Messung und Analyse von Batterien für die Elektromobilität

Jeden Tag scheinen wir der Vision einer nachhaltigeren Mobilität mit Ökostrom und elektrifizierten Fahrzeugen am Boden (NEV, BEV), aber auch in Wasser und Luft, näher zu kommen.

Der Megatrend zum Schutz des Klimas durch den Einsatz „nachhaltiger Lösungen“ zur Reduzierung der CO2-Emissionen treibt Technologien wie Batterien mit hoher Kapazität/hoher Leistung oder H2-basierte Brennstoffzellen und Batterien als Hauptquellen für mobile Energie an. Die Abkehr von Verbrennungsmotoren erfordert auch eine neue Denkweise bei Tests und Messungen, einschließlich neuer Sicherheitskonzepte, neuer Testumgebungen, neuer Arten von Sensoren und Messtechnologien sowie verbesserter Datenanalyse.

Neue Antriebstechnologien - Neue Testanforderungen

Auf der Suche nach nachhaltiger, grüner Mobilität stand HBK schon früh vor Herausforderungen hinsichtlich der Entwicklung und Prüfung mobiler Energiespeicher für Fahrzeuge. Als Marktführer in den Bereichen Test und Messung, Schall- und Schwingungsprüfung sowie Umwelttests hat HBK frühzeitig Einblicke in die zahlreichen Anforderungen und Bedürfnisse von Branchen wie Automobil- und Nutzfahrzeuge im Hinblick auf die Validierung innovativer Energiespeicher und allgemeiner NEV-Konzepte erhalten.

Hochvolt-Batterien (HVB) in modernen Fahrzeugen erfordern eine enorme Bandbreite von Tests, die durch spezielle Sicherheitsmaßnahmen beim Umgang mit gefährlichen elektrischen Spannungen und Lithium als Kernelemente des elektrochemischen Prozesses erweitert werden. Im Rahmen der Tests deckt HBK die meisten Messgrößen ab:

  • Elektrische Spannung und Strom zur Leistungs- und Wirkungsgradanalyse
  • Kraft, Dehnung, Druck und Gewicht zur Analyse der mechanischen Betriebsfestigkeit und des Packaging (Platznutzungskonzept)
  • Temperatur, Durchfluss und Druck zur Analyse der thermischen Beständigkeit

Die Prüfung von Verbrennungsmotoren umfasst bis zu 300 Temperaturmessstellen sowie hochdynamische Messungen von Drehmoment, Drehzahl und Druck. Mit der Integration von Batterien und Brennstoffzellen bewegt sich die Anzahl der Messkanäle hin zum Energiespeicher als größte Komponente in einem modernen Antriebsstrang.

Warum Messung und Datenanalyse?

In heutigen Lösungen für elektrifizierte Antriebsstränge wird die thermische Analyse von Hochvolt-Batterien (HVB) durch Simulationen und physikalische Tests mit dem folgenden typischen Umfang abgedeckt:

  • Langzeitprüfung der Batteriezuverlässigkeit mit Schwerpunkt auf Entlade-/Ladezyklen (langsam, schnell), Selbstentladung einschließlich Messung der Spannungen und Temperaturen einzelner Zellen sowie Gesamtleistungsanalyse
  • Dynamometerprüfung mit Schwerpunkt auf Leistung, Wirkungsgrad, Wirkrichtungsumkehr
  • Umwelttests mit spezifischen, am Anwendungsfall orientierten mechanischen Lastprofilen auf Shakern bei schwankenden Temperaturen in einer Klimakammer
  • Fehlgebrauchs- und Stoßprüfung (Überlast, Kurzschluss, Überhitzung, mechanische Beanspruchung, Defekt)
  • Prüfung von Fahrzeugen auf der Straße zur mobile Lastdatenermittlung (RLDA), Sommer-/Hitze-, Winter-/Kältetests mit Transienten

Brennstoffzelle

Die Prüf- und Messtechniklösungen von HBK werden in Zusammenarbeit mit wichtigen Kunden im Bereich Elektrofahrzeuge mit Brennstoffzellen (FCEV) eingesetzt, mit dem Ziel der Durchführung von Messungen an Brennstoffzellen-Stacks, Reformern (Wärmetauschern, Katalysatoren) und anderen Systemkomponenten wie Pumpen sowie Batterien zur Energiespeicherung während der Rekuperation.

Strukturprüfung von Batterien

Die Batterie gehört zu den größten und schwersten Teilen moderner Elektrofahrzeuge. Leichtbauweise und flexibles Packaging müssen insgesamt miteinander in Einklang gebracht werden. Das optimale Gewicht, Strukturfestigkeit und die Abschätzung der Gesamtlebensdauer sind wichtige Parameter, die vor Produktionsbeginn validiert werden müssen. HBK gehört zu den führenden Anbietern von nahtlos ineinandergreifenden Messketten, nicht nur für Messungen und physikalische Strukturfestigkeitsprüfungen, sondern auch für virtuelle Strukturfestigkeitstests und Lebensdauerschätzungen.

Thermomanagement von Batterien

HV-Batterien sind das Herzstück und die größte Einzelkomponente eines modernen, batteriebetriebenen Elektrofahrzeugs (BEV) oder eines Fahrzeugs mit alternativer Antriebstechnik (NEV). Dabei geht es darum, die optimalen Schlüsselparameter für den Gesamtaufbau zu finden und zu validieren.

