Sicher testen in Hochvolt-Umgebungen

E-Fahrzeug-Batterien automatisiert prüfen und auswerten

Bei der Entwicklung neuer Batterien und Batteriemanagementsysteme für E-Fahrzeuge sind ausführliche Tests und Validierungen an der Tagesordnung. Mit diesen lassen sich die Belastungsgrenzen von Batteriezellen, -modulen und kompletten Batteriepacks ermitteln. Die Untersuchungen beinhalten Lade- und Entladezyklen in Klimakammern sowie Crash-Belastungen, Penetration, Stauchung und Biegung sowie Vibrationstests. Dafür kommt ein flexibles, automatisiertes Testsystem inklusive Datenauswertung zum Einsatz, das in der Hochvolt-Umgebung Daten störungsfrei und sicher erfasst. SK Innovation, einer der weltweit größten Batteriehersteller, setzt hier auf die Messtechnik von imc und beauftragte mehrere Messracks für Batterietests.

New battery systems for e-vehicles must be safe and reliable. For this reason, extensive tests are carried out in the development phase on individual battery cells, battery mod-ules, and even the entire battery pack under a variety of conditions. Due to the high voltages of a battery of up to 800 V, measurement technology must be highly isolated. This pre-vents electromagnetic disturbance and en-sures the safety of personnel during the test. It is not uncommon to have more than 100 measuring points when measuring tempera-tures and cell voltages with a high voltage po-tential.

imc measurement technology for high-voltage environments

Various highly insulated CAN measurement modules are used in the test racks commis-sioned for the battery test by SK Innovation at imc Korea. Of the seven imc CANSASflex-HISO8-L CAN measurement modules, each of-fers 8 highly isolated inputs for measuring cell voltages and temperatures (PT100 / thermo-couples) up to a voltage level of 800 V (see Fig. 2). In total, up to 56 cell voltages can be meas-ured simultaneously. Twenty-four thermocouples can be operated at a voltage level of 800 V using 3 imc CANSASflex-HISO8-T-8L (Fig. 3) measurement modules. Furthermore, SK Innovation uses 2 imc CANSASflex-SCI16 modules to connect a further 32 thermocouples for temperature measurement. The module voltage is meas-ured with imc CRONOSflex HV4U, which has a measuring range of up to 1000 V.

Highly isolated and safe

Measuring points in the high-voltage range are danger points. In the course of personal safety and occupational health and safety, var-ious measures must be taken to minimize property damage and personal injury or to ex-clude liability issues in the event of a fault. On the one hand, only highly insulated measuring modules may be used; on the other hand, only trained personnel or those who have received additional training may carry out the installa-tion and wiring of the measuring modules. The imc CANSASflex-HISO8 modules used here have a high insulation resistance of 800 V CAT I and 300 V CAT II. The imc CRONOSflex / HV2 modules for direct measurement of 1000V even have an insulation resistance of 1000 V CAT II and 600 V CAT III and thus offer a safe and trouble-free acquisition of measurement data (Device safety standard EN 61010).

Dauerlauftest mit dem imc Testrack

Das 19 Zoll Testrack erfasst alle Messwerte an einem Batteriemodul, das aus mehreren einzelnen Batteriezellen besteht. Während des Tests werden die Zellenspannung und Zelltemperatur an jeder Batteriezelle gemessen und überwacht. Dafür setzt SK Innovation mehrere 19” Racks ein. Außerdem erfasst das Testsystem die Spannung der Batteriemodule und des gesamten Batteriepacks. Die Steue-rung und Regelung der bidirektionalen DC-Quelle für den Lade-und Entladevorgang sowie die Über-wachung der Messgrößen erfolgt durch die Software imc STUDIO.

Lebensdauer- und Zerstörungstests

Die verschiedenen Batterietests dienen dazu, die Lebensdauer und die Zuverlässigkeit der E-Fahrzeugbatterie in verschiedenen Belas-tungssituationen, wie z. B. einem Unfall, zu si-mulieren. Tests mit Crash-, Penetrations-, Stauchungs- und Biegungsbelastung sollen Aufschluß über die Sicherheit eines Batterie-packs geben und sind durch Normen festge-legt.
Lithium Inonen Batterien benötigen für die hier angegebenen Tests die richtige Testumge-bung, da es durch die gezielte Zerstörung des Batteriesystems zum gefürchteten „thermi-schen Durchgehen“ kommt. Das Schmelzen des Seperators führt zu einer unkontrollierte Abgabe der gespeicherten Energie der Zellen. Durch den Sauerstoffgehalt in der Umgebung kann es zum Brand oder zur Explosion der Bat-teriezellen kommen.Die Testumgebung muss daher feuerfest und
explosionssicher ausgelegt werden bzw. Druckwellen müssen gezielt abgeleitet und entstehenden Schadstoffe dürfen nur gefiltert in die Atmosphäre gelangen.

Durchdringungs-Test

Beim Testen der Penetrationsbelastung erfasst das imc Testsystem die Batteriezellenspannung. Die Temperatur wird hier mit einer Wärmebildkamera aufgezeichnet, eine Filmkamera dokumentiert die Zerstörung. Alle Bilder und Messdaten werden für die Auswertung zeitsychron abgelegt.

Mechanische Deformation-, Crash- und Misuse-Test

Bei der gezielten mechanischen Deformation des Batteriepacks (Crash-, Stauchung- oder Biegungsbelastung) kommen eine Wärmebildkamera zur Temperaturerfassung und eine Hochgeschwindigkeitskamera zum Einsatz. Auch hier werden die Messdaten und Kamerabilder zeitsynchron gespeichert.

Vibrationstest

Bei der Vibrationsprüfung werden die Batterien mit Schwingungen, die im Fahrbetrieb auftreten, beaufschlagt, um Materialbelastungen am System zu analysieren. Ein so genannter „Shaker“ erzeugt starke Vibrationen, dabei überwacht das Testsystem den Zustand des Batteriepacks während des Ladens und Entladens.

Lebensdauer-Test in der Klimakammer

Der Lebensdauertest eines Batteriepacks umfasst mehrwöchige Lade- und Entladezyklen, um die Leistungsfähigkeit einer Batterie zu testen. Das Batteriepack wird dabei in einer Klimakammer verschiedenen Feuchtigkeitsgraden und Temperaturverläufen ausgesetzt.

Test stand control and data analysis with imc STUDIO

Based on imc STUDIO software, the test stand controller regulates the charging and dis-charge process of the bidirectional DC source in the various test environments using pro-cessed measurement quantities. It is also pos-sible to end the test, switch off the test, and control other test stand components. Other devices such as climate cabinets, shak-ers, and drives can be integrated into the test stand control via imc STUDIO. Measurement data is evaluated with imc FAMOS software. This allows analyzes to be carried out across different site locations to meet the high-qual-ity requirements of battery production.

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