Batterien unter Stress

Klimatische Einflüsse wie Feuchtigkeit, Hitze und Frost setzen Lithium-Ionen-Batterien in Elektrofahrzeugen zu, aber auch mechanische Beanspruchungen, die vom Fahrzeug selbst kommen wie zum Beispiel Vibrationen durch Straßenunebenheiten. Die Batterien müssen diesen Belastungen stets standhalten können, sodass die Fahrt bei Regen über eine asphaltierte Straße ebenso sicher ist wie die Fahrt bei Hitze über eine unebene Straßenoberfläche.

Bei mechanischer Beschädigung von Lithium-Ionen-Batterien, die beispielsweise durch Alterungserscheinungen oder Einflüsse von außen hervorgerufen werden, kann sogar Brandgefahr bestehen. Im schlimmsten Fall kann sich die Zelle bei Beschädigung zersetzen, sodass auf der Oberfläche Temperaturen von bis zu 800 °C entstehen können.

Prüfschränke, mit denen Vibration und Umwelteinflüsse auch in Kombination miteinander simuliert werden können, entwickelt Weiss Umwelttechnik. So können die Batterien schon im sehr frühen Entwicklungsstadium bis hin zur Markteinführung und darüber hinaus auf mögliche Qualitätsmängel und ihre Lebensdauer getestet werden. Die Belastungen in der Prüfkammer werden durch geraffte Vibrations- und Klimaprofile simuliert und können so Beanspruchungen darstellen, welche oftmals mehrere Jahre bis hin zu Jahrzehnten Betriebsdauer entsprechen.

Eine solche Prüfkammer wurde im Januar 2015 beim Analyse- und Testdienstleistungs-Unternehmen IABG in Betrieb genommen. Hierbei handelt es sich um einen leistungsstarken Vibrationsprüfstand mit integrierter Klimakammer. Dieser mehraxiale Shaker erlaubt sehr komplexe Schwingungsprüfungen unter Einfluss gezielter Umweltsimulation (Temperatur und Feuchte).

Dieser Hightech-Prüfstand, Light Multi Axis Shaker (Limas) genannt, ist ein hydraulisches Hexapod-System mit sechs Freiheitsgraden und eignet sich für Vibrationsversuche von 0,5 bis 200 Hz bei Beschleunigungen bis zu 130 m/s². Durch mehraxiale Anregungen können Vibrationsbelastungen über einen breiten Frequenzbereich simultan in allen translatorischen und rotatorischen Freiheitsgraden nachgebildet beziehungsweise simuliert werden. Die Integration des Systems in eine Klimakammer erlaubt es zudem, die mechanischen Prüfungen mit einer Umweltsimulation bei Temperaturen von -40 °C bis +95 °C und einer Luftfeuchtigkeit von bis zu 95 % relativer Feuchte zu kombinieren.

Diese Kombination ist beispielsweise wichtig, um das Verhalten von Batterien bei unterschiedlichen Temperaturen und den jeweiligen mechanischen Belastungen darzustellen. Denn nicht nur am Prüfstand, sondern auch bei ihren späteren Einsätzen rund um die Welt werden Batterien diesen Beanspruchungen in Kombination stets standhalten müssen.

Auch das Fraunhofer LBF nutzt Technik von Weiss Umwelttechnik, um kombinierte Batterie-Tests aus Bewegung, Vibration und verschiedenen Klimaeinflüssen unter realistischen Bedingungen durchzuführen: Das Institut in Darmstadt untersucht seit 2013 mit einer speziell dafür ausgerüsteten Forschungsflotte aus Elektro- und Hybridfahrzeugen Lastgrößen, um sie in geeigneter Form für die laborgestützte Betriebslastensimulation aufzubereiten und in einer entsprechenden Prüfeinrichtung für die Batteriesystemprüfung zu nutzen. Hierfür werden relevante und lastseitig anspruchsvolle Betriebsbedingungen vorrangig im Hinblick auf mechanische und elektrische Lastgrößen betrachtet und die Ableitung entsprechender Fahrzyklen für die Elektrotraktion beschrieben.

Die im Fahrbetrieb gemessenen Last-Zeitreihen bilden dann die Basis für die Betriebslastensimulation in einer Laborprüfumgebung, die am Fraunhofer Zentrum für Systemzuverlässigkeit in Darmstadt zur Verfügung steht und deren zentrale Komponente ein multiaxialer, parallelkinematischer Schwingtisch (Mast) ist, der bei einer Prüflingsmasse von 250 kg mit Prüffrequenzen bis 200 Hz bei über 100 m/s² (ca. 10 g) betrieben werden kann. Mit einem Aufmaß von 2,2 m x 1,9 m für eine maximale Zuladung von 1000 kg wurde der Mast in eine 60 m³ große Klimakammer von Weiss Umwelttechnik integriert. Temperaturwechsel zwischen -40 °C und +80 °C sind mit einem Temperaturdelta von 4 K pro Minute durchführbar. Neben der Möglichkeit vollständiger Stickstoff-Inertisierung und Regulierung der Luftfeuchte zwischen 10 % und 90 %, bietet das leistungsstarke Klimasystem (250 kW) Sicherheitseinrichtungen zur Druckentlastung, sensorgesteuerte Gaswarnanlage sowie eine Wassernebellöschanlage.

Der Mast ist um die drei Raumachsen translatorisch und rotatorisch bewegbar, sodass Beschleunigung, Bewegung in jede Richtung und Vibration simuliert werden können. Die Kammerseitenwände bestehen aus einem elastischen Material, sodass die mechanische Belastung des Prüflings bei der Bewegung des Schwingtischs nicht auf die Elemente der Klimatisierung übertragen wird.

Ergänzt wird das Duo aus Mast und Klimakammer durch einen leistungsstarken Batterietester mit einem Spannungsbereich von 8 bis 800 V bei Stromstärken bis 600 A bidirektional. Über die funktionale Anbindung der Batteriesystemkühlung hinaus kann eine informationstechnische Integration des Batteriemanagementsystems in die Fahrzeug-Restbussimulation umgesetzt werden. Die vollständige Automatisierung der Testabläufe über Hardware in the Loop (HIL) und die Kopplung der Systemtests mit numerischen Modellen des Gesamtfahrzeugs ist für verschiedene Antriebskonzepte und differierende Betriebsstrategien umsetzbar. ■

Andrea Bodenhagen

Marketingleiterin

Weiss Umwelttechnik