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Anwendungsfälle
zuverlässig Flotten-Daten aufzeichnen

Hochvolt-sichere Dehnungsmessung in HV-Batterien

Die Gehäuse von HV-Batterien dienen nicht nur dem Schutz von Batteriezellen und Elektronik in ihrem Inneren, sondern sind auch struktureller Teil des Fahrzeugrahmens. Mechanische Belastungen müssen für ein optimales Gehäusedesign gemessen werden - innerhalb und an der Außenseite des Gehäuses. In diesem Beispiel wird gezeigt, wie die nötigen Messungen mit Dehnungsmessstreifen (DMS) und DMS-Messmodulen einfach und sicher durchgeführt werden.

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Hintergrund

Gehäuse schützen HV-Batterien in Elektrofahrzeugen vor Schmutz, Staub und Feuchtigkeit und gewährleisten dadurch einen ordnungsgemäßen Betrieb sowie die Sicherheit für Fahrzeugpassagiere. Neben der Schutzfunktion für die Batterie übernimmt das Gehäuse auch zunehmend strukturelle Aufgaben als tragendes Element im Fahrzeugrahmen.

Das Gehäuse wird häufig aus Stahl, Aluminium sowie Plastik oder einer Mischung dieser Materialen gefertigt und muss möglichst leicht bei hoher Belastbarkeit ausgelegt werden. Für die optimale Materialauslegung des Gehäuses müssen die verschiedenen mechanischen Belastungen, die auf das Gehäuse wirken, berücksichtigt werden.

  • Im Inneren des Gehäuses: Im Betrieb dehnen sich die Batteriezellen aus und Kräfte wirken auf die Gehäusestrukturen, wie zum Beispiel Streben zwischen den Batteriemodulen.
  • An der Außenseite des Gehäuses: Als Element im Fahrzeugrahmen ist das Gehäuse auch Stößen und Verwindungen durch den Fahrzeugrahmen ausgesetzt.

Das Gehäuse muss diesen Belastungen in jeder Situation standhalten und darf nicht brechen, um die Sicherheit und den ordnungsgemäßen Betrieb der Batterie nicht zu gefährden.

Messaufgabe

Messung von mechanischen Dehnungen und Spannungen in einem HV-Batteriegehäuse für die optimale Materialauslegung.

Icon Challenge

Herausforderung

Mit Dehnungsmesstreifen (DMS) sollen Dehnungen und Spannungen innen und an der Außenseite des Gehäuses gemessen werden. Dafür werden die DMS als Einzel-DMS und als Rosetten appliziert. Die Untersuchungen sollen im Fahrversuch erfolgen, um realistische Belastungsprofile zu erhalten.

Für die Messungen innerhalb des Gehäuses muss die nötige Messtechnik die HV-Sicherheit gewährleisten.

Der Messbereich der Messmodule muss den spezifischen Materialeigenschaften (Aluminium, Stahl, Plastik) und der zu erwartenden Größe (z. B. ±1.000 µm/m) abgepasst werden können.

Der Messbereich sowie die Speisespannung sollten sich im Messmodul auch noch nach der Installation der DMS anpassen lassen, um eventuell kleinere oder höhere Dehnwerte als zunächst erwartet, erfassen zu können. Und dies ohne eine zusätzliche Kalibrierung des Dehnungswertes.

Da Dehnungen häufig mit anderen Messgrößen, wie Temperaturen oder Beschleunigungen, korreliert werden müssen, sollte das Messsystem einfach um entsprechende Messmodule erweitert werden können.

DMS-Messpunkte im Batteriegehäuse
Beispielhafte DMS-Messpunkte im Batteriegehäuse
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CSM Messtechnik-Lösung

Mit Messmodulen aus dem Vector CSM E-Mobility-Messsystem können die Dehnungen und Spannungen innerhalb und außerhalb des Batteriegehäuses genau untersucht werden.

