Thermische Testmethoden für Anwendungen in der Elektromobilität

Wir scheinen der Vision einer nachhaltigeren Mobilität mit Ökostrom und autonomen, elektrifizierten Fahrzeugen am Boden, aber auch in Wasser und Luft jeden Tag etwas näher zu kommen.

Dazu gehören viele neue Technologien wie Batterien mit hoher Kapazität/hoher Leistung, Brennstoffzellen, Hybride und elektrische Antriebe. Dies erfordert eine neue Art der Prüfung, abhängig von genauen Messungen neuartiger Sensor- und Signaltypen und der Gesamtdatenanalyse für die vielen verschiedenen Antriebslösungen und Kombinationen.

Als Marktführer im Vertrieb von Lösungen für die Prüf- und Messtechnik, Schall- und Schwingungs- sowie Umwelttests erhält HBK perfekte Einblicke in die Anforderungen und Bedürfnisse verschiedener Branchen im Hinblick auf Innovation, Produktfreigaben und Problemlösungen für Fahrzeuge. Als bahnbrechend für moderne Fahrzeug-Setups, vom Verbrennungsmotor bis hin zu Hybriden oder vollelektrischen Fahrzeugen hat sich das Thermomanagement erwiesen.

In der Vergangenheit waren bis zu 300 Temperaturmessstellen sowie hochdynamische Drehmoment-, Drehzahl- und Druckmessungen an einem 6-Zylinder-Verbrennungsmotor und Auspuff erforderlich, während nun die Anzahl der Messkanäle nur noch in Richtung Energiespeicher/Hochleistungsbatterie und zugehörige Aggregate geht. Der elektrische Antrieb wird im Wesentlichen durch einige wenige Kanäle abgedeckt.

Was ist eine thermische Prüfung?

Thermische Prüfungen sind heute weit verbreitet. Die Tests bestehen aus mehreren Phasen. Diese Art der Prüfung umfasst Tests auf Umweltbelastung, Leistungsüberprüfung, Einschalt-Demonstrationen, thermische Hardware-Verifizierung und zahlreiche Tests von der einzelnen Zelle über Stapel bis zu Zellenpaketen.

In heutigen elektrifizierten Antriebslösungen konzentrieren sich Verfahren der thermischen Prüfung auf:

  • Langfristige Zuverlässigkeitsprüfung der Batterie mit Schwerpunkt auf Lade/Entladezyklen (langsam, schnell), Selbstentladung
  • Dynamometerprüfung mit Schwerpunkt auf Leistung, Wirkungsgrad, Wirkrichtungsumkehr
  • Umweltprüfung in Klimakammern (Temperatur, Feuchtigkeit, Druck, … Kombischwingerreger) auf Basis eines spezifischen Anwendungsfall-orientierten Testprofils
  • Fehlgebrauchs- und Stoßprüfung (Überlast, Kurzschluss, Überhitzung, mechanische Beanspruchung, Defekt)
  • Tests im Fahrzeug, Sommer/Hitze, Winter/Kälte mit Transienten

Thermische Prüfverfahren erhöhen das Vertrauen in die Konstruktion, sorgen für einen erfolgreichen Betrieb und damit für Thermomanagement unter allen Bedingungen und sind Nachweis für Robustheit und thermische Beständigkeit. Sie überprüfen, ob die Leistung innerhalb der Spezifikationen liegt, messen kritische Parameter und ermöglichen die Bestätigung von Annahmen zur thermischen Modellierung.

Obwohl die thermische Prüfung ein etabliertes Prüfverfahren ist, muss sie sich mit anstehenden Herausforderungen und neuen Anforderungen auseinandersetzen, aber auch mit dem Workflow – elektrische Sicherheit, flexible tägliche Erweiterungen, neue Sensor- und Signaltypen und höhere Dynamik.

Thermomanagement von Batterien

Wie bereits erwähnt, ergeben sich mit neuen Entwicklungen auch neue Herausforderungen. Die schlechte Leistung von Lithium-Ionen-Batterien bei extremen Temperaturen treibt die Komplexität von Systemen für das Thermomanagement mit den unterstützenden Hilfsaggregaten und Luftkühlwegen. Daher sind auch umfangreiche Tests und insbesondere die thermische Validierung in diesem Gesamtzusammenhang von entscheidender Bedeutung.

