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CSM HV DTemp Messsystem

Hochvolt-sicheres digitales Temperatur-Messsystem für die Entwicklung von Hochvolt-Batterien

Patent pending

Hochvolt-Batterien sind für Elektrofahrzeuge als Energiequelle von zentraler Bedeutung. Sie müssen bezüglich ihres Temperaturverhaltens eingehend untersucht und Temperaturmodelle müssen verifiziert werden. Das neue HV DTemp Messsystem ermöglicht Temperaturmessungen innerhalb von Hochvolt-Batterien in völlig neuem Ausmaß.

Temperaturmessung an einer Hochvolt-Batterie mit dem CSM HV DTemp Messsystem
Temperaturmessung in einer Hochvolt-Batterie mit dem CSM HV DTemp Messsystem.

Charakterisierung von Hochvolt-Batterien und Verifizierung von Temperaturmodellen

Temperaturmessungen bei der Entwicklung von Hochvolt-Batterien stellen besondere Anforderungen an die benötigte Anzahl der Temperatursensoren, deren genaue Positionierung und die Messgenauigkeit. Mit bislang genutzten Lösungen stößt man hier schnell an die Grenzen des Machbaren.

Zur Charakterisierung von HV-Batterien gehört die gezielte Untersuchung des thermischen Verhaltens der einzelnen Batteriezellen und des gesamten Batterieaufbaus. Zur Verifikation des Temperaturverhaltens eines Hochvolt-Batterie-Prototyps sind deshalb präzise Temperaturmessungen beim Betrieb der HV-Batterie an mehreren Stellen zwischen verpressten Batteriezellen notwendig, um das Temperaturprofil auf Zellebene zu vermessen. Auch sind unterschiedliche Messpunkte zwischen den einzelnen Batteriezellen vorzusehen, um Hot- und Cold-Spots zu erkennen, die durch die Konstruktionsgeometrie, mechanische Belastung oder das Kühlsystem verursacht werden können.

Die genaue Kenntnis der Temperaturverteilung und der Thermodynamik bis auf die Zellebene erlaubt die Validierung von Simulationsmodellen und die Optimierung von Batteriesystemen.

Das möglichst wirklichkeitsnahe Temperaturmodell einer HV-Batterie ist für Serienfahrzeuge und Ladesysteme in vielen Prozessen notwendig, um die entsprechenden Vorgänge während des Fahrzeugbetriebs zu steuern (Berechnung des Ladevorgangs oder der Kühlleistung). Wie präzise das Temperaturmodell die HV-Batterie beschreibt, wird durch eine möglichst genaue Verifizierung festgestellt.

Anforderungen an die Temperaturmessung in Hochvolt-Batterien
  • Synchrone Erfassung von bis zu mehreren hundert Messstellen innerhalb und außerhalb der Hochvolt-Batterie, auch zwischen Batteriezellen
  • Planbare, flexible und reproduzierbare Anordnung der Messpunkte
  • Sehr dünne Temperatursensoren und Sensorleitungen für eine Platzierung zwischen den Batteriezellen
  • Geringe Beeinträchtigung des Verhaltens des Batteriegehäuses durch die Zuleitungen
  • Geringer Platzbedarf des Messsystems
  • Störsichere Datenerfassung und –übertragung mit einer einfachen Erkennbarkeit von Störsignalen und Fehlern
  • Gewährleistung der Hochvolt-Sicherheit
  • Einfache Applikation, Konfiguration und Bedienung

Das HV DTemp Messsystem

Das CSM HV DTemp Messsystem ist für die positionsgenaue, digitale und damit störsichere Erfassung von bis zu 512 Temperaturmessstellen über eine einzige Kabelverbindung zur HV DTemp-P Zentraleinheit entwickelt. Ein DTemp Messsystem besteht aus den drei Komponenten HV DTemp-4 Sensor-Baugruppen, HV DTemp-M64 Controller Modulen und HV DTemp-P Zentraleinheit.

HV DTemp-P Gesamtsystem
HV DTemp Gesamtsystem aus Zentraleinheit, Controller-Modulen und Sensoren.
HV DTemp-4 Sensor-Baugruppen
HV DTemp-4 Sensor-Baugruppen in Einzel- und Gruppenanordnung zwischen Pouch-Zellen.

