Trend ochrany klimatu pomocí „udržitelných řešení“, která snižují emise CO2, pohání technologie, jako jsou vysokokapacitní/vysokoenergetické baterie nebo palivové články na bázi H2 jako hlavní zdroje mobilní energie. Odklon od spalovacích motorů vyžaduje také nový způsob myšlení v rámci testování a měření, včetně nových bezpečnostních koncepcí, nových testovacích prostředí, nových typů senzorů a měřicích technologií a přizpůsobené analýzy dat.
Nové technologie pohonu – nové požadavky na testování
Při hledání udržitelné, ekologické mobility začala společnost HBK brzy čelit výzvám v oblasti vývoje a testování mobilních zásobníků energie pro vozidla. Jako lídr na trhu v oblasti testování a měření, testování elektrického výkonu, zvuku a vibrací a testování vlivu prostředí získala společnost HBK včasné poznatky o mnoha požadavcích a potřebách průmyslových odvětví, jako jsou automobilový průmysl a vývoj užitkových vozidel, pokud jde o ověřování inovativních konceptů ukládání energie a celkových konceptů NEV.
Baterie s napětím až 1000 V v moderních vozidlech vyžadují obrovský rozsah zkoušek, rozšířený o speciální bezpečnostní opatření při manipulaci s nebezpečným elektrickým napětím a lithiem jako základními prvky elektrochemického procesu. V rámci rozsahu zkoušek pokrývá HBK většinu měřených veličin:
- Elektrické napětí, proud a výkon pro analýzu účinnosti a výkonu celého pohonného ústrojí.
- Bezpečnostní zkratové testy a optimalizované nabíjecí testy.
- Sílu, tah, tlak a hmotnost pro analýzu mechanické odolnosti.
- Teplota, průtok a tlak pro analýzu tepelné odolnosti.
Testování spalovacích motorů zahrnuje až 300 míst pro měření teploty a vysoce dynamická měření točivého momentu, otáček a tlaku. S integrací baterií a palivových článků se počet měřicích kanálů posouvá směrem k zásobníku energie jako největší součásti moderního hnacího ústrojí.
Proč měření a analýza dat?
V dnešních řešeních elektrifikovaných pohonných jednotek jsou všechny aspekty od jednočlánkových baterií až po bateriové sady pokryty virtuálním (simulačním) a fyzickým testováním s následujícím typickým rozsahem:
- Dlouhodobé testování spolehlivosti baterií se zaměřením na cykly vybíjení/nabíjení (pomalé, rychlé), samovybíjení včetně měření napětí a teplot jednotlivých článků a celkovou analýzu výkonu.
- Dynamické testování se zaměřením na výkon, účinnost a zpětnou vazbu při rekuperaci.
- Testování vlivu prostředí, při kterém se na vibračních systémech LDS provádějí mechanické profily zatížení orientované na konkrétní případy použití, v kombinaci s cyklickým zvyšováním a snižováním teploty v klimatické komoře.
- Testování nesprávného použití a nárazové testování (přetížení, zkrat, přehřátí, mechanické namáhání, závada).
- Zkoušky strukturální integrity, počínaje zkouškami mobilních vozidel pro sběr dat v zatížení na silnici (RLDA), letní/horké, zimní/chladné zkoušky s přechodnými jevy.
Testování konstrukce baterií
Baterie patří k největším a nejtěžším součástem moderních elektromobilů. Je třeba vyvážit celkově lehkou konstrukci a flexibilní obal baterie. Optimální hmotnost, strukturální odolnost a celkový odhad životního cyklu jsou klíčové parametry, které je třeba ověřit před zahájením výroby. Společnost HBK patří mezi přední dodavatele kompletních měřicích řetězců nejen pro měření a fyzické zkoušky strukturální odolnosti, ale také pro virtuální zkoušky strukturální odolnosti a odhad životnosti.
Zkouška zkratu bateriové pyro-fuse
Kvalifikace jističů a pyrofuse trakčních baterií s vysokým výkonem vyžaduje schopnost měřit proudy v rozsahu několika kiloampérů s extrémně vysokou vzorkovací frekvencí pro zachycení špičkového proudu. Vyžaduje také schopnost měřit proudy v řádu několika ampérů přesně a s vysokou dynamikou. A vzhledem k vysokému napětí, vysokým proudům a extrémně rychlým dynamickým dějům klade vysoké nároky na použitý DAQ systém s ohledem na odolnost proti EMI, ochranu proti přepětí a izolaci. Jedním ze způsobů, jak provádět zkratové testy, je použití nelineárních proudových snímačů a vysokorychlostních záznamníků dat Genesis.
Testování pouzder článků: Mechanické testování baterií
Snímače síly vám pomohou pochopit, jak rychle se snižuje kapacita baterie, protože je lze použít k vyhodnocení namáhání článků baterie během cyklů nabíjení/vybíjení.
Při takzvaném testu pouzder článků měří snímač síly mechanické pnutí, ke kterému dochází uvnitř baterie za různých podmínek nabíjení. Toto namáhání má význam pro výkonnost baterie, protože může vést k úbytku kapacity nebo v extrémních situacích k úplnému selhání baterie.
Seznamte se s nejdůležitějšími vlastnostmi snímačů síly pro mechanické testování baterií.
