Messung und Analyse von Batterien für Elektrofahrzeuge

Der Trend zum Klimaschutz durch "nachhaltige Lösungen", die den CO2-Ausstoß reduzieren, treibt Technologien wie Batterien mit hoher Kapazität und Energie oder Brennstoffzellen auf H2-Basis als Hauptenergiequellen für mobile Geräte voran. Die Abkehr von Verbrennungsmotoren erfordert auch ein Umdenken in der Prüf- und Messtechnik, einschließlich neuer Sicherheitskonzepte, neuer Prüfumgebungen, neuartiger Sensoren und Messtechnologien sowie einer maßgeschneiderten Datenanalyse.

Vollständige HBM-Messkette

Neue Antriebstechnologien - neue Prüfanforderungen

Auf der Suche nach einer nachhaltigen, umweltfreundlichen Mobilität sah sich HBK schon bald mit Herausforderungen bei der Entwicklung und Prüfung mobiler Energiespeicher für Fahrzeuge konfrontiert. Als Marktführer in den Bereichen Prüf- und Messtechnik, elektrische Leistung, Schall- und Schwingungsprüfungen sowie Umweltprüfungen gewann HBK schon früh Einblicke in die vielfältigen Anforderungen und Bedürfnisse von Branchen wie der Automobil- und Nutzfahrzeugentwicklung, wenn es um die Validierung innovativer Energiespeicher und NEV-Gesamtkonzepte geht.

Batterien mit Spannungen von bis zu 1000 V in modernen Fahrzeugen erfordern eine Vielzahl von Prüfungen, ergänzt durch besondere Vorsichtsmaßnahmen im Umgang mit gefährlichen elektrischen Spannungen und Lithium als wesentliche Elemente des elektrochemischen Prozesses. Innerhalb des Prüfbereichs deckt die HBK die meisten Messgrößen ab:

  • Elektrische Spannung, Strom und Leistung zur Analyse der Effizienz und Leistung des gesamten Antriebsstrangs.
  • Sicherheitskurzschlusstests und optimierte Ladetests.
  • Kraft, Schubkraft, Druck und Gewicht für die Analyse der mechanischen Festigkeit.
  • Temperatur, Durchfluss und Druck für die Analyse der Wärmebeständigkeit.

Die Prüfung von Verbrennungsmotoren umfasst bis zu 300 Temperaturmesspunkte und hochdynamische Drehmoment-, Drehzahl- und Druckmessungen. Mit der Integration von Batterien und Brennstoffzellen verschiebt sich die Anzahl der Messkanäle in Richtung des Energiespeichers als größte Komponente des modernen Antriebsstrangs.

Warum Messung und Datenanalyse?

Bei den heutigen elektrifizierten Antriebsstranglösungen werden alle Aspekte von Einzelzellenbatterien bis hin zu Batteriepaketen durch virtuelle (Simulation) und physische Tests mit dem folgenden typischen Umfang abgedeckt:

  • Langzeit-Zuverlässigkeitsprüfung von Batterien mit Schwerpunkt auf Entlade-/Ladezyklen (langsam, schnell), Selbstentladung einschließlich Spannungs- und Temperaturmessungen einzelner Zellen und Analyse der Gesamtleistung.
  • Dynamische Tests mit dem Schwerpunkt auf Leistung, Effizienz und Feedback während der Wiederherstellung.
  • Umweltprüfung, bei der anwendungsspezifische mechanische Belastungsprofile auf LDS-Schwingsystemen in Kombination mit zyklischen Temperaturerhöhungen und -senkungen in einer Klimakammer durchgeführt werden.
  • Prüfung auf Missbrauch und Auswirkungen (Überlastung, Kurzschluss, Überhitzung, mechanische Belastung, Fehler).
  • Strukturelle Integritätstests, beginnend mit mobilen Fahrzeugtests zur Erfassung von Straßenbelastungsdaten (RLDA), Sommer/Warm-, Winter/Kalttests mit transienten Phänomenen.

