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Herausforderungen bei Test und Zulassung von Energiespeichern

Braunschweig, 21. Februar 2017 Christof Salcher Produktmanager Test & Measurement HBM Darmstadt

HEV2017 - 21/02/2017 | © HBM . All rights reserved, also regarding any disposal, exploitation, reproduction, editing, distribution, as well as in the event of application for industrial property rights.

Agenda

• HBM

• Test von Energiespeichern

• Messtechnische Lösung

• Zusammenfassung

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• HBM



• Zusammenfassung


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• Über 60 Jahre Erfahrung in der Messtechnik

• Über 14,000 Kunden weltweit

• Unser Anspruch ist Best-in-class messtechnische Lösungen für Forschung und Entwicklung, Produktion und Wartung

• Hohe Qualitätsstandards (ISO 9001, DKD Kalibrierung, …)

Hottinger Baldwin Messtechnik – HBM

Darmstadt Marlboro, MA / USA Suzhou, Jiangsu - China


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Sensoren

Die Vorteile Präzise Rückgeführt


Drehmoment

Druckaufnehmer

Wegaufnehmer

Mehrkompoenten

DMS (el.)

Wägezellen

Kraftaufnehmer

Optische Aufnehmer DMS (opt.)

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Datenerfassung von Aufnehmern und Signalen

High-speed

Genesis HighSpeed

QuantumX

Verteilbar

Optische Messtechnik (Interrogator)

FiberSensing

Ultra-robust

SomatXR Die Vorteile Skalierbar (Kanal, Dynamik) Einfach Integrierbar

QuantumX


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Software

Catman perception

DesignLife (FEM) Automation

Simulation Datenerfassungs- software

GlyphWorks

Zusammenarbeit

Die Vorteile Anwendungsorientiert Schnell zum Ergebnis!

Datenanalyse


Agenda

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• HBM



• Zusammenfassung


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TESLA – das neue Model 3

Zielpreis in Europa: ab 31.000 € (Lieferstart Ende 2017 ?) Innerhalb von nur 3 Tagen wurden 275.000 Reservierungen getätigt (1000 $ Anzahlung) Alleine die Ankündigung hat den Markt aufgewirbelt.

Bild: TESLA


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Dynamische Kräfte des Marktes


Mobile Energiespeicher

Interessante Unterthemen

• Technik: Neue Speichertechnologien, Brennstoffzelle, Klimaregelung, Ladesäulen, Leichtbau, Elektronik, 48V-Boardnetz, …

• Werkzeuge: Neue Entwicklungswerkzeuge, Simulation und Test • Andere: Car-sharing, Taxi (uber, my taxi, Connected (Cloud), …

• Automobilindustrie und neue Marktteilnehmer: EV, HEV, PHEV • Transport & Logistik: Nutzfahrzeuge, Drohnen • Bahn und Bus: Transportmittel • Luftfahrt: Flugzeuge (taxieren, Hydraulik ersetzen, fliegen) • Sport & Freizeit: Auto- und Motorradrennen, Pedelecs, … • Schifffahrt: Fähren, U-Boote • Maschinenbau: Werkzeuge • Medizintechnik: Prothetik • Energieanbieter: anbieten, laden

• Elektrischer Missbrauch: Überlast, Kurzschluss, Defekt, Überentladen • Mechanische Missbrauchstests: Nagel, Quetschen / Crash • Thermische Missbrauchstests: Überhitzen, Feuer • Umweltprüfungen: Klima, Korrosion, Vibration, Ingression (IP) • Transport-Test (UN38.3 – gilt z.B. nicht für NiMH) • Zulassungsprüfungen nach ECE-R100

Testen und Prüfen von Energiespeichersystemen

Funktion und Performance

• Test und Simulation unterschiedlicher Lastprofile (Strom / Widerstand, Temperaturen, Rückkopplungen, etc.)

