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Anwendungsfälle
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Charakterisierung von Hochvolt-Batterien

Für die Charakterisierung von Hochvolt-Batterien sind präzise Temperaturmessungen bis auf Zellebene mit einer großen Zahl von Sensoren nötig. Nur damit können genaue Aussagen zum thermischen Verhalten getroffen werden, auf deren Grundlage das Batterie System weiter optimiert wird. Mit dem HV DTemp Messsystem können Temperaturmessungen mit bis zu 512 Sensoren an einem Sensorkabel bis auf Zellebene durchgeführt werden.

Hintergrund

Hintergrund

Die Leistungsfähigkeit von Hochvolt-Batterien auf Lithium-Ionen Basis wird aufgrund ihrer chemischen Eigenschaften wesentlich von Temperaturen beeinflusst. Der optimale Temperaturbereich für den Betrieb für Lithium-Ionen Batterien reicht von 15 °C bis 35 °C. In niedrigeren Temperaturen werden die chemischen Prozesse in der Batterie deutlich verlangsamt, wodurch die Energie- und Leistungskapazität sinkt. Gleiche Auswirkungen haben ebenfalls zu hohe Temperaturen, jedoch können diese im Extremfall auch zu Selbstzerstörung (Thermal Runaway) und Brand der Batterie führen. Eine wesentliche Quelle hoher Temperaturen ist die Eigenerwärmung, die durch Entropieänderungen und ohmsche Verluste beim Laden und Entladen der Batterie hervorgerufen wird. Im zeitlichen Verlauf treten so während unterschiedlicher Belastungszustände unterschiedlich hohe Temperaturen auf.

Auch die räumliche Verteilung der Temperaturen gestaltet sich keineswegs gleichmäßig: Schon innerhalb einer einzelnen Zelle weichen die Temperaturen verschiedener Bereiche signifikant voneinander ab. Gefahren können dabei von lokal begrenzten Bereichen mit sehr hohen Temperaturen – sogenannten Hot Spots- ausgehen. Diese erhöhen das Risiko interner Kurzschlüsse, die ihrerseits zu einem Thermal Runaway führen können. Diese Gefahren betreffen alle typischen Bauformen der Zellen – Rundzellen, prismatische Zellen oder Pouch-Zellen – gleichermaßen.

Um unerwünschte Folgen des thermischen Verhaltens zu vermeiden, werden Hochvolt-Batterien mit umfangreichen Temperatur-Management- und Kühlsystemen ausgestattet, die den Betrieb im optimalen Temperaturbereich gewährleisten sollen. Außerdem werden eine gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb der Batterie sowie eine Isolierung gegen externe Einflüsse angestrebt.

Für die Entwicklung angepasster Temperatur-Management-Systeme muss das thermische Verhalten aller Komponenten innerhalb des Batteriegehäuses bekannt sein. In der Entwicklungsphase wird dabei häufig auf Simulationen zurückgegriffen. Jedoch können Simulationen die komplexen chemischen Vorgänge und ihre Auswirkungen innerhalb der Batterie häufig nicht für alle Situationen genau genug beschreiben, sodass umfangreiche Messungen nötig werden. Nur mit einer genauen Untersuchung des thermischen Verhaltens der einzelnen Batteriezelle sowie der kompletten Hochvolt-Batterie können eine präzise Charakterisierung erfolgen und Simulationsmodelle validiert werden. Mit den Erkenntnissen wird eine weitere Optimierung der Batterie und des Temperatur-Management-Systems ermöglicht.

Die Charakterisierung von Hochvolt-Batterien stellt hohe Ansprüche an die Messtechnik hinsichtlich der Anzahl der benötigten Sensoren, des Platzbedarfs und der Vermeidung von Störfaktoren. Mehrere Hundert Sensoren sind erforderlich, um präzise Temperaturverläufe auch auf Zellebene bestimmen zu können. Die Sensoren und ihre Sensorkabel müssen dabei so klein dimensioniert sein, dass sie zwischen den Zellen angeordnet werden können. Die Anordnung der Sensoren sollte dabei möglichst flexibel sein, um Temperaturverläufe und Hot Spots erfassen zu können. Ferner muss auch die weitere Messtechnik platzsparend innerhalb oder außerhalb der Batterie verbaut werden können. Dabei soll die strukturelle Veränderung der Batterie durch zusätzliche große Objekte innerhalb der Batterie oder eine große Anzahl von Durchbrüchen im Batteriegehäuse für Sensorkabel möglichst gering ausfallen. Sonst würden die Messergebnisse zu stark verfälscht, um ein realistisches Bild des Temperaturverhaltens zu erhalten.

