Datenlogger für Batterietests
Hochpräzise Lade-/Entladeprüfung an Hochspannungsbatterien
Steigende Anforderungen an die Leistungsfähigkeit von Batterien erfordern präzise Lade- und Entladetests. Hier setzen die Datenlogger von Hioki an. Sie erfassen Spannung und Temperatur von Batteriezellen und -packs, bieten hohe Isolation, modulare Erweiterbarkeit und Echtzeit-Datenübertragung.
Unter anderem durch den Einsatz in Elektrofahrzeugen (EV) müssen Batterien heute immer höhere Leistungsdaten aufweisen. In EVs eingesetzte Batterien bestehen aus einer großen Anzahl von in Reihe geschalteten, einzelnen Batteriezellen und werden daher auch als Batterie- oder Akku-Packs bezeichnet. Um die Ladezeiten zu verkürzen und die Fahrzeugreichweite von EVs zu er- höhen, entwickeln die Hersteller Akku- Packs mit immer höherer Spannung. So steigen zum Beispiel die Spannungen inzwischen von 400 auf 800 V an.
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Lade-/Entladeprüfung
Lade-/Entladetests von Batterien werden als Teil von Leistungstests während der Entwicklung solcher Batteriezellen, -module und -packs sowie während der Evaluierungsphase durchgeführt. Diese Art von Tests ermöglicht es den Herstellern, die Lade- und Entladeleistung sowie die Lebensdauer der Batterie zu überprüfen. Sie spielen eine wichtige Rolle bei der Entwicklung sicherer, leistungsstarker Batterien und bei der Überprüfung der Leistung der fertigen Produkte.
Bei der Lade-/Entladeprüfung von Batterie-Packs suchen die Techniker nach anomalen Spannungs- oder Temperaturwerten an jeder Zelle und bewerten damit die Eigenschaften der Batterien. Weil Schwankungen in den Zelleigenschaften zu einer Verschlechterung der Gesamtleistung des Akku-Packs führen können, ist es äußerst wichtig, das Spannungs- und Temperaturverhalten auf Zellebene zu ermitteln – dafür sind viele Messkanäle erforderlich.
Als Testgeräte kommen Datenlogger wie der Hioki LR8101/LR8102 (Vertrieb: Meilhaus Electronic) zum Einsatz, die sich ideal für Lade-/Entladetests von Standard-400-V- und 800-V-Batterie-Packs eignen und auch das Temperaturverhalten miterfassen können.
Warum Datenlogger?
Datenlogger – sozusagen die Nachfolger mechanischer Mess- oder Linienschreiber – erfassen und speichern Daten prozessorgesteuert über einen größeren Zeitraum und in festen Intervallen. Sie sind prädestiniert für Messgrößen wie Temperaturen, die sich bevorzugt kontinuierlich und nicht extrem schnell verändern. Dadurch lassen sich auch preisgünstigere Systeme mit vielen Kanälen realisieren, weil eine geringe Verzögerung durch Multiplexing/Umschalten der Kanäle im Verhältnis zur Veränderung der Messgröße oft in Kauf genommen werden kann, was den Einfluss auf die reine Gesamt-Sampling-Rate/Summenabtastrate angeht.
Zudem sind Logger-Messsysteme oft für eine Kombination verschiedener Messgrößen ausgeführt (meist abgeleitet von einer Spannungsmessung), da man es in der Praxis häufig mit einer Mischung verschiedener Sensorsignale zu tun hat. Das Prinzip einer Datenerfassung und Speicherung vor Ort erlaubt autarke Systeme, die sich auch über längere Zeit irgendwo im Feld unmittelbar am Messort befinden können und oft auch unabhängig von einem PC oder anderen Steuerung arbeiten – die Daten werden dann bei Bedarf z. B. über LAN/Ethernet abgeholt und ausgewertet.
Erforderliche Datenlogger-Leistung
Zurück zu den Antriebsbatterien: Obwohl die Spannung der einzelnen Zellen in einem Akku-Pack mit etwa 4 V niedrig ist, erfordert die Messung der Zellspannungen in einem 800-V-Akku-Pack ein Gerät mit einer maximalen Nennspannung von 800 V (DC) oder mehr zwischen Klemme gegen Erde. Ein 800-V-Batterie-Pack besteht aus etwa 200 Zellen, die in Reihe geschaltet sind. Um die Spannung und Temperatur aller Zellen zu messen, werden also etwa 400 Kanäle benötigt. Hieraus ergibt sich die Anforderung von einerseits vielen Kanälen und andererseits hohen Spannungen.
Für die Lade-/Entladeprüfungen von Akku-Packs sind die folgenden Messmöglichkeiten und Leistungsmerkmale erforderlich:
➔ Hohe Isolation des Messgeräts
➔ Erweiterbarkeit der Kanalzahl des Messgeräts
➔ Datenzuverlässigkeit: Detaillierte Spannungs- und Temperaturdaten erfassen, Gegenmaßnahmen zur Bekämpfung von Störungen durch benachbarte Geräte
➔ Datenanalyse: Möglichkeit der Datenausgabe in Echtzeit
Im Hinblick auf die Isolation ist besondere Vorsicht geboten, weil die Spannung an den angeschlossenen Messmodulen und zwischen den Klemmen eines Messgeräts und der Erde nicht mit der Stehspannung des Geräts identisch ist. Die Stehspannung ist die Spannung, die an ein bestimmtes Zielgerät im ausgeschalteten Zustand eine Minute lang angelegt werden kann, ohne es bei der Stehspannungsprüfung zu beschädigen. Eine bestimmte Stehspannung bedeutet aber nicht, dass diese Spannung kontinuierlich ohne Probleme angelegt werden kann. Daher können Produkte, die mit einer Stehspannung von 800 V spezifiziert sind, unter Umständen nicht in der Lage sein, Batteriespannungen in einer Umgebung zu messen, in der eine Spannung von 800 V kontinuierlich an den Modulen oder zwischen den Geräteanschlüssen und der Erde anliegt.
