Einflussgröße Temperatur im Blick

Die Mobilitätswende wird im Wesentlichen vom batteriebetriebenen, elektrischen Antriebsstrang bestimmt – die Optimierung der HV-Batterie ist daher eine wichtige Stellschraube. Zwei Hauptaspekte beim Testing sind Sicherheit und Performance. Idealerweise lassen sich beide verbessern, indem wertvolle Erkenntnisse aus der Beobachtung des thermischen Verhaltens abgeleitet werden. Mit dem HV DTemp Messsystem von CSM ist das kein Problem. 

Die Verwendung einer HV-Batterie in einem Fahrzeug erfordert die Beachtung vieler Aspekte, unter anderem, ob der sichere Betrieb in jedem denkbaren Szenario möglich ist. Ein Ernstfall, der unbedingt vermieden werden soll, ist der „Thermal Runaway“. Dabei kommt es aufgrund einer Fehlfunktion der Batteriezellen zu einer chemischen Kettenreaktion und zum unkontrollierten und nicht aufhaltbaren Brand der Batterie. Diesen nicht zu verhindern oder rechtzeitig vorherzusehen, kann zu erheblichen Sach- und Personenschaden führen. Wo aber müssen in der Serie eines Fahrzeugs die wenigen (möglichen) Temperatursensoren zur Überwachung platziert werden? Wie detektiert man kritische Stellen – sogenannte „Hot Spots“ – zuverlässig?  

Gleichzeitig braucht die HV-Batterie für die ideale Funktion einen bestimmten Temperaturbereich, der beispielsweise für Lithium-Ionen Batterien bei rund 15 - 35 °C liegt. Um diese Idealtemperatur konstant zu halten, muss ein leistungsstarkes Kühl- und Heizsystem mit in das Batteriegehäuse eingebaut werden, das dafür sorgt, dass die Batterie weder überhitzt noch zu stark abkühlt. Auch hier gibt es wieder Temperaturen zu überwachen: Wie ist die Temperatur des Kühlmittels? Ist das Temperaturmanagement-System erfolgreich und kühlt oder erhitzt es die Batterie (gleichmäßig) auf die gewünschte Temperatur?  

Viele Messpunkte auf wenig Raum 

Verschiedene Typen von Batterien, darunter Rund-, Pouch- oder prismatische Zellen finden sich derzeit in den Antriebsbatterien der Hersteller von Elektrofahrzeugen. Diese wiederrum bilden Batteriemodule, welche zu mehreren arrangiert und verbunden durch Stromschienen und dem Kühlsystem die Gesamtbatterie bilden. Flexible Messtechnik, die für alle diese Konzepte passende Sensoren bietet, ist für nötigen Messungen während der verschiedenen Entwicklungsphasen wünschenswert. Hierbei werden zum Teil die verschiedenen Entwicklungsstufen einer Batterie, von der Zellebene, über Tests an den Modulen bis hin zur vollständigen Batterie temperaturmesstechnisch begleitet. Beim Wechsel oder Vergleich verschiedener Systeme kann so dieselbe Messtechnik weiterverwendet werden: ein erheblicher Vorteil bei der Zeit- und Kostenersparnis sowie der Vergleichbarkeit der Messergebnisse.  

Ebenso müssen neben den Messpunkten an den Batteriezellen auch Sensoren an der Ladeelektronik, den Stromschienen und im Kühlmittel angebracht werden. Diese engmaschige Überwachung von vielen Temperaturen an allen Komponenten der HV-Batterie bietet zwar ein sehr präzises Bild von den thermischen Vorgängen, allerdings führt sie genauso dazu, dass sehr viele Messpunkte in einem sehr beengten Bauraum angebracht werden müssen.  

Dies stellt die Prüfenden vor neue Herausforderungen: Wie sind diese Vorgaben umsetzbar, ohne zu viele Eingriffe an der Batterie und dem Gehäuse vorzunehmen? Denn: Je unversehrter der Prüfling – im Fall der HV-Batterie das Gehäuse – ist, desto realitätsnähere Ergebnisse können aus den Messungen erwartet werden, da die Dichtigkeit des Batteriegehäuses für den sicheren Betrieb einen wichtigen Faktor darstellt. Darüber hinaus gibt es einen weiteren Sicherheitsaspekt zu beachten: Der gesamte Messaufbau muss HV-sicher sein, damit der Personenschutz beim Arbeiten an der HV-Batterie den nötigen Sicherheitsstandards entspricht. 

512 Punkte mit nur einem Sensorkabel  

Mit dem HV DTemp Messsystem von CSM kann eine umfassende und präzise Temperaturmessung in HV-Batterien sicher durchgeführt werden. Die miniaturisierten und störsicheren IC-Temperatur-Sensoren bieten nicht nur eine Messgenauigkeit von ± 0,1 bis ± 0,25 °C, sondern lassen sich außerdem besonders flexibel applizieren. Je nach Anwendung sind individuelle Möglichkeiten gegeben, wie die Sensoren umgesetzt werden können, zum Beispiel als vergossene Einzelsensoren oder auf einer ultradünnen Flexprintfolie angebracht – ideal für Messungen zwischen den unterschiedlichen Zelltypen.  

Vier Einzelsensoren können zu einer Sensorbaugruppe zusammengeschlossen und bis zu 64 Sensoren mit jeweils acht Controllern verbunden werden. Die HV DTemp Controller übernehmen hier die Adressierung und Spannungsversorgung der Sensoren. Wie alle Bestandteile des HV DTemp Systems wurde auch bei diesen Wert auf ein kompaktes und robustes Design gelegt. Die Controller geben alle Signale gebündelt über ein einziges, HV-sicheres Kabel an die Zentraleinheit weiter.  

Daraus ergibt sich eine Skalierbarkeit des Systems auf bis zu 512 Messstellen, bei nur einem einzigen Durchbruch des Batteriegehäuses. Die Zentraleinheit steuert das Gesamt-Messsystem und versorgt alle Komponenten mit der benötigten Versorgungsspannung. Alle Signale werden digitalisiert weitergegeben, wodurch sich die Störanfälligkeit minimieren lässt. Über CAN werden die Messdaten an den Messrechner weitergegeben. Zudem lässt sich das HV DTemp Messsystem leicht in einen größeren Messaufbau für die Erfassung weiterer Parameter integrieren. 

Präzise und umfassend analysieren 

HV-sicher an vielen Stellen in und um die Batterie Temperaturen zu erfassen, wird mit dem wachsenden Stellenwert der Elektromobilität immer wichtiger. Viele Messstellen bei möglichst wenigen Eingriffen in die Batterie ist dabei eine der Schwierigkeiten. Das HV DTemp Messsystem bietet dafür mit seinen flexiblen und individuell applizierbaren Sensoren die Möglichkeit, beinahe überall innerhalb der HV-Batterie zu messen, unabhängig vom Zelltyp. Weitere Anwendungsgebiete im HV-Umfeld sind daneben Temperaturmessungen an anderen Komponenten des elektrischen Antriebsstrangs, zum Beispiel am Inverter.  

Bilder: CSM GmbH