Batterie-Modultests

Veröffentlicht am 12.11.2019 von Marvin Garbade

Nach der Fertigstellung des ersten voll funktionsfähigen Batteriemoduls im Juni 2019 konnten wir endlich verschiedene Testszenarien durchführen, um unser vorläufiges Design zu bewerten. Nach einigen zusätzlichen Modifikationen unseres Testmoduls und umfangreichen Vorbereitungen für eine ordnungsgemäße Prüfstandsintegration und Datenerfassung wurde uns ein 100-A-Batteriepack-Tester zusammen mit einer Klimakammer am Institut für Stromrichtertechnik und elektrische Antriebe (ISEA) zur Verfügung gestellt. Unser Akkupack ist mit einer integrierten PCM-Kühlung und einem Batteriemanagementsystem auf Basis des Open-Source-Projekts foxbms ausgestattet, das über eine CAN-Schnittstelle kommuniziert und mit unserer Steuerungssoftware verbunden ist. Das BMS erfasst Spannungs-, Strom- und Temperaturdaten in einer Frequenz von 10 Hz. 12 Spannungsmessleitungen sind mit den 12 seriell geschalteten Zellblöcken zu je 5 parallelen Zellen verbunden. Wir verwenden insgesamt 6 Temperatursensoren, die die Eckzellen, die Randzellen und die Zellen in der Mitte sowohl auf der Zellseite (durch das PCM) als auch am Minuspol erfassen. Zusätzlich wird die Umgebungstemperatur gemessen. Für eine präzise Strommessung haben wir unsere Testbatterie mit einem IVT-S Shunt-basierten Stromsensor erweitert, der von der Isabellenhütte gesponsert wurde. Er erfasst außerdem die Spannungen der Batterieschütze und -sicherungen, die bei zusätzlichen Sicherheitsüberprüfungen im BMS berücksichtigt werden. Mehr Informationen zum Aufbau des Batteriepacks haben wir in unserem vorherigen Beitrag geteilt. In diesem Beitrag wollen wir unsere Testergebnisse vorstellen und diskutieren.

Es wurden vier Szenarien getestet, wobei die ersten drei Tests des kompletten Moduls umfassen und das vierte den worst-case Notfall an einer einzelnen Zelle betrachtet. Für alle Szenarien wurden Klimakammer und Batterie auf eine Anfangstemperatur von 16 °C vorkonditioniert, wobei die Klimatisierung während der Testläufe deaktiviert blieb, um eine aktive Kühlung zu vermeiden.

1. Batterie-elektrisches Profil – das ursprüngliche Auslegungsprofil, bestehend aus einem vollelektrischen Start, Steigen auf 1000 m Höhe und einem anschließenden Reiseflug unter pessimistischen Volllastbedingungen. Der Reiseflug wird bis zum Erreichen eines beliebigen Abschaltkriteriums (60 °C / 2,9 V) fortgesetzt.

The fully-electric profile could be accomplished without any problems. In accordance with previous simulations, the maximum module current remained closely below 100 A. Shortly after the end of the climb phase, the maximum temperature of 56.3°C was measured at the cell/PCM surface in mid and edge regions where there is least convection to the surrounding environment. A temperature gradient of up to 10°C became visible and should be mitigated in the final pack design. The remaining energy was sufficient for a 18.3 min cruise flight under full-load conditions.

2. Reduziertes elektrisches Profil – elektrisches Profil mit reduzierter Steigrate. Der Steigflug wurde bei einer gemessenen Maximaltemperatur von 58 °C abgebrochen, danach wird ein Reiseflug bis zum Erreichen einer minimalen Zellspannung von 2,9 V durchgeführt.

In this test run, a more efficient climb rate of 2.4 m/s (before 3.4 m/s) was simulated by respectively decreasing power demands. The climb phase cutoff criterion (temperature > 58°C) was reached after 10.3 min, resulting in an achievable height of 1488 m. The remaining energy was sufficient for another 6.5 min cruise flight under full-load conditions.

3. REX-Profil – hybrid-elektrisches Flugprofil mit kontinuierlicher Range-Extender-Elektroleistung von 25 kW. Steigphase wird fortgesetzt, bis ein beliebiges Abschaltkriterium (60 °C / 2,9 V) erreicht ist.

In the intended hybrid-electric flight operation, cruise power demand is solely covered by the range extender while the battery serves as take-off boost and load buffer. Therefore, this test run was designed to determine the maximum achievable height with REX-assisted climbing at 3.4 m/s climb rate. The 25 kW REX contribution led to a considerable decrease of battery current and temperature rise, resulting in a measured maximum temperature of 55.4°C at which the lower cell voltage limit was reached. The climb phase lasted for 14.7 min, resulting in an achievable altitude of about 2992 m, close to our altitude limit.

4. Notfall-Profil – Worst-Case-Szenario, das einen Ausfall des Akkupacks während des Starts simuliert, getestet an einer Zelle. Der redundante (parallele) Akkupack muss Strom für beide Triebwerke liefern und eine sichere Rückkehr ermöglichen. Die Startphase wird auf den tatsächlichen Bedarf von 35 s verkürzt und die Steigphase auf das Erreichen einer sicheren Flughöhe ausgelegt. Die Abschaltkriterien werden auf 80 °C / 2,6 V erweitert.

While the intended fully-electric profile reaches a maximum current of 19.6 A (= 6.5C) on cell-level, peak current demands are more than doubled in case of a battery pack outage in the critical starting phase. Hence, cells are temporarily operated beyond their specified maximum discharge current of 30 A which has, however, not led to safety-critical conditions. A safe flight altitude of 500 m could be reached within less than 200 s and a temperature increase from 17.8°C to 63.8°C, hardly exceeding the temperature warning limit of 60°C. The remaining energy is sufficient for a 12.7 min cruise flight under full-load conditions before landing, which is certainly enough for a safe return to the airport.