Datenlogger von Hioki
Ein System mit dem LR8101 von Hioki besteht neben eben dieser Zentraleinheit (Logger-Modul) aus bis zu zehn Messmodulen. Die Messmodule werden direkt aufeinander gesteckt. So sind zwischen 15 und 300 Kanäle realisierbar. Die Zentraleinheit LR8102 kann zusätzlich mit bis zu zehn weiteren, gleichen »Datenlogger-Ketten« über Glasfaser gekoppelt werden. Somit sind Logger-Systeme mit zwischen 15 und 3000 Kanälen möglich. Die Zentraleinheit wird per LAN gesteuert.
Die beiden Typen von Zentraleinheiten unterstützen eine Kommunikation über LAN/Ethernet, die erweiterte Variante LR8102 verfügt zusätzlich über CAN, eine zweite LAN-Schnittstelle und unterstützt darüber hinaus Highspeed-Datentransfer (User Datagram Protocol, UDP).
Die beiden verfügbaren Messmodule (M7100 und 7102) unterscheiden sich in
➔ Kanalzahl: 15 oder 30 (beide mit Kanälen für Spannung/Temperatur, 100 MΩ Eingangswiederstand im 2-V- und 6-V-Bereich)
➔ Sampling-Rate: Ein A/D-Wandler pro Modul, 18 bit Auflösung und Abtastgeschwindigkeiten von
– max. 5 ms (bis 8 Kanäle)/10 ms bis 10 s (9 bis 15 Kanäle) oder
– max. 10 ms (bis 15 Kanäle)/20 ms bis 10 s (16 bis 30 Kanäle)
➔ Isolation: 300 V (DC) zwischen Kanälen, 1500 V (DC)/1000 V (AC) (CAT II) Terminals gegen Erde und zwischen Modulen oder 300 V (DC) zwischen Kanälen, 600 V (DC)/ 600 V (AC) (CAT II) Terminals gegen Erde und zwischen Modulen.
Modularer Aufbau
Ein wesentlicher Vorteil liegt im modularen Aufbau. Erst diese Bauweise ermöglicht individuelle Messsysteme von 15 bis 3000 Kanäle für Temperatur oder Spannung. Der direkte Anschluss von Thermoelementen für die Temperaturmessung wird unterstützt, es ist keine zusätzliche Signalanpassung erforderlich.
Die Sample-Raten sind relativ hoch für Datenlogger mit dieser Kanalzahl und eignen sich ideal für die Vorgänge bei der Lade-/Entladeprüfung von Hochspannungsbatterien. Dank der maximalen Abtastgeschwindigkeit von 5 ms erfassen sie detaillierte Spannungsschwankungen mit hoher Auflösung.
Darüber hinaus ist der LR8102 in der Lage, Messdaten per UDP mit hoher Geschwindigkeit auszugeben – einen Datenpunkt nach dem anderen. Mit dieser Fähigkeit lassen sich Spannungs- und Temperaturdaten während der Lade-/Entladeprüfung sogar in Echtzeit überwachen.
Die Isolationsleistung ist ein weiterer Vorteil – sie passt genau zu den genannten Anforderungen von Batterietests. Bei der Spannungsmessung in Akkuzellen oder bei der Messung der Elektrodentemperatur treten hohe Spannungen zwischen den Anschlüssen/Eingangs- kanälen und der Erde sowie zwischen den Messmodulen auf. Das M7100-Modul verwendet einen neu entwickelten Isolationstransformator, um eine 1500-V-(DC)-Isolierung zwischen den Eingangskanälen und der Erde zu realisieren. Sicherheit und Zuverlässigkeit sind dadurch gewährleistet, dass das Gerät nicht nur gleichbleibend hohen Spannungen, sondern auch vorübergehenden Spannungsstößen standhält.
Hohe Rauschfestigkeit
Lade-/Entladeprüfgeräte, die mit hohen Spannungen und großen Strömen arbeiten, neigen dazu, Rauschen zu erzeugen. Folglich ist die Messung durch nahe gelegene Geräte während der Lade-/Entladeprüfung anfällig für die Auswirkungen von Rauschen. Die Datenlogger LR8101 und LR8102 bieten eine hohe Rauschfestigkeit. Selbst in Umgebungen mit hohen Spannungen und hochfrequentem Rauschen sind sie in der Lage, stabile Messungen durchzuführen, bei denen die Messwerte nicht stark schwanken oder sich verändern.
Sicherheit durch passgenaue Testsysteme
Die Hioki-Datenlogger LR8101 und LR8102 sowie die Messmodule M7100 und M7102 sind ideal für den Einsatz bei Lade-/Entladeprüfungen von Batterien: Die Isolationsleistung erhöht die Sicherheit. Die modulare Philosophie erlaubt individuelle Systeme passend zu Anwendung und Budget, die jedoch jederzeit erweitert werden können. Die zuverlässigen Messungen und die genaue Datenerfassung unterstützen die Entwicklung von Batteriesystemen und Peripheriegeräten.
Der Autor: Ernst Bratz ist technischer Marketing Manager bei Meilhaus Elektronik
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