Die Prüfung von Batterien auf langfristige Zuverlässigkeit deckt viele Disziplinen ab: Mechanik sowie Elektrik inklusive Verkabelung und Elektronik/Software in allen Anwendungsfällen für die berechnete Lebensdauer. Ein Test untersucht Lade- und Entladezyklen – langsam oder schnell – und Selbstentladung. Da Batterien oft den Kern des elektrifizierten Antriebsstrangs bilden, ist die Verbesserung von Leistung und Lebensdauer eine dringende und wichtige Notwendigkeit.

Die wichtigsten Anforderungen sind die Betriebssicherheit, eine nachhaltige Produktion und der Kostenfaktor. Die Erwartungen hinsichtlich der Lebensdauer variieren von mindestens 10 Jahren, 450.000 Kilometern bis hin zu einer Zielzeit für das Laden zu Hause von etwa 5 Stunden. Auch die Wiederverwendung von Batterien und ihr „zweites Leben“ – natürlich auch hinsichtlich der Leistung – ist ein wichtiges Thema.

Das Thermomanagement über die Akkulaufzeit ist entscheidend für Faktoren wie Geschwindigkeitsleistung, Sicherheit, Preise und vieles mehr. Die thermische Belastung wird daher an zahlreichen Temperaturmessstellen getestet und dabei immer versucht, hochgenaue Ergebnisse zu erzielen, um die bestmögliche Leistung hinsichtlich aller geforderten Faktoren zu berechnen.

Thermische Prüfung von Batterien

Die besten Bedingungen zu bestimmen, ist nicht ganz einfach: die Batterien müssen warm aber gleichzeitig auch kalt genug sein, um Funktionsfähigkeit und Sicherheit zu gewährleisten und über die Lebensdauer eines Fahrzeugs Bestand zu haben. Wenn es zu heiß oder die Umgebung zu kalt wird, kommt es zum Funktionalitätsverlust oder die Batterie selbst wird beschädigt.

Die thermische Simulation kann in einem nur per Computer simulierten System oder Umfeld durchgeführt werden, was jedoch nicht alle Architekturen abdecken kann. Daher ist die Einbeziehung eines realen physischen Systems oder Prüflings in einer echten Testumgebung weiterhin erforderlich.

Bei der Überwachung der Batterieleistung in Klimakammern werden wichtige Daten gesammelt. In dieser Umwelt- und Leistungstestroutine können die Auswirkungen extremer Temperaturen aufgedeckt werden. Es wird sichtbar, welche Kühlsysteme zur Erreichung der Kundennutzungs- und Leistungsziele am besten geeignet sind. Der thermische Komfort und das Zusammenspiel der Batterie mit dem gesamten E-System werden erforscht und so das gesamte Thermomanagement verbessert.

Langjähriger Experte für die thermische Prüfung

Seit Jahren entwickelt und vertreibt HBK die für Messketten für die thermische 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 in 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 und 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 die Batterie wie z.B. von Zellspannungen, Gesamtspannung und Strommessung. Universaleingänge decken den allgemeinen Durchfluss, Druck, Feuchtigkeit und andere erforderliche Parameter ab.

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

Lösungen für thermische Prüfungen: Sicherheitsaspekte

Die wichtigste Anforderung und daher ein sehr wichtiger Vorteil der HBK-Lösung ist die Gewährleistung maximaler Sicherheit:

  • HBK erfüllt die elektrische Sicherheitsnorm EN 61010 mit VDE-Zertifizierung für alle Eingänge
  • Zusätzliche Sicherheit bietet die Tatsache, dass es sich um eine nicht-elektrische Lösung handelt
  • Elektromagnetische Störfestigkeit und vollständige Isolierung
  • Skalierbares, flexibles Multiphysik-Datenerfassungssystem zur zeitsynchronen Messung aller Signale
  • Leistungsstarke Software bietet Online-Datenvisualisierung in jeder Art von Kurvendarstellung
  • Automatische Verfahren (z. B. Stimulation) sorgen für Reproduzierbarkeit der Ergebnisse und kurze Verarbeitungszeiten
  • Echtzeitintegration dank parallelen Kommunikationsprotokollen für hohe Datenraten
  • Die Erfassung und Prüfung von Prüfstands-, Labor- und mobilen Daten wird durch eine einzige Lösung abgedeckt, die Skalierbarkeit auf Ihre Anforderungen bietet

 


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