  • Die Signale der Dehnungsmesstreifen in dem Batteriegehäuse und dadurch im HV-Umfeld werden von HV STG4 pro BS20 HV-sicher erfasst. In Verbindung mit speziellen Sensorkabeln können konventionelle DMS, die für Niederspannungs-Anwendungen ausgelegt sind, auch im HV-Umfeld verwendet werden. Durch den erweiterten Eingangsspannungsbereich werden präzise Messungen von sehr kleinen bis zu sehr großen Signalspannungen ermöglicht.
  • Die DMS an den Aufhängungen des Batteriegehäuses liegen außerhalb des HV-Umfeldes und somit sind keine besonderen Schutzmaßnahmen nötig. Die Signale der DMS werden von ECAT STGMM 6 erfasst.
  • Beide DMS-Messmodultypen geben die Daten direkt als µm/m aus, wodurch nachträgliche Umrechnungen entfallen. Ist eine nachträgliche Änderung der Messbereiche oder der Speisespannung erforderlich, kann dies ohne weitere Kalibrierung oder Umrechnung erfolgen, da die Datenerfassung ratiometrisch erfolgt. So kann die eingestellte Messgröße im Modul bei µm/m eingestellt bleiben, ohne dass mit einer Nachkalibrierung oder Nachberechnung korrigiert werden muss.
  • Ein XCP-Gateway basic erfasst die Daten der Messmodule über EtherCAT® und synchronisiert über das Precision Time Protocoll (PTP). Die Daten werden auf XCP-on-Ethernet umgesetzt und an die DAQ weitergegeben.
Hochvolt-sichere Dehnungsmessung in HV-Batterien in der Systematik des E-Mobility Messsystems
Hochvolt-sichere Dehnungsmessung in HV-Batterien in der Systematik des E-Mobility-Messsystems
Einzel-DMS auf Batteriehalter
Einzel-DMS auf Batteriehalter
DMS-Rosette auf der Außenseite des Batteriegehäuses
DMS-Rosette auf der Außenseite des Batteriegehäuses
Icon Benefits

Vorteile

Mit dieser Messtechnik-Lösung können die mechanischen Spannungen innerhalb und außerhalb des Batteriegehäuses gemessen werden. Durch die robuste und kompakte Ausführung der Messmodule kann die Untersuchung auch im Fahrversuch erfolgen.

Über das XCP-Gateway können auch weitere Messmodule angeschlossen und deren Daten synchron erfasst werden. So lassen sich zum Beispiel parallel Temperaturen in den Batteriezellen erfassen und mit in die Analyse einbinden.

Verwendete Produkte

Verwendete Hardware

HV STG ECAT Module

HV STG4 ECAT MM-Serie

Messmodul für HV-sichere DMS-Messungen

Typ HV STG4 pro BS20

EtherCAT®-basiertes Messmodul für den dezentralen Einsatz unter anspruchsvollen Bedingungen im Hochvolt-Umfeld: Robust, extrem kompakt und mit vier zeitsynchronen DMS-Eingängen.

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XCP-Gateway

XCP-Gateway

Die Protokollumsetzer für EtherCAT® und CAN auf XCP-on-Ethernet

Das XCP-Gateway ist die Schnittstelle zwischen Datenerfassungs-Software (bspw. vMeasure, CANape®, INCA®, Vision® ...) und den EtherCAT®-Messmodulen von CSM. Es beinhaltet einen EtherCAT®-Master und einen XCP-on-Ethernet-Slave.

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EtherCAT® STG MiniModule

ECAT STGMM 6

Schnelle und dezentrale DMS-Messungen

Mechanische Spannungen direkt an der DMS-Applikationsstelle präzise und zeitsynchron erfassen: Das ermöglicht das EtherCAT®-basierte Messmodul ECAT STGMM 6 mit sechs zeitsynchronen DMS-Eingängen für Viertel-, Halb- und Vollbrücken.

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E-Mobility-Messsystem

Das Vector CSM E-Mobility-Messsystem

Das Messsystem für die Entwicklung der Elektromobilität

E-Mobility: Sicher messen an Hochvolt-Komponenten von Elektro- und Hybrid-Fahrzeugen Die Elektromobilität nimmt weiter Fahrt auf. Verschiedene Energiespeicher, Antriebs- und Ladesysteme weisen den Weg in die elektrische Mobilität. Die Entwicklung von Hochvolt-Batterien, Invertern und Elektromotoren stellt hohe Anforderungen an die Messtechnik, um die richtigen Ergebnisse für die weitere Optimierung zu erhalten. Gemeinsam mit Vector Informatik hat CSM ein Messsystem entwickelt, das keine Wünsche offen lässt.

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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

Komplexe Messtechnikaufgaben sicher lösen

vMeasure exp von Vector Informatik ist die einfach zu bedienende Datenerfassungs-Software für CAN- und EtherCAT®-basierte Messmodule von CSM. vMeasure exp bietet den vollen Umfang an Funktionen, die Sie von einer modernen DAQ-Software erwarten.

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