Kurzschlusstests an Batteriesystemen sicher und reproduzierbar durchführen

Ein Kurzschluss gehört zu den kritischsten Fehlerfällen eines Batteriesystems. Für Entwicklung und Validierung muss genau dieser Zustand jedoch gezielt hergestellt werden. Dabei geht es sowohl um die Reaktion des Batteriemanagementsystems und der Sicherheitseinrichtungen als auch um das Verhalten von Zellen, Modulen oder vollständigen Batteriepacks unter Kurzschlussbelastung. 

Hohe Ströme müssen sicher geschaltet, schnelle Vorgänge zuverlässig erfasst und der Kurzschlusspfad so ausgelegt werden, dass der Prüfaufbau das Ergebnis möglichst wenig beeinflusst. Der Batterie-Kurzschluss-Tester von SMART TESTSOLUTIONS ist dafür modular aufgebaut und lässt sich auf unterschiedliche Prüflinge, Messaufgaben und Testumgebungen abstimmen. 

 

Unterschiedliche Prüfziele stellen unterschiedliche Anforderungen

Ein wichtiges Einsatzgebiet ist die Validierung von Sicherheitseinrichtungen. Dabei wird geprüft, ob beispielsweise Hochvolt-Schütze, Schmelzsicherungen oder Pyrosicherungen im Fehlerfall korrekt reagieren und den Strompfad unterbrechen. 

Relevant ist dabei nicht nur die Abschaltung selbst, sondern auch ihr zeitlicher Verlauf: Wann reagiert die Sicherheitseinrichtung und wie verändern sich Strom und Spannung? 

Daneben kann das Verhalten des Batteriesystems selbst untersucht werden. Dazu können Schutzmechanismen gezielt umgangen werden, um eine Zelle, ein Modul oder einen vollständigen Batteriepack unter Kurzschlussbelastung zu prüfen. Untersucht werden können unter anderem Spitzenströme, Entladeverhalten und thermisches Verhalten. 

Die Auslegung des Kurzschlusstestsystems richtet sich damit nach dem jeweiligen Prüfziel. 

 

Der Prüfaufbau beeinflusst den Kurzschlussstrom

Bei einem Kurzschlusstest beeinflusst nicht nur die Batterie den resultierenden Strom. Auch Leitungen, Kontaktstellen, Schaltelemente und Messwiderstände sind Teil des Strompfads. 

Zusätzliche Leitungs- und Übergangswiderstände können den Kurzschlussstrom und damit das Prüfergebnis verändern. Deshalb muss der elektrische Aufbau als Ganzes betrachtet werden. 

Wird der Kurzschlussschalter möglichst nah am Prüfling platziert, lassen sich die Hochstromleitungen kurz halten und zusätzliche Einflüsse durch den Prüfaufbau reduzieren. Wie der Strompfad konkret ausgelegt wird, hängt von der jeweiligen Testanforderung ab. 

Entscheidend ist ein definierter und reproduzierbarer Prüfaufbau, der den vorgesehenen Fehlerfall abbildet. 

Hohe Ströme schalten und schnelle Vorgänge erfassen

Der Kurzschlussschalter von SMART TESTSOLUTIONS ist für Systemspannungen bis 1.000 V und kurzzeitige Ströme bis 40.000 A ausgelegt. Eine weitere Anforderung ist, ob der Kurzschluss während des Tests bei noch fließendem Strom wieder getrennt werden muss. Auch diese Anforderung beeinflusst die Auswahl und Auslegung des Kurzschlussschalters. 

Für die Auswertung ist neben dem maximalen Strom vor allem dessen zeitlicher Verlauf im Zusammenspiel mit Spannung und Temperatur relevant. Die Messtechnik kann diese Größen mit bis zu 1 MSample je Kanal erfassen. Anzahl, Messbereich und Art der benötigten Messkanäle werden passend zur jeweiligen Prüfaufgabe ausgelegt. 

So lässt sich nachvollziehen, wann der Kurzschluss hergestellt wird, wie sich Strom und Batteriespannung entwickeln und zu welchem Zeitpunkt eine Sicherheitseinrichtung reagiert. 

 

Kurze Hochstromwege und geschützte Messtechnik

Kurzschlussschalter und Messtechnik können räumlich getrennt voneinander eingesetzt werden. 

Der Schalter befindet sich dabei möglichst nah am Prüfling, damit die Hochstromleitungen kurz bleiben. Die Mess- und Steuerungstechnik kann außerhalb des unmittelbaren Gefahrenbereichs positioniert werden. 

Das ist vor allem bei Prüfungen relevant, bei denen eine starke thermische Reaktion des Batteriesystems nicht ausgeschlossen werden kann. Je nach Anwendung kann der Kurzschlussschalter beispielsweise in einem Sicherheitscontainer oder einer Klimakammer betrieben werden. 

 

Modularer Aufbau für unterschiedliche Prüfaufgaben

Ob einzelne Zelle, Modul, Fahrzeugbatterie oder stationärer Batteriespeicher: Spannung, Strom, Messaufgabe und Testumgebung unterscheiden sich je nach Anwendung. 

Kurzschlussschalter, Mess- und Steuerungstechnik sowie weitere Komponenten werden deshalb entsprechend der jeweiligen Prüfaufgabe zusammengestellt. Vorhandene Messtechnik kann ebenso berücksichtigt werden wie zusätzliche Widerstände oder Induktivitäten. 

Auch die Integration in bestehende Testumgebungen ist möglich. Der Kurzschlusstester kann über Ethernet bedient und in eine vorhandene Not-Aus-Kette eingebunden werden. 

Damit wird nicht der Test an einen starren Prüfstand angepasst, sondern der Prüfaufbau an die konkrete Aufgabe. 

 

Sicherheit muss Teil des Prüfaufbaus sein

Ein Kurzschlusstest bringt den Prüfling bewusst in einen kritischen Betriebszustand. Bei starker thermischer Belastung kann es zu einem Thermal Runaway mit hohen Temperaturen, Rauchentwicklung und Brand kommen, im Extremfall auch zu einer Explosion. 

Das Kurzschlusstestsystem muss deshalb in das Sicherheitskonzept der jeweiligen Testumgebung eingebunden werden. Welche Maßnahmen dafür erforderlich sind, richtet sich nach Prüfling, Prüfziel und vorhandener Infrastruktur. 

 

Die Prüfaufgabe bestimmt das Testsystem

Am Anfang steht deshalb nicht allein die Frage, wie viel Strom ein Tester schalten kann. Zunächst muss geklärt werden: 

• Was soll geprüft werden: Zelle, Modul, Batteriepack oder Sicherheitseinrichtung? 
• Welcher Fehlerfall soll nachgebildet werden? 
• Welche Strom-, Spannungs- und Temperaturverläufe müssen erfasst werden? 
• Wie muss der Strompfad ausgelegt sein? 
• Welche Sicherheitsinfrastruktur ist vorhanden? 
• Welche Mess- und Steuerungstechnik wird benötigt? 
• Nach welcher Norm soll geprüft werden? 

Auf dieser Grundlage lassen sich Kurzschlussschalter, Messtechnik, Prüflingsanbindung und Sicherheitsintegration passend zur jeweiligen Prüfaufgabe auslegen. 

Denn erst ein definierter Prüfaufbau macht aus einem provozierten Kurzschluss einen reproduzierbaren Test.