Schwerpunkte

Thermal Runaways unter der Lupe

Hochvolt-Temperaturmessung in Fahrzeugbatterien

16. April 2021, 15:30 Uhr   |  Nicole Wörner

Hochvolt-Temperaturmessung in Fahrzeugbatterien
© luchschenF/stock.adobe.com / CSM

Das HV-DTemp-Messsystem von CSM erfasst Temperaturverläufe zwischen den Batteriezellen - an bis zu 512 Temperaturmessstellen und über eine einzige Kabelverbindung zur HV-DTemp-P-Zentraleinheit.

Mittels hunderter genau positionierter IC-Sensoren untersucht das Temperatur-Messsystem HV DTemp von CSM Zellhotspot-Kristallisationsbereiche in Fahrzeugbatterien, die mögliche Gefahrenpotentiale für Thermal Runaways darstellen.

Fahrzeugbatterien werden insbesondere auf das Gefahrenpotential eines Thermal Runaways untersucht und getestet. Tritt ein Thermal Runaway – also die nichtaufhaltbare Selbsterhitzung einer Zelle in einer Fahrzeugbatterie – auf, kann dieser auf andere Zellen übergreifen und zur Thermal Propagation führen. Bei diesem unkontrollierbaren Prozess können die gesamte Fahrzeugbatterie zerstört und Insassen gefährdet werden.

Deshalb werden die einzelnen Szenarien, die zu einem Thermal Runaway führen können, genau untersucht. Dazu zählen insbesondere

  • die Temperaturwirkung auf die benachbarten Zellen und Module
  • die Wärmeströmung und Stauung innerhalb der Batterie.

Des Weiteren werden Missbrauchs-Tests durchgeführt, die einen Thermal Runaway auslösen können. Ein Beispiel hierfür ist der Nageltest, der einen Thermal Runaway provoziert (ein sogenannter erzwungener Thermal Runaway). Solche Tests werden in speziell gesicherten Temperatur-Prüfständen durchgeführt, in die das digitale Temperatur-Messsystem CSM HV DTemp einfach integriert werden kann.

Die CSM-Messlösung

Das Messsystem HV DTemp wurde für präzise und einfach umsetzbare thermische Untersuchungen von HV-Batterien und HV-Komponenten entwickelt. Es erlaubt die positionsgenaue, digitale und dadurch störsichere Erfassung von bis zu 512 Temperaturmessstellen über eine einzige Kabelverbindung zur HV-DTemp-P-Zentraleinheit außerhalb der Batterie.

Die verschiedenen Varianten der HV-DTemp-IC-Sensorik sind für unterschiedliche Positionen des Verbaus innerhalb der HV-Batterie optimiert. Die Größe und Form der Sensorbaugruppen und die Länge der Sensorkabel richtet sich nach den in den Simulationen errechneten Messstellen.

Das HV-DTemp-Messsystem von CSM und seine Anwendungsmöglichkeiten

HV DTemp Messsystem Gesamtansicht
Elektrofahrzeug mit HV-Batterie (schematische Temperaturverteilung).
Die HV DTemp Controller versorgen die Sensorik mit nötiger Spannung und erfassen die Messdaten. Dank ihrer kompakten Bauweise können sie direkt in der Batterie verbaut werden.

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Herausforderung: Packdichte von Zellen und Modulen innerhalb der Batterie

Die genaue Vorplanung zur systematischen, messtechnischen Untersuchung in Bezug auf Design und Auslegung der Batterie ist ein wichtiger Aspekt für eine erfolgreiche Messung am realen System. Batterie- und Temperaturmodelle zeigen schon in der Design- und Simulationsphase kritische Hotspot-Bereiche innerhalb der Batterie. Positionsgenaue Messungen auf Zell-, Modul- und Packebene sind notwendig, um die Betriebssicherheit und die Wirkung der konstruktiven Batterieeigenschaften gegen den Thermal Runaway nachzuweisen und eine Zulassung vorzubereiten.

Die Packdichte von Zellen und Modulen innerhalb der Batterie ist hierbei eine Herausforderung für die Positionierung der Sensoren: Für sie steht wegen der hohen Packdichte oft nur noch wenig Raum im mm-Bereich zur Verfügung. Meist kann das Einbringen der Sensorik nur noch während der Produktionsphase der Batterien vorgenommen werden. Hinzu kommen Messungen an allen weiteren Komponenten wie Stromschienen, Hochvolt-Verbinder, Elektronik-Komponenten und Kühl- und Heizsystem, da deren Erhitzung zusätzliche Gefahrenpotenziale hervorrufen kann.

Weiterhin werden sogenannte Worst-Case-, Missbrauchs- und Defekt-Szenarien untersucht, bei denen Zellen beispielsweise überhitzt oder überladen werden. Andererseits muss auch die Gefahr durch Alterungseffekte getestet werden. Da sich ein Thermal Runaway durch das Auftreten eines Hotspots auf Zellebene ankündigt, ist die Temperaturmessung auf Zellebene wichtig. Dabei muss verifiziert werden, wie schnell die Wärmeübertragung auf benachbarte Zellen im Modul fortschreitet und wie etwaige Kühl- und Dämmungsvorrichtungen wirken.

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1. Hochvolt-Temperaturmessung in Fahrzeugbatterien
2. Einsatz der IC-Sensorik innerhalb der Hochvolt-Batterie

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