Medição e Análise de Baterias para Veículos Elétricos

generic electric car with battery visible x-ray charging at public charger in city parking lot with lens flare 3d render

Todos os dias parece que estamos nos aproximando da visão de uma mobilidade mais sustentável com energia verde e veículos autônomos e eletrificados no solo, mas também na água e no ar.

A mega tendência de proteger o clima usando “soluções sustentáveis” que reduzem as emissões de CO2 é impulsionar tecnologias como baterias de alta capacidade/alta potência ou células de combustível baseadas em H2 e bateria como as principais fontes de energia móvel. Afastar-se dos motores de combustão também requer uma nova maneira de pensar no teste e na medição, incluindo novos conceitos de segurança, novos ambientes de teste, novos tipos de sensores e tecnologias de medição e análise de dados aprimorada.

Novas tecnologias de transmissão — novos requisitos de teste

Em busca de mobilidade sustentável e ecológica, a HBK começou a enfrentar desafios no desenvolvimento e teste de armazenamentos de energia móvel para veículos no início. Como líder de mercado em testes e medições, ruído e vibração e testes ambientais, a HBK obteve insights iniciais sobre os muitos requisitos e necessidades das indústrias, como veículos automotivos e comerciais, em termos de validação de armazenamento de energia inovador e conceitos gerais de NEV.

Baterias de alta tensão (HV) em veículos modernos exigem uma enorme gama de testes, estendidos por medidas especiais de segurança no manuseio de tensões elétricas perigosas e Lítio como elementos centrais do processo eletroquímico. Dentro do escopo do teste, a HBK cobre a maioria das variáveis de medição:

Tensão, corrente e potência elétrica para análise de desempenho e eficiência
Testes de curto-circuito de segurança e testes de carregamento otimizados
Força, tensão, pressão e peso para durabilidade mecânica e análise de embalagem
Temperatura, fluxo e pressão para análise de durabilidade térmica

O teste de motores de combustão inclui até 300 pontos de medição de temperatura, bem como medições altamente dinâmicas de torque, velocidade e pressão. Com a integração de baterias e células de combustível, o número de canais de medição está se movendo em direção ao armazenamento de energia como o maior componente em uma transmissão moderna.

Por que Medição e Análise de Dados?

Nas soluções de trem de força eletrificado de hoje, todos os aspectos, desde células de bateria únicas até pacotes de baterias, são cobertos por testes virtuais (simulação) e físicos com o seguinte escopo típico:

Testes de confiabilidade de bateria a longo prazo, com foco em ciclos de descarga/carregamento (lento, rápido), auto-descarga, incluindo medição de tensões e temperaturas individuais da célula, e a análise geral de potência
Teste Dinâmico com foco em energia, eficiência, feedback de carga reversa
Os testes ambientais que executam os perfis de carga mecânica orientados para casos de uso específicos em shakers, combinados com a temperatura da câmara climática para cima e para baixo
Testes de uso indevido e de impacto (sobrecarga, curto-circuito, superaquecimento, estresse mecânico, defeito)
Teste de integridade estrutural, começando com testes em veículos móveis para aquisição de dados de carga de estrada (RLDA), testes de verão/quente e inverno/frio com transientes

célula de combustível

As soluções de teste e medição da HBK são utilizadas em cooperação com clientes-chave na área de veículos elétricos com células de combustível (FCEV), com o objetivo de medir pilhas de células de combustível, reformadores (trocadores de calor, catalisadores) e outros componentes do sistema, como bombas, além de baterias para armazenamento de energia durante recuperação.

Battery Structural Testing

The battery is among the largest and heaviest part of modern electric vehicles. Overall lightweight design and flexible packaging need to be balanced. Optimal weight, structural durability, and overall life-cycle estimation are key parameters that need to be validated before the start of production. HBK is among the leading supplier of seamless measurement chains not only for measurement and physical structural durability testing, but also virtual structural durability testing and lifetime estimation.

Teste de Curto-Circuito com Pirofusível em Baterias

Qualificar os disjuntores e pirofusíveis de baterias de tração de alta potência requer a capacidade de medir correntes na faixa de alguns kiloamps com taxa de amostragem extremamente alta para capturar a corrente de pico. Também exige a capacidade de medir correntes de alguns amperes com precisão e com alta dinâmica. E devido à alta tensão, altas correntes e tempos de subida extremamente rápidos, ele coloca altas demandas no sistema DAQ usado em relação à imunidade EMI, proteção contra sobretensão e isolamento. Uma maneira de realizar testes de curto-circuito é usar sensores de corrente não lineares e gravadores de dados Genesis HighSpeed.

Teste de Células Pouch: Teste Mecânico de Baterias

Transdutores de força podem ajudá-lo a entender quão rapidamente as capacidades das baterias diminuem, pois podem ser usados para avaliar o estresse nas células da bateria durante os ciclos de carga/descarrega.

No chamado teste de célula de bolsa, um sensor de força mede o estresse que ocorre dentro da bateria sob diferentes condições de carregamento. Esse estresse é relevante para o desempenho da bateria, pois pode levar a diminuição da capacidade ou, em situações extremas, à falha completa da bateria.

Conheça as características mais relevantes do sensor de força para testes mecânicos de baterias. O artigo técnico também descreverá uma maneira fácil de estimar a incerteza de medição em testes de células de bolsa.