Im folgenden Beispiel soll gezeigt werden, wie eine solch umfangreiche Temperaturmessung für die Charakterisierung einer Hochvolt-Batterie mit dem HV DTemp Messsystem durchgeführt wird.

Messaufgabe

Erfassung von Temperaturverläufen in Hochvolt-Batterie-Zellen, um Simulationen zu validieren und Heiz- und Kühlsysteme optimal auszulegen.

Oberflächentemperaturen von Pouch-Zellen in Simulation und Messung
Oberflächentemperaturen von Pouch-Zellen am Ende eines Entladevorgangs: a) Simulation b) Messergebnis.
Deutlich erkennbar ist die Abweichung in Höhe und Ausbreitung der Temperaturen. Für eine genaue Charakterisierung sind reale Messungen unerlässlich.
Temperaturverläufe in Batteriezellen und Batterieblöcken
Auch an den Batterieblöcken müssen Temperaturmessungen vorgenommen werden, um die Ausbreitung der Temperaturen nachvollziehen zu können.
Herausforderung

Herausforderung

Die hohe Anzahl der benötigten Temperatursensoren erfordert eine entsprechend große Menge an Sensorkabeln und Messmodulen. Für diese erforderliche Messtechnik ist häufig kein Platz in den Batterieblöcken und –Gehäusen.

Eine Platzierung der Sensoren zwischen den Batteriezellen setzt voraus, dass die Sensoren und Sensorkabel extrem dünn gefertigt sind. Die Applikation der Sensoren sollte dabei einfach und schnell möglich sein, da sonst zu viel Zeit für das Anbringen von hunderten Messpunkten verloren geht. Für die Verifikation der Temperaturmodelle sollten die Messpunkte anhand der Simulationen errechnet werden können und das Layout im CAD planbar sein. Eine genaue Übertragung der errechneten Messpunkte und reproduzierbare Anordnung der Sensoren sorgt für bessere Messergebnisse.

Das Messobjekt soll durch die Messtechnik geringstmöglich beeinflusst werden, um die Messergebnisse nicht zu verfälschen. Zudem sollen Störeinflüsse auf die Sensorleitungen, die bei großen Bündeln aus Sensorkabeln auftreten, vermieden werden.

Zu guter Letzt muss die Messtechnik die Sicherheit bei den Messungen im Hochvolt-Umfeld für Anwender und das System sicherstellen.

Anforderungen an die Temperaturmessung

  • Synchrone Erfassung von bis zu mehreren hundert Messstellen innerhalb und außerhalb der Hochvolt-Batterie
  • Geringer Platzbedarf des Messsystems
  • Sehr dünne Temperatursensoren und Sensorleitungen für eine Platzierung zwischen den Batteriezellen
  • Planbare, flexible und reproduzierbare Anordnung der Messpunkte
  • Geringe Beeinträchtigung des Verhaltens des Batteriegehäuses durch Sensorleitungen
  • Störsichere Datenerfassung und –übertragung mit einer einfachen Erkennbarkeit von Störsignalen und Fehlern
CSM-Messtechniklösung

CSM-Messtechniklösung

Speziell für solche Messaufgaben wurde das HV DTemp Messsystem entwickelt. Das CSM HV DTemp Messsystem erlaubt die positionsgenaue, digitale und damit störsichere Erfassung von bis zu 512 Temperaturmessstellen über ein einziges Sensorkabel zur HV DTemp-P Zentraleinheit.

