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Messtechnische Untersuchung des Thermal Runaways in Fahrzeugbatterien
Thermal Runaways in den HV-Batterien von Elektro- und Hybridfahrzeugen können zu schwer löschbaren Bränden führen und die Sicherheit der Insassen gefährden. Für die sichere Auslegung von HV-Batterien durch geeignete Schutzmechanismen sind umfangreiche Prüfungen nötig. In diesem Anwendungsbeispiel erfahren Sie, wie die nötigen Temperaturmessungen an vielen Stellen in der Batterie durchgeführt werden können.
Hintergrund
Erhitzt sich eine Batteriezelle in der HV-Batterie zu stark, kann es zu chemischen Zersetzungsprozessen in der Zelle kommen. Diese lösen eine unumkehrbare Kettenreaktion aus, wodurch sich die Zelle schlagartig weiter erhitzt (Thermal Runaway) und die hohen Temperaturen auch auf andere Zellen überspringen (sogenannte Thermal Propagation). Dies führt zur Zerstörung der gesamten Batterie.
Für die Vermeidung eines Thermal Runaways werden bei der Entwicklung der HV-Batterie umfangreiche Schutzmaßnahmen, wie die richtige Auslegung des Kühl- und Heizsystems und wärmeleitende Elemente zwischen den Zellen, berücksichtigt. Um diese optimal auszulegen, wird die Batterie auf das Risikos eines Thermal Runaways getestet. Dies erfolgt auch mit provozierten Thermal Runaways in Form von Nageltests. Für solche Überprüfungen werden Temperaturmessungen mit einer großen Zahl von Sensoren an zahlreichen verschiedenen Punkten in der Batterie benötigt.
Messaufgabe
Erfassung von Temperaturen mit hunderten Messpunkten in HV Batterien, um Kristallationspunkte für Thermal Runaways und Präventionsmaßnahmen zu prüfen.
Herausforderung
Anhand von Simulationen können die potentiellen Bereiche für sehr starke Hitzeentwicklung (Hot Spots) errechnet werden. Damit diese Bereiche auch messtechnisch untersucht werden können, bedarf es positionsgenauer Messungen auf Zell-, Modul- und Packebene. Dabei kommen mehrere hundert Messpunkte zusammen. Die Sensoren und die nötigen Sensorkabel müssen sehr dünn gefertigt sein, um unter den beengten Platzverhältnissen messen zu können. Das Batteriegehäuse darf durch die nötigen Bohrungen für Sensorkabel nicht übermäßig beeinflusst werden, um die Messungen nicht zu verfälschen.
CSM Messtechniklösung
Das HV DTemp Messsystem wurde für die digitale und damit störsichere Erfassung von bis zu 512 IC-Temperatur-Sensoren entwickelt und ermöglicht die genaue thermische Untersuchung zur Prävention von Thermal Runaways.
- Sensorkabel
Mit nur einem Kabel werden bis zu 512 Sensoren in der Batterie angeschlossen - HV DTemp-P Zentraleinheit
Steuert das Gesamtsystem und gibt die Daten über CAN-Bus an die DAQ-Software weiter - IC-Sensorik auf Flexprint-Trägerfolie
Erlaubt die positionsgenaue Anordnung von Temperatur-sensoren und genaue Messungen zwischen Batteriezellen - IC-Sensorik als Einzelsensoren
Erfasst Temperaturen an auseinanderliegenden Messpunkten - HV DTemp-Mx Controller
Verbindet bis zu 64 Temperatur-Sensoren
- Mit der HV DTemp IC-Sensorik werden die Temperaturen an den errechneten Messpunkten in der HV Batterie gemessen. Die IC-Sensorik besteht aus IC-Temperatur-Sensoren, die auf sehr dünne Flexprint-Trägerfolie aufgebracht sind. Für die verschiedenen Messpunkte stehen unterschiedliche Varianten der IC-Sensorik zur Verfügung:
- Mit Einzelsensoren können separate Komponenten, wie Stecker, Elekotronikmodule und spezielle Gehäusepunkte auf Erwärmung geprüft werden. Dafür sind die Einzelsensoren mit einem Sensorkabel für den direkten Anschluss an HV DTemp-M Controller versehen.