• Kapazitäts- und Impedanzanalyse, SoC-Bestimmung • Charakterisierung und Performanceanalyse • Test Batteriemanagement (Überladesicherheit, CANbus Integration)

Lebensdaueranalyse • Langzeittests / Zyklen-Festigkeit / Zyklische Alterung

(Lade-Entladezyklen, Selbstentladung, Schnell-Ladung)

Sicherheitsprüfungen

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Standards – International: Stand Februar 2017


© Mit freundlicher Genehmigung: TÜV SÜD

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Standards – International: Stand Februar 2017


IEC Standards - Ausrüstungsseite ISO Standards - Fahrzeuge

IEC 62660-1 ISO 12405-1/-2-3 IEC 62660-3, NP ISO/IEC PRF PAS 16898 IEC 61982 IEC 60254-1/-2

ISO 18243 (mopeds/motorcylces)

Keine Standardisierung

EN 50604-1 CENELEC Light electric vehicle (LEV)

Light electric vehicle <750 kg Standard in Arbeit: UN-ECE-R136

Wichtig Standardisierung im Fluss Für welchen Markt ist das Produkt bestimmt?

Test und Analyse von Energiespeichersystemen

Beispiel: Test einer Traktionsbatterie

Traktionsbatterie

Elektrochemische Zellen

Elektrik / Elektronik

Funktionsmanagement & Diagnose

Moduldesign / -gehäuse

Thermomanagement (heizen, kühlen)



Aufbau der Traktionsbatterie


Herausforderung: unterschiedlicher Ladezustand der Einzelzellen


Netzanbindung der Traktionsbatterie

Netzspannung 400V Ausgangsspannung 0 – 750V Maximaler Strom ± 800A Maximaler Ripple ≤ 1A Maximale Systemleistung 250 kVA



Messstellen



Auszug möglicher Tests


Analyse des Innenwiderstands

Lade/Entladevorgänge, Leistungsanalyse aller Kreise

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• HBM



• Zusammenfassung


Messtechnischer Fokus von HBM

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Sensorik – Erweiterung des Portfolios

Moment / Drehzahl

Strom (Labor)

Dehnung (el / opt) Betriebsfestigkeit Energiespeicher

Thermoelemente Lebensdauer

Misuse

Gewicht Kontaktkräfte Einpresskräfte

Der Vorteil Alles aus einer Hand

Strom (Mobil) Drehmoment (50krpm)

Sicherheit von Messdatenerfassungsgeräten

IEC - International Electro Technical Commission

IEC 61010 - Safety Requirements for Electrical Equipment for Measurement, Control and Laboratory Use. • Die deutsche Version EN 61010 stuft el. Spannungen ab 30 Vrms oder 60

VDC als gefährlich ein! • Sicherheitsstandards müssen eingehalten werden: z.B. Entflammbarkeit Sehr ähnlich: IEC 1010 und UL 3111. Die Europäische Kommission hat diesen Standards übernommen und neu benannt: EN 61010

CE-Konformität

Messgeräte müssen außerdem europäischen EMV-Regulierungen genügen, um überhaupt Geräte innerhalb der EU in Umlauf zu bringen.

Messtechnische Werkzeuge müssen Standards erfüllen

VDE - Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik

Unabhängiges Institut welches Geräte oder Systemlösungen prüft, ob sie nationale und internationale Standards einhalten.


Wer darf in elektrischen Umgebungen Hand anlegen?

Die Verantwortliche Elektrofachkraft (vEFK)

Herausforderung In der Industrie findet gerade eine massive Transformation statt. Unsere Kunden mit technischem Hintergrund, z.B. Maschinenbau werden zu Elektrofachkräften ausgebildet. Das gilt für die Produktion von messtechnischen Geräten ebenfalls!