Leia o white paper

Qualificação e Verificação Elétrica sob Condições de Carga Dinâmica

Antes de uma bateria de tração ser introduzida no mercado, é inevitável a qualificação e verificação desses sistemas. Uma bancada de teste adequada deve cobrir uma faixa de alta tensão e corrente, bem como uma alta dinâmica e deve ser capaz de executar os testes necessários da maneira mais realista possível e de maneira orientada para a aplicação. Para isso, as técnicas de medição devem ser altamente precisas e dinâmicas.

Como isso pode ser alcançado e como o equipamento da HBK pode ajudar, você pode descobrir aqui .

Gerenciamento térmico da bateria

As baterias de alta tensão são o núcleo e o maior componente único de um veículo elétrico moderno, acionado por bateria (BEV) ou novo veículo elétrico (NEV). Trata-se de encontrar e validar os parâmetros-chave ideais para a configuração completa.

O desempenho limitado das baterias de íon de lítio em temperaturas extremas impulsiona a complexidade dos sistemas de gerenciamento térmico com os agregados auxiliares de suporte e caminhos de resfriamento a ar. Temperaturas muito altas podem levar à auto-destruição e até mesmo fogo (fugitivo térmico). Testes extensivos e validação térmica especialmente, são, portanto, vitais na configuração geral do teste.

A segurança operacional é um dos requisitos mais importantes. As expectativas em relação à vida útil variam de pelo menos 10 anos, 450.000 quilômetros ou um tempo alvo de recarga de cinco minutos com super carregadores. Além disso, a reutilização de baterias e a segunda vida útil é um tópico importante.

O gerenciamento térmico da duração da bateria é crucial para parâmetros fundamentais, como desempenho de velocidade, segurança, preços e muito mais. A análise térmica, portanto, requer inúmeros pontos de medição de temperatura com as mais altas demandas: pequenos pontos de medição, segurança máxima usando linha de detecção com isolamento duplo, canais isolados eletricamente, plugues sem contato, além dos típicos com maior precisão de sinal e supressão de ruído.

From Sensors to Qualified Data

Our end-to-end solution helps you validate and optimize HV battery storage – thermally, electrically, and mechanically.

Thermal Analysis of High-voltage Batteries

Computer-based thermal simulation done by Computational Fluid Dynamics (CFD) models serves as an important step towards optimal system design. Real physical testing, however, is still required, as simulation considers not all architectures, integration aspects or parameters.

While battery performance is monitored in climate chambers, important data is gathered. In this environmental and performance test routine, the impact of extreme temperatures can be investigated. It becomes apparent which cooling systems are the best to reach customer use and performance targets. The load case can be scaled and cover all integration levels − from component testing to the entire drivetrain − to optimize the entire system and thermal management before starting production and series.

Especialista de longa data em testes térmicos

A HBK desenvolve e oferece os componentes necessários para cadeias de medição de validação térmica há anos. Estas soluções são cobertas por cadeias de medição elétricas, ópticas ou combinadas - híbridas .

Já os motores a combustão devem lidar com o fato de que a energia gera calor. Com a eletrificação da mobilidade e a necessidade futura de desenvolver métodos de teste térmico também aqui, a HBK analisou os processos existentes e os refinou de uma nova perspectiva. Assim, toda a experiência e conhecimento foi processado e adaptado para também se tornar um especialista em testes térmicos na área de mobilidade elétrica e dentro disso, para testes de bateria.

O sistema de testes térmicos de armazenamento de energia HBK mede parâmetros que incluem tensão, corrente, temperatura, umidade, fluxo de resfriamento, pressão e sistema de gerenciamento de bateria. São feitos cálculos para energia, eficiência, monitoramento de pontos quentes, visualização e análise. A automação lida com controle de testes e segurança.

Uma solução de aquisição e análise de dados HBK fornece medições com termopares para o exterior do powertrain elétrico e para investigação profunda na bateria, incluindo tensões nas células, tensão geral e medição de corrente. As entradas universais cobrem fluxo, pressão, umidade e outros parâmetros necessários.

A HBK é o seu provedor de soluções único para análise de amostras de testes térmicos, mecânicos e elétricos.

Soluções de teste de bateria HBK: Benefícios

Beneficie-se das soluções HBK e garanta a máxima flexibilidade e proteção do investimento:

Segurança em primeiro lugar – HBK atende ao padrão de segurança elétrica EN61010
Sistema DAQ multi-físico escalonável e flexível para muitos domínios de teste diferentes: elétrico, térmico, mecânico...
O isolamento completo do canal até 1500 V DC permite a medição em alto potencial
Faixas de entrada de até +/- 1500 V, com classe de sobretensão CAT III
Qualidade do sinal imunológico do ruído eletromagnético
Digitalizadores isolados opcionais para maior isolamento e imunidade a ruídos
Conceito de software aberto poderoso, desde pronto para uso até integrado em tempo real
Análise e aquisição de dados em PC paralelamente à integração em tempo real nas bancadas de teste
Aquisição de dados de bancada, laboratório e dados móveis cobertos por uma única solução, escalável de acordo com suas necessidades

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Teste de Células Pouch: Teste Mecânico de Baterias

Qualificação e Verificação Elétrica sob Condições de Carga Dinâmica

Gerenciamento térmico da bateria

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Thermal Analysis of High-voltage Batteries

Especialista de longa data em testes térmicos

Soluções de teste de bateria HBK: Benefícios

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