Bezpieczne testowanie w środowiskach wysokiego napięcia

Automatyczne testowanie i ocena akumulatorów pojazdów elektrycznych

Testowanie baterii i systemów nimi zarządzających to wieloetapowy proces, podczas którego badane są różne parametry mechaniczne, elektryczne, czy środowiskowe. Badania pomiarowe obejmują cykle ładowania i rozładowywania w komorach klimatycznych, testy obciążeń zderzeniowych, przebicia, ściskania, zginania, czy wibracji. Taka różnorodność wymaga wykorzystania systemu współpracującymi z różnymi typami czujników, bezpiecznych w zakresie wysokiego napięcia i umożliwiający wygodną analizę danych wraz z ich raportowaniem. W poniższym artykule przedstawiamy rozwiązanie IMC CRONOSflex szeroko stosowane w testach akumulatorów i BMS.

Sprzęt do akwizycji danych imc w środowiskach wysokiego napięcia

W fazie projektowania nowych systemów akumulatorowych przeprowadza się rozległe testy pojedynczych ogniw, modułów, a nawet całego pakietu akumulatorowego w najróżniejszych warunkach. Ze względu na wysokie napięcia akumulatora sięgające 800 V, urządzenia pomiarowe muszą charakteryzować się wysoką izolacją galwaniczną. Zapobiega to zakłóceniom elektromagnetycznym i zapewnia bezpieczeństwo personelu podczas testów. Są to cechy charakterystyczne systemu CRONOSflex oraz modułów CANSASfit, które komunikują się z dowolnym systemem poprzez połączenie CAN oraz oferują rozwiązania zaprojektowane do pracy w pomiarach sięgających 1500V. 

• imc CANSASflex-HISO8-L – moduł przeznaczony do pomiaru napięć ogniw oraz temperatur (za pomocą czujników PT100 lub termopar).

○ Zapewnia 8 wysoce izolowanych wejść.

○ Bezpieczna praca przy poziomie napięcia do 800 V.

○ Zastosowanie pakietu np. 7 takich modułów umożliwia jednoczesny pomiar do      56 napięć ogniw.

• imc CANSASflex-HISO8-T-8L – moduł dedykowany do bezpiecznego pomiaru temperatury za pomocą termopar.

  ○ Przystosowany do środowiska wysokiego napięcia do 800 V.

  ○ Zestaw składający się z 3 modułów pozwala na jednoczesną obsługę 24              termopar.

• imc CANSASflex-SCI16 – moduł wspierający, pozwalający na łatwe rozszerzenie punktów pomiarowych systemu.

○ Wykorzystanie 2 modułów daje możliwość podłączenia dodatkowych 32 

     termopar w celu monitorowania temperatury.

• imc CRONOSflex HV4U – moduł przeznaczony do głównych pomiarów napięcia całego modułu lub pakietu akumulatoroweg

  ○ Wyróżnia się rozszerzonym zakresem pomiarowym, obsługującym napięcia rzędu 1000 V.

IMC udostępnia również dwa oprogramowania:

• IMC STUDIO - przeznaczone do zarządzania urządzeniami i pomiarem, wizualizacji danych i wstępnej analizy zarejestrowanych wyników.
• IMC FAMOS - przeznaczone do złożonych analiz zarejestrowanych nie tylko z systemów IMC. FAMOS jest otwartym środowiskiem do zarządzania całym laboratorium pomiarowym, czy projektem zrzeszającym wiele systemów w jedno spójne środowisko.

Jednostka centralna systemu imc

Wszystkie moduły pomiarowe łączą się z jednostką zarządzającą, bezpośrednio za pomocą wbudowanych zatrzasków lub za pomocą przewodów LAN. Ten drugi sposób jest szczególnie użyteczny w przypadku środowiska wysokiego napięcia, bezpiecznie oddzielając środowisko pomiarowe od operatora, czy innych modułów. Jednostki sterujące pozwalają również na rejestrowanie parametrów zdalnie, bez potrzeby podłączenia komputera. Jest to idealne rozwiązanie w przypadku mobilnych pomiarów, tam, gdzie nie mamy warunki na zorganizowanie regularnej stacji pomiarowej. Wyniki zapisywane są na kartę pamięci, a następnie nagrywane i w pełni analizowane przez oprogramowanie. 