Prüfung der Batteriekonstruktion

Batterien sind eine der größten und schwersten Komponenten in modernen Elektrofahrzeugen. Das gesamte Leichtbaukonzept und die flexible Verpackung der Batterien müssen ausgewogen sein. Optimales Gewicht, strukturelle Beständigkeit und die Abschätzung der Gesamtlebensdauer sind Schlüsselparameter, die vor Produktionsbeginn überprüft werden müssen. HBK ist einer der führenden Anbieter kompletter Messketten, nicht nur für die Messung und physikalische Strukturwiderstandsprüfung, sondern auch für die virtuelle Strukturwiderstandsprüfung und Lebensdauerabschätzung.

Batterie-Pyro-Sicherungs-Kurzschlusstest

Für die Qualifizierung von Hochleistungs-Trennschaltern für Traktionsbatterien und Pyrosicherungen ist die Fähigkeit erforderlich, Ströme im Bereich von mehreren Kiloampere mit extrem hohen Abtastraten zu messen, um den Spitzenstrom zu erfassen. Außerdem müssen Ströme in der Größenordnung von einigen Ampere genau und mit hoher Dynamik gemessen werden können. Und angesichts der hohen Spannungen, der hohen Ströme und der extrem schnellen dynamischen Ereignisse werden an das verwendete Messsystem hohe Anforderungen hinsichtlich EMI-Immunität, Überspannungsschutz und Isolierung gestellt. Eine Möglichkeit zur Durchführung von Kurzschlusstests ist die Verwendung nichtlinearer Stromsensoren und Genesis Hochgeschwindigkeits-Datenlogger.

Kurzschlussstrom 12kA

Prüfung von Zellengehäusen: mechanische Prüfung von Batterien

Kraft-Sensoren können Ihnen helfen zu verstehen, wie schnell die Batteriekapazität abnimmt, da sie zur Bewertung der Belastung der Batteriezellen während der Lade-/Entladezyklen verwendet werden können.

Beim so genannten Cell-Case-Test misst ein Kraftsensor die mechanische Belastung, die im Inneren der Batterie unter verschiedenen Ladebedingungen auftritt. Diese Belastung ist wichtig für die Leistung der Batterie, da sie zu einem Kapazitätsverlust oder in extremen Situationen zu einem vollständigen Ausfall der Batterie führen kann.

Lernen Sie die wichtigsten Merkmale von Kraftaufnehmern kennen für die mechanische Prüfung von Batterien.

Grundlegende Konstruktion des Prüfstands für die Messung von Kräften bei der Prüfung von Zellengehäusen

Elektrische Qualifizierung und Verifizierung unter dynamischen Lastbedingungen

Die Qualifizierung und Verifizierung dieser Systeme ist unerlässlich, bevor die Antriebsbatterie auf den Markt gebracht werden kann. Ein geeigneter Prüfstand muss einen hohen Spannungs- und Strombereich sowie eine hohe Dynamik abdecken und sollte in der Lage sein, die erforderlichen Tests möglichst realistisch und anwendungsorientiert durchzuführen. Zu diesem Zweck muss die Messtechnik hochgenau und dynamisch sein.

Wie dies erreicht werden kann und wie die HBK-Ausrüstung dabei helfen kann, können Sie hier herausfinden.

Beispiele für CC/CV-Lademessungen mit HBM-Messkette

Wärmemanagement der Batterie

Batterien sind die Grundlage und die größte Einzelkomponente eines modernen batteriebetriebenen Elektrofahrzeugs (BEV) oder eines neuen Elektrofahrzeugs (NEV). Es geht darum, die optimalen Schlüsselparameter der gesamten Baugruppe zu finden und zu verifizieren.

Die begrenzte Leistung von Lithium-Ionen-Batterien bei extremen Temperaturen führt zu einer hohen Komplexität der Wärmemanagementsysteme mit unterstützenden Hilfsaggregaten und Luftkühlungspfaden. Zu hohe Temperaturen können zur Selbstzerstörung und sogar zum Brand führen (thermisches Durchgehen). Ausführliche Tests und insbesondere die thermische Validierung sind daher für den gesamten Testaufbau unerlässlich.

Die Betriebssicherheit ist eine der wichtigsten Anforderungen. Die Erwartungen an die Lebensdauer reichen von einem Minimum von 10 Jahren, 450.000 Kilometern oder einer angestrebten Ladezeit von fünf Minuten für Superladegeräte. Die Wiederverwendung von Batterien und die zweite Lebensdauer sind ebenfalls wichtige Aspekte.

