Batteriemanagement und -dynamik Prüfstand

1.    Beschreibung

Die elektrische Batterie mit dem zugehörigen Batterie- und Energiemanagementsystem ist eine der Schlüsselkomponenten der E-Mobilität dar. Ihr optimaler Betrieb ist essentiell für den langjährigen und damit kostengünstigen und zuverlässigen Betrieb. Durch geeignete Betriebsstrategien lassen sich kritische Betriebsbereiche, wie zu hohe Ladeströme und Temperaturen, vermeiden. Geeignete, schonende Lade- und Entladestrategien erlauben es, die Alterung der Batteriezellen zu verzögern und die verfügbare Batteriekapazität optimal auszunutzen.

Für die Auslegung und Parametrierung optimaler Betriebs- und Überwachungsstrategien, sowie für das Verständnis der wesentlichen dynamischen Vorgänge, und für eine umfassende Abschätzung der Leistungsfähigkeit des  Gesamtfahrzeuges sind weitreichende Kenntnisse und dynamische Modelle der Vorgänge auf der Zell, Batteriemodul und Batteriepack Ebene notwendig. Hierbei sind eine Beschreibung und ein Verständnis der elektrischen, thermischen und mechanischen Vorgänge unabdingbar. Der Batteriemanagement und -dynamik Pürfstand dient zur

• Entwicklung, Erprobung, und Parametrierung von dynamischen Zellmodellen und der hierzu nötigen Messmethoden
• Entwicklung von dynamischen Modellen für Batteriemodule und Batteriepacks
• sowie der Entwicklung und Erprobung modellbasierten Methoden für Batteriemanagement Systeme.

 Die Untersuchungen und Messungen fokussieren hierbei auf Hochleistungszellen (Rund, prismatisch, Pouch-Zellen) für den Einsatz in HV-Fahrbatterien und Power-Tools und Batteriemodule (maximal 48V). Im Fokus stehen hierbei thermische und elektrische Dynamiken, sowie im begrenzten Umfang mechanische Eigenschaften, wie die Ausdehnung der Zellen durch Ladevorgänge. Größerer Module und ganze Batteriesysteme soll anhand eines scale-ups und der Simulation des elektrischen und thermischen Gesamtverhaltens erfolgen.

2.    Einrichtungen

2.1.    Batterietestgeräte

• Strom & Spannungsquellen
• Frei programmierbar

 2.1.1.     Für kleine Ströme

• >=8 unabhängig ansteuerbare, frei programmierbare Kanäle
• >=8 Kabel mit integriertem Temperatursensor passend für die Kanalanschlüsse des Gerätes, Kabellänge >= 2 m
• Strombereich pro Kanal mindestens 4 A
• Spannungsbereich mindestens 5,5 V, <= 48 V
• Spannungsgenauigkeit von mindestens 1 mV, Auflösung <= 0.3 mV
• Hohe Stromgenauigkeit von mindestens 1 uA , Auflösung <= 0.5 uA
• Jeder Kanal soll über die Möglichkeit einer 4-Leiter-Messung verfügen
• Steuerungsrechner mit entsprechender Datenloggingleistung und Rechenleistung zur Umsetzung komplexer BMS Funktionen.
• Anbindung an Labview/Matlab zur freien Programmierung
• Sichere Architektur, auch bei Absturz des Steuerungsrechners muss sicherer Betrieb garantiert werden
• Direkte Einbindung und Steuerung einer Klimakammer
• Luftgekühlt
• Kompakter Aufbau
• Geeignet für Innenraumbetrieb
• Abmaße: Schrank (auf Rollen, BxTxH): ~0,6 x 0,9 x 2m