HV DTemp-4 Sensor-Baugruppen

Bis zu vier IC-Temperatur-Sensoren sind über einen digitalen Bus zu einer HV DTemp-4 Sensor Baugruppe zusammengeschlossen. Die Sensoren sind jeweils einzeln auf einer Flexprint-Trägerfolie angeordnet oder auf einer Folie gemeinsam verbaut. Die Sensorgröße liegt im mm-Bereich (B×T×H: 1,5 mm × 1 mm, × 0,5 mm). Das Flexprint-Design und die Sensorposition können anwendungsabhängig und kundenspezifisch gewählt werden. Die Flexprint-Trägerfolie hat eine Dicke von weniger als 0,8 mm. Durch SMD-Montage der Temperatursensoren auf der Flexprint-Trägerfolie ist die exakte Übertragung der geometrischen Anordnung der Temperaturmessstellen aus der Simulation gewährleistet. Die Flexprint-Trägerfolie ihrerseits hat geometrische Merkmale, die sie leicht mit der Zelle der HV-Batterie in Deckung bringen lässt, wodurch eine einfache und positionsgenaue Montage der Temperaturmessstellen erreicht wird.

HV DTemp-M64 Controller-Module

Die HV DTemp-4 Sensor Baugruppe wird an ein HV DTemp-M64 Controller-Modul angeschlossen. Das HV DTemp-M64 Controller-Modul übernimmt die Adressierung, die Spannungsversorgung der Sensoren und die Weitergabe der Temperaturwerte an die HV DTemp-P Zentraleinheit. Die HV DTemp-M64 Controller-Module sind sehr klein (B×T×H: 48 mm × 87 mm, × 0,75 mm) und können somit platzsparend innerhalb der HV-Batterie verbaut werden. Sie bieten Anschlüsse für bis zu 16 HV DTemp-4 Sensor-Baugruppen, d. h. für bis zu 64 IC-Temperatur-Sensoren. Bis zu 8 HV DTemp-M64 Controller-Module sind einfach kaskadierbar.

HV DTemp-M64 Controller-Modul
HV DTemp-M64 Controller-Modul
HV DTemp-P Zentraleinheit
HV DTemp-P Zentraleinheit

HV DTemp-P Zentraleinheit

Die HV DTemp-P Zentraleinheit, an die die HV DTemp-M64 Controller-Module über ein berührungssicheres Hochvolt-Verbindungskabel (8 Adrig, Ø 8 mm) angeschlossen werden, befindet sich außerhalb der HV-Batterie. Die HV DTemp-P Zentraleinheit besitzt zwei galvanisch getrennte Eingänge. Damit können Temperaturen aus zwei unterschiedlichen Hochvoltbereichen erfasst werden. Die 512 Messstellen und HV DTemp-M64 Controller-Module können auf die zwei Eingänge aufgeteilt werden. Die Kommunikation der HV DTemp-P Zentraleinheit mit der Außenwelt für die Konfiguration des Messsystems und zur Datenerfassung erfolgt über CAN-Bus. Hierbei wird jeder Messstelle eine eigene CAN-ID zugeordnet und diese in einer DBC-Beschreibungsdatei dokumentiert. Die Temperatursensoren sind somit eindeutig zuordenbar und identifizierbar. Die Datenübertragung auf dem CAN-Bus erfolgt potenzialfrei im „free running“ Mode.

Die Applizierung des HV DTemp Messsystems

Das Layout der Flexprint-Trägerfolie kann genau auf die Erfordernisse der Messpunktanordnung innerhalb der Hochvolt-Batterie, einzelner Zellmodule und zwischen Zellen zugeschnitten werden. Die IC-Temperatur-Sensoren sind auch einzeln über Verbindungskabel kundenspezifisch in praktisch jeder gewünschten Anordnung einsetzbar. Damit lassen sich sehr genau die Temperaturverteilung, Temperaturpfade, Temperaturprofile oder Hot-Spot-Bereiche ausmessen.