Jednostka kontrola systemów CRONOSflex może oprócz rejestracji sygnału z wielu czujników analogowych i cyfrowych jednocześnie wysyłać komendy i sterować systemami. Umożliwia to pełną automatyzację oraz możliwość wykonywania zdalnych testów bez podłączenia komputera. 

Schematyczna budowa szafy pomiarowej. System pomiarowy imc CRONOSflex mierzy, steruje i reguluje.

Badania cyklu życia i testy niszczące

Testy akumulatorów służą określeniu cyklu życia i niezawodności pojazdu elektrycznego w różnych sytuacjach obciążeniowych m.in symulacja wypadku, mechanicznych obciażeń lub długotrwałej pracy. Testy z obciążeniami zderzeniowymi, przebicia, ściskania i zginania dostarczają informacji o bezpieczeństwie pakietu akumulatorowego i są ściśle regulowane przez normy. 

Akumulatory litowo-jonowe wymagają zapewnienia odpowiednich warunków środowiskowych dla określonych testów, ponieważ celowe zniszczenie systemu akumulatorowego prowadzi do niezwykle groźnego zjawiska ucieczki termicznej. Stopienie separatora skutkuje niekontrolowanym uwolnieniem energii zgromadzonej w ogniwach. Zawartość tlenu w otoczeniu może doprowadzić do pożaru lub eksplozji ogniw akumulatorowych. Środowisko testowe musi być zaprojektowane jako ognioodporne i przeciwwybuchowe, w przeciwnym razie fale ciśnienia muszą być kierowane w kontrolowany sposób, a powstające zanieczyszczenia poddawane filtracji.

Przykładowe testy w procesie badania akumulatorów

• Test na przebicie (Penetration Load Test) Podczas testu na przebicie, system pomiarowy imc rejestruje napięcie ogniwa akumulatorowego. Temperatura jest monitorowana za pomocą czujników temperatury, natomiast standardowa kamera wideo dokumentuje proces fizycznego zniszczenia. Wszystkie obrazy oraz dane pomiarowe są zapisywane synchronicznie w celu ich późniejszej analizy.
• Testy zderzeniowe i odporności na niewłaściwe użytkowanie (Misuse and Crash Test) Do specjalistycznych testów odkształceń mechanicznych pakietu akumulatorowego wykorzystuje się kamerę termowizyjną oraz kamerę szybkoklatkową. Obrazy i parametry z czujników tensometrycznych z testów zderzeniowych, ściskania oraz zginania są rejestrowane i zapisywane synchronicznie.
• Test wibracyjny (Vibration Test) W ramach testu wibracyjnego akumulatory poddawane są drganiom, które symulują warunki występujące podczas eksploatacji pojazdu. Pozwala to na analizę obciążeń materiałowych całego układu. Urządzenie zwane wzbudnikiem drgań generuje silne wibracje, podczas gdy system testowy stale monitoruje stan pakietu akumulatorowego w trakcie procesów ładowania i rozładowywania.
• Test cyklu życia w komorze klimatycznej (Life Cycle Test) Badanie cyklu życia pakietu akumulatorowego obejmuje trwające wiele tygodni cykle ładowania i rozładowywania, mające na celu weryfikację jego wydajności i żywotności. W tym czasie pakiet jest poddawany działaniu różnych profili temperaturowych oraz zróżnicowanych poziomów wilgotności wewnątrz komory klimatycznej.

Sterowanie stanowiskiem badawczym i analiza danych za pomocą imc STUDIO

Środowisko IMC STUDIO pozwala na zarządzanie całym torem pomiarowym tworząc automatyzację i różnego rodzaju wyzwalacze, zgodnie z zamiarami projektu. W kontekście akumulatorów środowisko może zarządzać procesem ładowania i rozładowywania z dwukierunkowego źródła DC, kontrolując i zarządzając w tym czasie warunkami środowiskowymi. Oprogramowanie pozwala na stworzenie spersonalizowanego interfejsu graficznego, i własnych wykresów do monitorowania zachowania badanego obiektu. System może działać niezależnie lub z podłączonym komputerem, w zależności od warunków pomiarowych. IMC STUDIO, wyposażone jest w szereg funkcji analizujących, pozwalających na wstępne obrobienie i przeanalizowanie pomiaru.

Dane pomiarowe rejestrowane w ramach projektu lub większej liczby cykli analizowane są z wykorzystaniem środowiska IMC FAMOS. Umożliwia to przeprowadzanie analiz pomiędzy różnymi lokalizacjami w celu spełnienia wysokich wymagań jakościowych w produkcji akumulatorów.