- Sensorbaugruppen eignen sich, um einzelne, beieinanderliegende Messpunkte an Stromschienen, Moduloberflächen oder Verbindungsleitungen auszurüsten. Dafür werden bis zu vier IC-Einzelsensoren in Reihe geschalten oder über eine kleine Verteilerplatine verbunden.
- Für die geplante und positionsgenaue Messung zwischen den Batteriezellen werden IC-Sensoren auf Flexprint-Trägerfolie verwendet.
- Die HV DTemp IC-sensorik wird über HV DTemp-Mx Controller verbunden. Bis zu 64 Sensoren können an einen Controller angeschlossen und bis zu 8 Controller kaskadiert werden.
- Über nur eine HV-sichere Sensorleitung werden alle Controller an die HV DTemp-P Zentraleinheit angeschlossen. Da nur ein Durchbruch für das Sensorkabel in das Batteriegehäuse geschaffen werden muss, wird die Gehäusestruktur nur gering beeinträchtigt und die Gasdichtigkeit bleibt erhalten.
- Die HV DTemp-P Zentraleinheit kann über die CAN-Buchse leicht mit weiteren Messmodulen verbunden werden. Müssen z. B. extrem hohe Temperaturen bei einem provozierten Thermal Runaway erfasst werden, können HV-sichere Temperatur-Messmodule HV TH8 evo angeschlossen werden.
Vorteile
Mit dem HV DTemp Messsystem können Temperaturen an allen relevanten Stellen in der HV-Batterie gemessen werden und die Instrumentierung wird stark vereinfacht. IC-Sensorik auf Flexprint-Trägerfolie kann positionsgenau und reproduzierbar angeordnet werden. Zudem können die Folien während des Zusammenbaus der Batterie einfach mit eingebracht werden. Mit genauen Temperatumessungen können die Maßnahmen zur Vermeidung von Thermal Runaways genau überprüft werden und die Sicherheit für Fahrzeug und Passagiere wird gewährleistet.
Weitere Informationen
Weiterführende Informationen
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CSM Xplained: Messen in Hochvolt-Umgebungen
-
CSM Xplained: Temperaturmessung in der E-Mobility
-
CSM Xplained: Das Vector CSM E-Mobility-Messsystem
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CSM Xplained: Thermische Charakterisierung von Hochvolt-Batterien
-
CSM Xplained: Messketten schnell und zuverlässig konfigurieren – Teure und zeitraubende Fehler vermeiden
Download
Hier finden Sie den vollständigen Anwendungsfall zum Download als PDF.
Verwendete Produkte
Verwendete Hardware
HV DTemp Messsystem
Digitale Temperaturmessung mit bis zu 512 Messpunkten
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.
Das Vector CSM E-Mobility-Messsystem
Das Messsystem für die Entwicklung der Elektromobilität
HV TH Messmodule
Sichere Temperaturmessung mit Typ K-Sensoren
Sichere Temperaturmessungen mit Thermoelementen an Hochvolt-Komponenten: Die HV-sicheren Thermo-Messmodule wurden speziell für das zuverlässige Erfassen von Temperaturen in Elektro- und Hybrid-Fahrzeugen entwickelt.
Verwendete Software
vMeasure
Komplexe Messtechnikaufgaben sicher lösen
vMeasure von Vector Informatik ist die einfach zu bedienende Datenerfassungs-Software für CAN- und EtherCAT®-basierte Messmodule von CSM. vMeasure bietet den vollen Umfang an Funktionen, die Sie von einer modernen DAQ-Software erwarten.
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.
