von Software die Konfiguration diverser Parametrierungsoptionen des ausgegebenen Sensorsignals, die u.a. die Signalform beeinflussen.

Das Test-Engineering nimmt in der Automobilbranche eine zentrale Stellung ein, kommt aber auch in der Software-Branche vermehrt zum Einsatz. Aufgrund der Komplexität und Funktionsvielfalt der elektronischen Steuersysteme und nicht zuletzt wegen des Drucks einheitlicher internationaler ISO-Standards begleitet das Test-Engineering inzwischen den gesamten Entwicklungsprozess eines modernen Automobils – von der Konzeption und Modellbildung über die Herstellung bis hin zur Fehleranalyse der elektronischen Steuergeräte im fertigen Kraftfahrzeug. Für Hersteller und Zulieferer gleichermaßen ist das Test-Engineering nicht einfach nur ein notwendiges Übel, sondern geht mit messbaren Zeit- und Kostenersparungen einher und unterstützt die Qualitätssicherung.

Der typische Ablauf eines Test-Engineerings

Intelligentes Test-Engineering wendet nicht immer die gleichen Testverfahren an. Vielmehr werden am konkreten Einzelfall die jeweils am besten geeigneten Testmethoden und Testwerkzeuge, wie etwa der Hardware-in-the-Loop-Test für einzelne Steuergeräte oder der Einsatz von Regressionstests, bedarfsgerecht identifiziert. Darauf aufbauend entwickelt das Test-Engineering realistische und für den praktischen Anwendungsfall relevante Testszenarios und legt Toleranzgrenzen für Messungen fest. Die gewonnen Messergebnisse müssen im Anschluss ausgewertet und Empfehlungen für geeignete Korrekturmaßnahmen und Optimierungsmöglichkeiten abgeleitet werden. Der gesamte Prozess des Test-Engineerings wird dabei durch eine Software unterstützt, die die zentrale Speicherung, Auswertung und Dokumentation der Messergebnisse erleichtert.

Ein Testsystem ist ein komplexer Verbund mehrerer Mess- und Simulationsgeräte, die dazu eingesetzt werden, das Verhalten einer technischen Apparatur oder eines Vorganges unter bestimmten Randbedingungen zu prüfen. Vielfach findet der Aufbau eines Testsystems auch statt, um das Vorliegen bestimmter Eigenschaften zu ermitteln. Während beim Experiment das Ergebnis nicht im Voraus schon feststeht, dienen Testsysteme der Überprüfung einer Erwartung, die sich im Laufe des Testverfahrens dann empirisch auch bestätigen lassen sollte.

Ein weiter Unterschied besteht darin, dass sich Experimente an der Wiederholbarkeit ihrer Ergebnisse messen lassen müssen, während Aussagen, die ein Testsystem in Bezug auf ein Objekt oder ein technisches Gerät treffen kann, nur immer auf diesen Anwendungsfall beschränkt sind. Für die Testsysteme, die in der Messtechnik Einsatz finden, ist es besonders wichtig, dass sämtliche Messgeräte vorher kalibriert wurden, um die Vergleichbarkeit der am Testsystem beteiligten Geräte zu gewährleisten.

Thermoelemente wandeln Wärme in elektrische Energie um. Thermoelemente nutzen dabei einen thermoelektrischen Effekt, der nach dem deutschen Physiker Thomas Johann Seebeck auch kurz Seebeck-Effekt genannt wird: Werden zwei Leiter unterschiedlicher Werkstoffe miteinander verbunden, erzeugen sie an ihren freien Enden eine Spannung, die umso größer ist, desto höher die Temperaturdifferenz zwischen der Verbindungsstelle und den freien Enden ist.

Der in Thermoelementen wirksame thermoelektrische Effekt beruht auf einer asymmetrischen Verteilung der Ladungsträger beider Leiter. Die höhere Temperatur bewirkt aufgrund der entsprechend höheren kinetischen Energie eine Verdrängung der elektrischen Ladungsträger, wohingegen die niedrigere Temperatur eine Anreicherung der Elektronen begünstigt. Die Temperaturdifferenz bewirkt also zunächst eine Verschiebung in der Elektronendichte von Thermoelementen, die wiederum ein elektrisches Spannungsgefälle bewirkt, das zur Erzeugung von elektrischer Energie in Thermoelementen nutzbar gemacht wird.