 2.1.2.     Für große Ströme

• >=4 unabhängig ansteuerbare, frei programmierbare Kanäle
• >=4 Kabel mit integriertem Temperatursensor passend für die Kanalanschlüsse des Gerätes, Kabellänge >= 2 m
• Strombereich mindestens 500 A (1000 A durch Parallelschaltung von zwei Kanälen)
• Spannungsbereich mindestens 5,5 V, <= 48 V
• Hohe Spannungsgenauigkeit von mindestens 2 mV, Auflösung <=1 mV
• Hohe Stromgenauigkeit von mindestens 10 uA, Auflösung<=5 uA
• Jeder Kanal soll über die Möglichkeit einer 4-Leiter-Messung verfügen
• Steuerungsrechner mit entsprechender Datenloggingleistung und Rechenleistung zur Umsetzung komplexer BMS Funktionen.
• Anbindung an Labview/Matlab zur freien Programmierung
• Sichere Architektur, bei Absturz des Steuerungsrechners sicherer Betrieb garantiert
• Direkte Einbindung und Steuerung einer Klimakammer
• Gerätekühlung mittels Luft erfolgen, keine externe Wasserkühlung
• Kompakter Aufbau
• Geeignet für Innenraumbetrieb
• Abmaße: Einschübe für Schrank (auf Rollen, BxTxH): ~0,6 x 0,9 x 2m

2.2.                     Klimakammer

2.2.1.     Platz für 4 bis 8 Zellen

• Prüfkammervolumen mindestens 500 Liter
• Temperaturbereich mindesten -25°C bis 80°C
• Temperaturänderungsgeschwindigkeit für Heizen/Kühlen >= 4 K/min
• Hohe Temperaturgenauigkeit, min. ±0,5K (zeitlich), ±1,0 K (räumlich)
• Integrierte Temperaturmessung
• Direkte Einbindung und Steuerung durch ein Batterietestgerät
• Mindestens ein Gitter/Rost für zusätzliche Ebene in der Prüfkammer
• Durchführung für Kabel/Leitungen ins Kammervolumen, d>=10 cm
• Sichtfenster in der Tür
• Beleuchtung innerhalb der Prüfkammer
• Werkskalibrierung
• Luftgekühlt
• Geeignet für Innenraumbetrieb
• Hinweis: abhängig vom verfolgten Sicherheitskonzept kann die Zelltemperierung in Standardklimakammer mit spezieller Einhausung im Abzug und Prozessluft oder in speziellen Klimakammern für Li-Ionentests erfolgen.
• Abmessungen: ~ 2m x 1,2m x 2m (H x B x T)

2.3.                     Spannungsmessgerät

• Messfunktionen: AC Spannung, Strom, DC Spannung, Strom, Temperatur, Widerstand
• 7.5 Digit Messauflösung im Spannungsbereich von 100mV bis 10V
• Erfassung und Anzeige von Signalformen mit einer Digitalisierung von mindestens 900 kSample/s
• Direkte Anzeige der Messwerte über integriertes Display
• Programmierfähig mit TSP (Test Script Processor)
• Konnektivität GPIB/USB (TMC), LAN (LXI)
• Gleichspannungsmessauflösung von mindestens 20nV
• 4-Leiter-Messung
• Verbindung mit den Steuerungsrechnern der Batterietestgeräte
• Geeignet für Innenraumbetrieb
• Luftgekühlt
• Kompaktes Gerät

2.4.                     Weitere Einrichtungen

• Sicherheitsschrank mit Prozessluftabsaugung
• Laborabzug mit Prozessluftabsaugung

3.    Schnittstelle TGA (Versorgung):

• Spannung:
  • min. 4x 3~ 400V/16A Anschlüsse
  • min. 4x 3~ 400V/32A Anschlüsse
  • min. 12x 1~ 230V/16A (Schuko)
  • Leistung:  ~ 80 kW (Gesamtsystem mit Messgeräten und Steuerungs-PC)
  • Prozesswasser: kein Kühlwasser
  • Druckluft: 15 bar (Basisversorgung)
  • Kühlleistung (thermisch): 15 kW über Raumklimatisierung

4.    Schnittstelle übergeordnetes Steuersystem (Automatisierung):

• Keine Echtzeit Informationen für andere Prüfstände
• Sicherheitseinrichtung Gebäude

5.    Bauliche Besonderheiten

• Luftabzug
• Geeignetes Sicherheitssystem für Batterien Zellen (Rauch- und Brandmelder etc.)
• Trennung von Versuchsraum und Bedienraum mit Sichtschutz oder Kameraüberwachung

Kontakt

Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik (FEIT)
Institut für Automatisierungstechnik (IFAT)

Prof. Dr.-Ing. Rolf Findeisen
Gebäude 07, Universitätsplatz 2
39106 Magdeburg

Tel.: 0391-67-58708
Fax: 0391-67-41191

Stand: 08.07.2021