Messung und Analyse von Batterien für Elektroautos

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
Sicherheitskurzschlusstests und optimierte Ladetests
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?

Bei den heutigen elektrifizierten Antriebsstranglösungen werden alle Aspekte von der Einzelzellenbatterie bis zu den Batteriepaketen durch virtuelle (Simulation) und physische 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)
Strukturelle Integritätstests, beginnend mit mobilen Fahrzeugtests zur Erfassung von Straßenbelastungsdaten (RLDA), Sommer/Heiß-, Winter/Kalttests 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.

Battery Structural Testing

The battery is among the largest and heaviest part of modern electric vehicles. Overall lightweight design and flexible packaging need to be balanced. Optimal weight, structural durability, and overall life-cycle estimation are key parameters that need to be validated before the start of production. HBK is among the leading supplier of seamless measurement chains not only for measurement and physical structural durability testing, but also virtual structural durability testing and lifetime estimation.

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, hoher Ströme und extrem schneller 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.

Prüfung von Pouch-Zellen: Mechanische Prüfung von Batterien

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.

Zum Whitepaper

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 hoch präzise und dynamische Messtechniken.

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

Thermomanagement von Batterien

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 an 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 sowie Rauschunterdrückung.

From Sensors to Qualified Data

Our end-to-end solution helps you validate and optimize HV battery storage – thermally, electrically, and mechanically.

Thermal Analysis of High-voltage Batteries

Computer-based thermal simulation done by Computational Fluid Dynamics (CFD) models serves as an important step towards optimal system design. Real physical testing, however, is still required, as simulation considers not all architectures, integration aspects or parameters.

While battery performance is monitored in climate chambers, important data is gathered. In this environmental and performance test routine, the impact of extreme temperatures can be investigated. It becomes apparent which cooling systems are the best to reach customer use and performance targets. The load case can be scaled and cover all integration levels − from component testing to the entire drivetrain − to optimize the entire system and thermal management before starting production and series.

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
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
Eingangsbereiche bis zu +/- 1500 V, mit Überspannungsklasse CAT III
Signalqualität unbeeinflusst durch elektromagnetisches Rauschen
Optionale isolierte Digitalisierer für höhere Isolation und Rauschimmunität
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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Warum Messung und Datenanalyse?

Brennstoffzelle

Battery Structural Testing

Kurzschlussprüfung von Batterie-Pyrofuse-Systemen

Prüfung von Pouch-Zellen: Mechanische Prüfung von Batterien

Elektrische Qualifizierung und Überprüfung unter dynamischen Lastbedingungen

Thermomanagement von Batterien

From Sensors to Qualified Data

Thermal Analysis of High-voltage Batteries

Langjähriger Experte für thermische Prüfungen

HBK-Lösungen für die Batterieprüfung: Vorteile

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