  • Für die Erfassung der Temperaturen zwischen den Batteriezellen oder an anderen Stellen im Batteriegehäuse werden extrem kleine IC-Temperatur-Sensoren verwendet. Bis zu vier Sensoren sind in einer HV DTemp-4 Sensor-Baugruppe zusammengefasst und über einen digitalen Bus miteinander verbunden. Die Anordnung der Sensoren auf einer Flexprint-Trägerfolie erfolgt entweder einzeln oder in einer Gruppenanordnung. Durch die geringe Höhe im mm-Bereich können die Sensor-Baugruppen auch zwischen den Pouch-Zellen verpresst werden. Die Anordnung in einer Gruppe ist kundenspezifisch und anhand der Simulationen planbar. Messpunkte können so exakt übertragen und wiederholbar produziert werden.
  • Die HV DTemp-4 Sensor-Baugruppen werden über HV DTemp-M64 Controller-Module verbunden. Bis zu 16 Sensor-Baugruppen (entspricht 64 Temperatur-Sensoren) können an ein Controller-Modul angeschlossen werden. Bis zu 8 Controller-Module können einfach kaskadiert werden und bieten so Anschlüsse für bis zu 512 Temperatur-Sensoren. Die Controller-Module adressieren die Sensoren, versorgen sie mit Spannung und leiten die Temperaturwerte an die Zentraleinheit weiter.
  • Über nur ein Hochvolt-sicheres Sensorkabel werden alle Controller-Module an die Zentraleinheit angeschlossen. So muss lediglich ein Durchbruch mit PG-Verschraubung in das Batteriegehäuse gebohrt werden. Die Beeinflussung der Struktur des Gehäuses bleibt denkbar gering.
  • Die HV DTemp-P Zentraleinheit erfasst die Daten der Controller-Module und gewährleistet durch galvanisch getrennte Eingänge die Hochvolt-Sicherheit. Zusätzlich weist die Zentraleinheit jeder Messstelle eine individuelle CAN-ID zu, wodurch eine einfache Identifikation ermöglicht wird. Über einen CAN-Bus werden die gesammelten Temperaturdaten an den Messrechner weitergegeben.
Positionierung der Sensor-Baugruppen zwischen Batteriezellen
Video: Für die Erfassung von Temperatur-Verläufen werden Sensor-Baugruppen zwischen Zellen platziert.
Die Sensorpositionen können mit Sensor-Baugruppen einfach wiederholt werden
Video: Mit Sensor-Baugruppen werden die Positionen der Sensoren exakt wiederholt.
Nur ein Kabel muss aus dem Batterie-Gehäuse geführt werden
Video: Minimale Beeinflussung der Gehäusestruktur
Sicherer Übergang vom HV-Umfeld in den Niederspannungsbereich
Video: Die HV DTemp-P Zentraleinheit gewährleistet hochvolt-sicheres Arbeiten.
Vorteile

Vorteile

Das gesamte HV DTemp Messsystem erfüllt die Anforderungen hinsichtlich des verfügbaren Bauraumes. Die Sensoren können zwischen den Zellen positioniert werden und erlauben so die genaue Erfassung von Temperaturverläufen auf Zellebene. Die Anordnung ist durch die Einzel- oder Gruppenanordnung so flexibel, dass je nach Erfordernis Temperaturpfade oder Hot Spot Bereiche präzise gemessen werden können. Die Positionierung der Sensoren in der Gruppenanordnung kann dabei von Zelle zu Zelle exakt wiederholt werden.

Die HV DTemp-M64 Controller Module sind so schlank gestaltet, dass sie im Batteriegehäuse verbaut werden können. Da lediglich ein Messmodul außerhalb der Batterie benötigt wird, ist ein extrem platzsparender Aufbau gegeben, der das Messobjekt nur gering verändert.

Die digitale Übertragung der Messdaten gewährleistet eine störsichere Übertragung und genaue Identifikation der Messpunkte. Eingeprägte Störungen auf die Messkabel und dadurch verfälschte Messwerte, wie sie bei analogen Sensoren möglich sind, werden vermieden. Die genaue Identifikation der Sensoren erlaubt eine einfache Kontrolle des ordnungsgemäßen Betriebs und Fehlererkennung.

Über den CAN-Bus kann das Messsystem leicht mit anderen Messmodulen zur Erfassung weiterer Messwerte kombiniert oder in bestehende Messaufbauten integriert werden.

Download

Hier finden Sie den vollständigen Anwendungsfall zum Download als PDF.

Coming soon

Verwendete Produkte

Verwendete Hardware

Produkt HV DTemp

HV DTemp Messsystem

Digitale Temperaturmessung mit bis zu 512 Messpunkten
Patent pending

Das CSM HV DTemp Messsystem wurde für die positionsgenaue, digitale und damit störsichere Erfassung von bis zu 512 Temperaturmessstellen über eine einzige Kabelverbindung zur HV DTemp-P Zentraleinheit entwickelt.

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Verwendete Software

Software CSMconfig

Logo CSMconfig

Messketten schnell konfiguriert: CSMconfig (mit CSMview) ist die verlässliche Konfigurationssoftware für alle CAN- und EtherCAT®-basierten Messmodule von CSM. Die einheitliche und komfortable Oberfläche ermöglicht ein einfaches Einstellen aller Messparameter. Das beschleunigt den Messaufbau.

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vMeasure exp

vMeasure exp

vMeasure exp von Vector Informatik ist die einfach zu bedienende Datenerfassungs-Software für CAN- und EtherCAT®-basierte Messmodule von CSM. Für eine schnelle Konfiguration wurde CSMconfig direkt integriert.

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