Die begrenzte Leistung von Lithium-Ionen-Batterien bei extremen Temperaturen erhöht die Komplexität von Thermomanagementsystemen mit den unterstützenden Hilfsaggregaten und Luftkühlungspfaden. Zu hohe Temperaturen können zur Selbstzerstörung und sogar zum Brand führen (thermisches Durchgehen). Umfangreiche Tests und insbesondere die thermische Validierung sind daher für den gesamten Testaufbau von entscheidender Bedeutung.

Betriebssicherheit ist eine der wichtigsten Anforderungen. Die Erwartungen hinsichtlich der Lebensdauer variieren von mindestens 10 Jahren, 450.000 Kilometern oder einer Zielzeit für das Wiederaufladen mit Schnellladestationen von fünf Minuten. Auch die Wiederverwendung von Batterien und ihr „Second Life“ ist ein wichtiges Thema.

Das Thermomanagement über die Akkulebensdauer ist entscheidend für Schlüsselparameter wie Geschwindigkeitsleistung, Sicherheit, Preise und vieles mehr. Die thermische Analyse erfordert daher zahlreiche Temperaturmessstellen, die höchste Anforderungen erfüllen müssen: kleine Messstellen, maximale Sicherheit durch doppelt isolierte Fühlerleitung, elektrisch isolierte Kanäle, berührungslose Stecker, neben den typischerweise verwendeten mit höchster Signalgenauigkeit und Rauschunterdrückung.

Von Sensoren zu qualifizierten Daten

Unsere End-to-End-Lösung hilft Ihnen bei der Validierung und Optimierung der HV-Batteriespeicherung - thermisch, elektrisch und mechanisch.

Thermische Analyse von Hochvolt-Batterien

Die computergestützte thermische Simulation mit CFD-Modellen (Computational Fluid Dynamics) ist ein wichtiger Schritt in Richtung eines optimalen Systemdesigns. Es sind jedoch noch immer echte physikalische Tests erforderlich, da bei der Simulation nicht alle Architekturen, Integrationsaspekte oder Parameter berücksichtigt werden.

Bei der Überwachung der Batterieleistung in Klimakammern werden wichtige Daten gesammelt. In dieser Umwelt- und Leistungstestroutine können die Auswirkungen extremer Temperaturen untersucht werden. Es wird sichtbar, welche Kühlsysteme zur Erreichung der Kundennutzungs- und Leistungsziele am besten geeignet sind. Der Lastfall kann skaliert werden und alle Integrationsebenen abdecken - vom Bauteiltest bis zum gesamten Antriebsstrang -, um das gesamte System und das Thermomanagement vor Produktions- und Serienbeginn zu optimieren.

Langjähriger Experte für thermische Prüfungen

Seit Jahren entwickelt und vertreibt HBK die für Messketten zur thermischen Validierung erforderlichen Komponenten. Diese Lösungen werden durch elektrische, optische oder kombinierte - hybride - Messketten abgedeckt.

Bereits Verbrennungsmotoren müssen damit umgehen, dass Strom Wärme erzeugt. Mit der Elektrifizierung der Mobilität und der aufkommenden Notwendigkeit, auch hier thermische Prüfverfahren zu entwickeln, hat HBK bestehende Prozesse betrachtet und aus einer neuen Perspektive verfeinert. So wurden alle Erfahrungen und Kenntnisse aufbereitet und angepasst, um auch zum Spezialisten für thermische Prüfungen im Bereich der Elektromobilität und innerhalb dieses Feldes für die Batterieprüfung zu werden.

Das HBK-System für die thermische Prüfung von Energiespeichern misst Parameter wie Spannung, Strom, Temperatur, Feuchte, Kühlstrom, Druck und verfügt über ein Talk-to-Battery-Management-System, mit dem man über ein digitales Protokoll mit der Elektronik des Batteriesystems kommunizieren kann. Es werden Berechnungen zu Leistung, Wirkungsgrad, Hot-Spot-Überwachung, Visualisierung und Analyse durchgeführt. Automatisierung befasst sich mit Teststeuerung und Sicherheit.

Eine HBK-Lösung für die Datenerfassung und -auswertung bietet Thermoelementmessungen für das Äußere des elektrischen Antriebsstrangs und für Untersuchungen tief im Inneren der Batterie wie z.B. Die Messung von Zellspannungen, Gesamtspannung und Strömen. Universaleingänge decken den allgemeinen Durchfluss, Druck, Feuchtigkeit und andere erforderliche Parameter ab.

HBK bietet Ihnen kostengünstig, aus einer Hand, alles, was Sie für die thermische, mechanische und elektrische Prüfmusteranalyse benötigen.

HBK-Lösungen für die Batterieprüfung: Vorteile

Profitieren Sie von HBK-Lösungen und sorgen Sie für maximale Flexibilität und Investitionsschutz:

  • Sicherheit geht vor - HBK erfüllt die elektrische Sicherheitsnorm EN61010 mit VDE-Zertifizierung für alle Eingänge
  • Frei skalierbares und flexibles Multi-Physik-Datenerfassungssystem für viele verschiedene Testbereiche: elektrisch, thermisch, mechanisch, ...
  • Die vollständige Kanalisolation bis 1500 V DC ermöglicht Messungen auf hohem Potential
  • Signalqualität unbeeinflusst durch elektromagnetisches Rauschen
  • Leistungsstarkes, offenes Softwarekonzept von gebrauchsfertig bis in Echtzeit integriert
  • Datenanalyse und -erfassung auf dem PC parallel zur Echtzeitintegration in die Prüfstände
  • Die Erfassung von Prüfstands-, Labor- und mobilen Daten wird durch eine einzige Lösung abgedeckt, die gemäß Ihren Anforderungen skalierbar ist

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