Für die Applizierung werden bei gemeinsamer Anordnung mehrerer Temperatursensoren auf einer Flexprint-Trägerfolie das Layout und die Anordnung der IC-Temperatur-Sensoren in Zusammenarbeit mit CSM projektspezifisch geplant. Durch das exakte Design der Flexprint-Trägerfolie auf die Messanordnung ist eine gute und einfache Wiederholbarkeit der Positionierung von Zelle zu Zelle gewährleistet.

Durch die geringe Höhe der HV DTemp-4 Sensor-Baugruppen können diese in dem gewünschten Layout direkt zwischen die Batteriezellen mit verpresst werden – eine Einbettung in den allgemeinen Produktionsablauf ist somit möglich.

Mögliche fehlerhafte Veränderungen der gemessenen Werte durch auf die Messkabel eingeprägte Störungen kommen im Gegensatz zu analogen Sensoren nicht vor, da die Messwerte vom Sensor weg sofort digital übertragen werden. Im schlimmsten Fall werden bei extremen Störeinflüssen für kurze Zeit keine Messwerte ausgegeben. Sobald diese Störungen abgeklungen sind, nimmt das System selbstständig wieder den ordnungsgemäßen Betrieb auf. Der maximale Messbereich reicht bis 125 °C. Die Auflösung der Messwerte beträgt 16-Bit.

CSM HV DTemp Messsystem Uebersicht
Das CSM HV DTemp Messsystem: HV DTemp-P Zentraleinheit, HV DTemp-4 Sensor-Baugruppen in Einzel- und Gruppenanordung auf Flexprint-Trägerfolie und HV DTemp-M64 Controller Modul (von links nach rechts).

Vorteile des HV DTemp Messsystems

Schlüsselmerkmale

  • Verwendung von IC-Temperatur-Sensoren an digitalem Datenbus
    • Miniaturisiert, hochgenau, robust, sehr störsicher
    • Exakt positionierbar und eindeutig identifizierbar
    • Sensoranordnung flexibel an das Messobjekt anpassbar
  • Sehr geringer Bauraumbedarf für IC-Temperatursensoren, Controller und Verkabelung innerhalb der Batterie
    • Temperaturmessung an Stellen, an denen es bisher aus Platzgründen nicht möglich war
    • Geringstmögliche Beeinflussung des Messobjekts
  • Skalierbar bis 512 IC-Temperatursensoren je CAN-Bus Zentraleinheit
  • HV-sicher bis 1000 V RMS

Vorteile gegenüber analoger Temperatur Messtechnik nach bisherigem Stand der Technik

  • Hervorragende Eignung auch für den mobilen Einsatz durch sehr wenig Platzbedarf im Fahrzeug, da außerhalb der Batterie nur eine einzige kompakte CAN-Bus Zentraleinheit benötigt wird.
  • Hochgenaue, reproduzierbare Positionierung von Temperatursensoren auf Zellebene
  • Keine Verfälschung der Messwerte durch Störeinflüsse auf die Verbindungskabel
  • Abfrage der digitalen Sensorwerte erfolgt zeitgleich

Anwendungs- und Nutzenvorteile

  • Hochgenaue Temperatur-Charakterisierung von Batterien und Energiespeichern
  • Genaue Verifizierung von Temperaturmodellen bis auf Zellebene
  • Genaue Lokalisierung von Hotspot-Bereichen bis auf Zellebene
  • Einfacher Aufbau einer Messbatterie mit bis zu 512 Sensoren
  • Vermessung von zwei unterschiedlichen Hochvolt-Räumen gleichzeitig
  • Nur ein Hochvolt-Messkabel aus der HV-Baugruppe zur Zentraleinheit außerhalb
  • Kundenspezifisches Layout für die Sensorpositionierung mit Flexprint-Trägerfolien
  • Freie Anordnung von einzelnen, digitalen Temperaturmessstellen über Kabel
  • Geometrische Vernetzung der Sensorik einfach planbar
  • Exakte Wiederholbarkeit der Sensorpositionierung
  • Leichte Identifizierung und Zuordnung der digitalen Temperatursensoren
  • Verpressung von Sensoren zwischen Zellen einfach durchführbar
  • Integration in einen Produktionsprozess
  • Automatische Sensorzuordnung im Messsystem
  • Einfache Kombination mit Hochvolt und Standard Messtechnik aus dem CSM Portfolio

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