Das thermische Management der Batterielebensdauer ist entscheidend für Parameter wie Geschwindigkeitsleistung, Sicherheit, Kosten und viele andere. Die thermische Analyse erfordert daher zahlreiche Temperaturmessstellen mit höchsten Anforderungen: kleine Messstellen, maximale Sicherheit mit doppelt isolierten Messleitungen, elektrisch isolierte Kanäle...

Thermische Analyse von Hochspannungsbatterien

Die thermische Computersimulation mit CFD-Modellen (Computational Fluid Dynamics) ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einem optimalen Systemdesign. Es ist jedoch nach wie vor notwendig, physikalische Tests durchzuführen, da die Simulation nicht alle Architekturen, Integrationsaspekte oder Parameter abdecken kann.

Bei Tests in Klimakammern gewinnen wir wichtige Informationen über die Leistung der Batterien. Durch routinemäßige Tests der Umgebung und der Leistung können wir die Auswirkungen extremer Temperaturen untersuchen. Wir können herausfinden, welche Kühlsysteme am besten geeignet sind, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen. Wir können Tests auf verschiedenen Integrationsebenen durchführen, von der Prüfung einzelner Komponenten bis hin zum gesamten Antriebsstrang. Auf diese Weise können wir das gesamte System und die Temperaturkontrolle optimieren, bevor die Massenproduktion beginnt.

Langjähriger Experte für thermische Prüfungen

HBK entwickelt und bietet seit Jahren die notwendigen Komponenten für Messketten zur thermischen Validierung an. Diese Lösungen umfassen elektrische, optische oder kombinierte - hybride - Messketten.

Auch Verbrennungsmotoren müssen sich mit der Tatsache auseinandersetzen, dass Strom Wärme erzeugt. Mit der Elektrifizierung der Mobilität und der anstehenden Notwendigkeit, auch hier thermische Prüfverfahren zu entwickeln, hat HBK bestehende Verfahren betrachtet und unter neuen Gesichtspunkten weiterentwickelt. Alle Erfahrungen und Erkenntnisse wurden so aufbereitet und angepasst, um ein Spezialist auch für die thermische Prüfung der eMobilität und damit auch für die Batterieprüfung zu werden.

Das HBK-Prüfsystem für thermische Energiespeicher misst Parameter wie Spannung, Strom, Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Kühlfluss, Druck und Batterierufkontrollsystem. Es werden Leistungsberechnungen, Effizienz, Hot-Spot-Tracking, Visualisierung und Analyse durchgeführt. Die Automatisierung befasst sich mit der Teststeuerung und Sicherheit.

Die Datenerfassungs- und Analyselösung von HBK bietet Thermoelementmessungen für den äußeren Teil des elektrischen Antriebsstrangs und für eingehende Batterieuntersuchungen, einschließlich Zellspannung, Gesamtspannung und Strommessungen. Universelle Eingänge decken Durchfluss, Druck, Feuchtigkeit und andere erforderliche Parameter ab.

HBK ist ein kostengünstiger Anbieter von umfassenden Lösungen für die thermische, mechanische und elektrische Analyse von Prüfkörpern.

HBK-Batterietestlösung:

Nutzen Sie die Vorteile der HBK-Lösung und sichern Sie sich maximale Flexibilität und Investitionssicherheit:

  • Sicherheit geht vor - HBK erfüllt die Norm EN61010 für elektrische Sicherheit
  • Frei skalierbare und flexible Multiphysik-DAQ-Systeme für viele verschiedene Prüfbereiche: elektrisch, thermisch, mechanisch, ...
  • Vollständige Kanalisolierung bis zu 1500 V DC ermöglicht Hochspannungsmessungen
  • Eingangsbereiche bis zu +/- 1500 V, mit Überspannungsklasse CAT III.
  • Signalqualität resistent gegen elektromagnetisches Rauschen
  • Optionale isolierte Digitalisierer für höhere Isolation und Rauschimmunität
  • Leistungsstarkes, offenes Softwarekonzept von der sofortigen Nutzung bis zur Echtzeit-Integration
  • PC-basierte Datenanalyse und -erfassung parallel zur Echtzeit-Integration in Prüfstände
  • Erfassen Sie Daten am Prüfstand, im Labor und auf mobilen Geräten mit einer einzigen Lösung, die sich Ihren Anforderungen anpasst
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