Elektrofachkraft (EFK)

Elektrotechnisch unterwiesene Person (EuP)

Elektrofachkraft für festgelegte Tätigkeiten


Messdatenerfassung

GENESIS Highspeed

3 oder 7 Steckplätze mV bis ± 1000 V Messraten: 2 MS/s (18 Bit) Bis 250 MB/s Datenspeicherung Leistungsberechnung EtherCAT-Integration PTPv2 Zeitsynchronisation

QuantumX Midspeed

Frei Skalierbar Alle physik. Messgrößen Messraten: 100 kS/s (24 Bit) Bis 12 MS/s Datenspeicherung EtherCAT- /CAN-Integration PTPv2 Zeitsynchronisation

Umrichter, Wechselrichter Dynamische elektrische Antriebe Generatoren

Energiespeicher + BMS Elektrische Antriebe / Aggregate Betriebsfestigkeit + Gewicht Temperaturanalysen


QuantumX MX809B Hochvolt 8 Kanäle

Thermoelemente Typen K, J, T, B, E, N, R, S, C,…

Spannungsmessung: +/- 5 V (Kupfer-Kupplung)

Messkategorie: 600 V CAT II / 300 V CAT III

Außerhalb der Messkategorie: bis 1.000 V DC

2.500 V transientenfest Innovatives isoliertes Steckkonzept, doppelt-isolierte

Leitung: kontaktsicher, schock und feuerfest VDE – zertifizierte Sicherheit

QuantumX MX809B für Temperatur & Zellspannungsmessung


MX809B – Sensor- oder Signalanbindung im Eigenbau

Schnell zum eigenen Sensor… 1 - Abisolieren des Kabels

2 - Anbringen der Thermo-Mini Kupplung

3 – Zugentlastung und Abstandshalter einsetzen 4 – Ummantelung montieren…

im Handumdrehen fertig !


Mobiler Fahrversuch / Erprobung

Position / Inertial GPS / IMU

Kamera(s)

Fahrzeugbus

QuantumX

Company LAN

Cloud

Mobilfunk EDGE, LTE WLAN

WLAN

EDGE, LTE

Sensoren / Signale

Tablet

Notebook (optional)

WLAN


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Test und die Analyse von Energiespeichern im Labor

SI – Automatisierung

Lastaufschaltung Energiespeicher

HBM - Messtechnik

Spannung, Strom Temperaturen Drücke, Beschleunigung Gewicht, CAN (BMS) Leistung/Effizienz

HBM – Visualisierung , Analyse, Monitoring

Datenspeicherung Datenanalyse Datenserver Sensordatenbank

Lastfälle Zyklen Sicherheit

Echtzeit Ethernet


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Test des gesamten Antriebsstrangs im Labor

Automatisierung

DYNAMOMETER (Generator) M, n Elektrischer Antriebbstrang

Drehmoment

HBM - Messtechnik

Spannung, Strom Leistung/Effizienz Drehmoment /zahl Temperaturen Drücke, Beschleunigung

Wunschvorgabe

HBM – Visualisierung , Analyse, Monitoring

Datenspeicherung Datenanalyse Datenserver Sensordatenbank

Manöver Steuerung Sicherheit Parametrierung (CAL)

Echtzeit Ethernet

Simulation

Drehzahl

Leistungsversorgung Leistungssteller


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• HBM



• Zusammenfassung


Wachsen Sie mit Ihren Herausforderungen Werkzeuge zum Messen, Analysieren, Testen und Prüfen sollten • frei skalierbar

• Kanalzahl und Dynamik • Mobil oder am Prüfstand einsetzbar • Alle Messgrößen zeitsynchron im Überblick: U, I, M, n, T, a, CAN, …..

• Ergebnisorientiert / analytisch • Kontinuierliche Rohdatenspeicherung • Online-Analyse: Leistungswerte (pro Halbwelle), FFT, erweiterbare

Formeldatenbank, FFT / Harmonische, Kennfeldanalyse (dq0), … • sicher

• Isoliert messen auf hohem Potential • Berührsicheres Gesamtkonzept

• und integrierbar sein • In Prüfstandsumgebungen – Ethernet, CAN (AuSy, HiL) • In Programmierumgebungen wie LabVIEW oder MATLAB integrierbar

Zusammenfassung


measure and predict with confidence

www.hbm.com

Dipl.-Ing. Christof Salcher Produktmanager Test & Measurement HBM Darmstadt

HBM – Lösungen aus einer Hand Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

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