Messung und Analyse von Batterien für die Elektromobilität

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 mobilen Lastdatenermittlung (RLDA), Sommer-/Hitze-, Winter-/Kältetests mit Transienten

Kurzschlussprüfung von Batterie-Pyrofuse-Systemen

Die Qualifizierung der Leistungsschalter und pyrotechnischen Batterie-Trennsysteme (auch "Pyrofuse" genannt) von Hochleistungs-Traktionsbatterien setzt voraus, dass zur Erfassung des Spitzenstroms Ströme im Bereich von wenigen Kiloampere mit extrem hoher Abtastrate gemessen werden können. Darüber hinaus muss die Möglichkeit bestehen, Ströme von wenigen Ampere genau und mit hoher Dynamik zu messen. Und aufgrund der hohen Spannung, hohen Ströme und extrem schnellen Anstiegszeiten werden an das verwendete Datenerfassungssystem hohe Anforderungen im Hinblick auf Unempfindlichkeit gegen Störaussendung (EMI), Überspannungsschutz und Isolation gestellt. Eine Möglichkeit zur Durchführung von Kurzschlusstests ist die Verwendung von nichtlinearen Stromsensoren und Datenrekordern vom Typ Genesis HighSpeed. 

Kraftaufnehmer können Ihnen helfen zu erkennen, wie schnell eine Batterie an Kapazität verliert, da sie zur Bewertung der Beanspruchung der Batteriezellen während Lade-/Entladezyklen eingesetzt werden können.

Im so genannten Pouch-Zellen-Test misst ein Kraftsensor die beim Laden unter verschiedenen Bedingungen im Inneren der Batterie auftretende Beanspruchung. Diese Beanspruchung ist maßgeblich für die Leistung der Batterie, da sie zu Kapazitätsverlust oder in extremen Situationen zum vollständigen Ausfall der Batterie führen kann.

Erfahren Sie mehr über die wichtigsten Eigenschaften des Kraftsensors für die mechanische Prüfung von Batterien. Das Whitepaper beschreibt außerdem eine einfache Möglichkeit zur Abschätzung der Messunsicherheit bei der Prüfung von Pouch-Zellen.

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Elektrische Qualifizierung und Überprüfung unter dynamischen Lastbedingungen

Die Qualifizierung und Verifizierung einer Traktionsbatterie ist eine unerlässliche Voraussetzung, bevor solche Systeme auf den Markt gebracht werden. Ein geeigneter Prüfstand muss einen großen Spannungs- und Strombereich und eine hohe Dynamik abdecken und sollte darüber hinaus die erforderlichen Prüfungen so realitätsnah und anwendungsorientiert wie möglich durchführen können. Dies erfordert hochpräzise und dynamische Messtechniken.

Wie dies erreicht werden kann und wie HBK-Geräte hier helfen können, erfahren Sie hier.

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 hohen 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.