Elektrická kvalifikace a ověření v podmínkách dynamického zatížení
Před uvedením trakční baterie na trh je nevyhnutelná kvalifikace a ověření těchto systémů. Vhodná zkušební stolice musí pokrývat vysoký napěťový a proudový rozsah i vysokou dynamiku a měla by být schopna provádět potřebné zkoušky co nejrealističtěji a aplikačně orientovaným způsobem. Za tímto účelem musí být měřicí techniky vysoce přesné a dynamické.
Jak toho lze dosáhnout a jak zde může pomoci vybavení HBK, se dozvíte zde.
Tepelné řízení baterie
Baterie jsou základem a největší jednotlivou součástí moderního elektromobilu poháněného bateriemi (BEV) nebo nového elektromobilu (NEV). Jde o nalezení a ověření optimálních klíčových parametrů celé sestavy.
Omezený výkon lithium-iontových baterií při extrémních teplotách je hnací silou složitosti systémů tepelného managementu s podpůrnými pomocnými agregáty a cestami vzduchového chlazení. Příliš vysoké teploty mohou vést k sebedestrukci a dokonce k požáru (thermal runaway). Rozsáhlé testování a zejména tepelná validace, jsou proto v celkovém testovacím uspořádání zásadní.
Provozní bezpečnost je jedním z nejdůležitějších požadavků. Očekávání týkající se životnosti se pohybují od nejméně 10 let, 450 000 kilometrů nebo cílové doby dobíjení pět minut u super nabíječek. Důležitým tématem je také opakované použití baterií a druhá životnost.
Tepelné řízení životnosti baterií je klíčové pro parametry, jako je rychlostní výkon, bezpečnost, cena a mnoho dalších. Tepelná analýza proto vyžaduje četná místa měření teploty s nejvyššími nároky: malá měřicí místa, maximální bezpečnost pomocí dvojitě izolovaného snímacího vedení, elektricky izolované kanály…
Tepelná analýza vysokonapěťových baterií
Počítačová tepelná simulace pomocí modelů CFD (Computational Fluid Dynamics) je důležitým krokem k optimálnímu návrhu systému. Je však stále nezbytné provádět fyzické testování, protože simulace nedokáže zahrnout všechny architektury, integrační aspekty ani parametry.
Během testování v klimatických komorách získáváme důležité informace o výkonu baterií. Tímto rutinním testováním prostředí a výkonu můžeme zkoumat vliv extrémních teplot. Zjistíme, které chladicí systémy jsou nejlepší pro dosažení požadovaných výsledků. Testování můžeme provést na různých úrovních integrace, od testování jednotlivých komponent až po celé hnací ústrojí. Tímto způsobem můžeme optimalizovat celý systém a řízení teploty před zahájením sériové výroby.
Dlouholetý odborník na tepelné zkoušky
Společnost HBK již léta vyvíjí a nabízí potřebné komponenty pro měřicí řetězce pro tepelnou validaci. Tato řešení pokrývají elektrické, optické nebo kombinované – hybridní – měřicí řetězce.
Již spalovací motory se musí vypořádat se skutečností, že výkon generuje teplo. S elektrifikací mobility a nadcházející potřebou vyvíjet metody tepelného testování i zde se společnost HBK podívala na stávající postupy a zdokonalila je z nového pohledu. Všechny zkušenosti a poznatky tak byly zpracovány a přizpůsobeny tak, aby se stala specialistou také na tepelné zkoušky eMobility a v rámci toho na zkoušky baterií.
Systém HBK pro tepelné testování úložišť energie měří parametry včetně napětí, proudu, teploty, vlhkosti, průtoku chlazení, tlaku a systému řízení hovorů s baterií. Provádějí se výpočty výkonu, účinnosti, sledování horkých míst, vizualizace a analýzy. Automatizace se zabývá řízením a bezpečností testů.
Řešení HBK pro sběr a analýzu dat poskytuje měření termočlánků pro vnější část elektrického hnacího ústrojí a pro zkoumání v hloubce baterie, včetně napětí článků, celkového napětí a měření proudu. Univerzální vstupy pokrývají univerzální průtok, tlak, vlhkost a další požadované parametry.
Společnost HBK je cenově výhodným poskytovatelem komplexního řešení pro tepelnou, mechanickou a elektrickou analýzu zkušebních vzorků.
Řešení pro testování baterií HBK:
Využijte řešení HBK a zajistěte si maximální flexibilitu a ochranu investic:
- Bezpečnost na prvním místě – HBK splňuje normu EN61010 pro elektrickou bezpečnost
- Volně škálovatelné a flexibilní multifyzikální DAQ systémy pro mnoho různých oblastí testování: elektrické, tepelné, mechanické, …
- Plná izolace kanálů až do 1500 V DC umožňuje měření na vysokém potenciálu
- Vstupní rozsahy až do +/- 1500 V, s třídou přepětí CAT III.
- Kvalita signálu odolná proti elektromagnetickému šumu
- Volitelné izolované digitizéry pro vyšší izolaci a odolnost proti šumu
- Výkonná koncepce otevřeného softwaru od připraveného k použití až po integrovaný v reálném čase
- Analýza a sběr dat na PC souběžně s integrací do zkušebních stanovišť v reálném čase
- Snímání dat na pracovním stole, v laboratoři a v mobilních zařízeních v rámci jediného řešení, které lze škálovat podle Vašich potřeb
