Batteriezellen sind das Kernelement von Elektroautos. Im alltäglichen Einsatz sind diese vielfältigen elektrochemischen, thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt. Um Gefahren dabei zu vermeiden sowie die Qualität, Funktionalität und Beständigkeit der Batteriezellen sicherzustellen, werden die Bauteile in komplexen Prüfverfahren getestet.
Hegewald & Peschke bietet für die Prüfung von Batteriezellen ein Prüfsystem, welches neben einer Universalprüfmaschine inspekt 100 kN eine spezielle Temperierkammer zur Simulation der Umgebungsbedingungen beinhaltet. Mit der Prüfmaschine werden Druckversuche durchgeführt, um mechanische Belastungen der Batteriezellen zu simulieren, die aufgrund von Wärmeeffekten und der Einbausituation entstehen. Druckplatten simulieren im Prüfsystem diese Belastung. Die obere Druckplatte passt sich dem Prüfling durch eine Pfannenlagerung an und kann zudem in der jeweilig gewünschten Position fixiert werden. Das Prüfsystem ist für eine maximale Belastung der Batteriezellen mit 100 kN Druckkraft ausgelegt, wobei auch höhere Prüfkräfte durch Einsatz einer anderen Prüfmaschine realisiert werden können.
Bedeutende Prüfprozesse für Batteriezellen
Das Prüfsystem bietet die Möglichkeit mit drei verschiedenen Belastungsarten auf die Batteriezellen einzuwirken: thermisch – über die Temperierkammer, mechanisch – über die Prüfmaschine sowie elektrisch – über die Be-/ Entladung der Batteriezelle. Durch Modifikation der einzelnen Belastungen können verschiedene Prüfabläufe durchgeführt werden.
Zu Beginn eines Versuchsablaufes kann die Batterie durch die Prüfmaschine mit einer definierten Kraft vorbelastet werden. Anschließend regelt die Temperierkammer die in der Software eingestellten Temperatur. Daraufhin werden viele Ladezyklen der Batterie nacheinander durchgeführt. Die Batterien werden bspw. zehnmal nacheinander aufgeladen und wieder entladen – bei gleicher Last und Temperatur. Im Anschluss wird die nächste Temperatur und/oder Last eingestellt.
Die mechanische Belastung kann bei den Versuchen in drei verschiedenen Betriebsarten aufgebracht werden. Eine Möglichkeit ist es, die Position der Druckplatten zu halten, wodurch die Kraft bei einer Ausdehnung der Zelle ansteigt und bei einer Schrumpfung wieder fällt. In einer anderen Versuchseinstellung hält die Maschine die Kraft konstant, sodass die mechanische Belastung auf die Batterie immer gleich bleibt. Beim Einbau der Batteriezellen in die Fahrzeuge werden oftmals Federn genutzt, um entstehende Kräfte auszugleichen. Um dies bereits bei der Prüfung zu berücksichtigen, kann die Wirkung der Federn im Prüfsystem simuliert werden. Die Software LabMaster sorgt in diesem Fall dafür, dass sich die Prüfmaschine wie eine Feder mit vorgegebener Federkonstante verhält. Die Wirkung auf die Batteriezellen entspricht damit dem Einbau im Fahrzeug in einem Rahmen mit Federn. Bei allen Prüfabläufen wird stets das Zusammenspiel der drei Parameter Temperatur, Ladezustand und Kraft sowie deren Effekte untereinander überprüft.
Prüfsoftware zum Test der Batteriezellen
Die Material- und Bauteilprüfsoftware LabMaster bietet die Möglichkeit, flexibel auf verschiedenste Anforderungen in einem Prüfablauf einzugehen. Damit können die hohen Anforderungen an die Prüfabläufe bei der Batteriezellenprüfung sicher und reproduzierbar abgebildet werden.
Alle Anlagenparameter werden über ein speziell eingerichtetes Blockprogramm zentral gesteuert. Die Messwerte der externen Kanäle wie Ladespannung und Zelltemperatur werden über ein Analogsignal erfasst und sind in der Prüfsoftware zur Auswertung verfügbar. Es werden zudem Fehlerzustände bspw. in der Gassensorik erfasst und die Reaktion der Prüfmaschine auf Alarme im Prüfablauf gesteuert. Die einzelnen Schritte im beschriebenen Prüfablauf können mit dem Blockprogramm sehr flexibel konfiguriert werden – sie können in beliebiger Anzahl und Reihenfolge mit beliebigen Parametern kombiniert werden. Für jeden Schritt können bei Bedarf eigene Kriterien bzgl. der zu überwachenden Parameter festgelegt werden.
Zur Durchführung von Langzeitversuchen über mehrere Tage verfügt LabMaster über verschiedene Möglichkeiten einer effektiven Datenreduzierung. Die Prüfsoftware erfasst sämtliche Messdaten aller angeschlossenen Systeme alle 20 Millisekunden. Dies führt bei langen Versuchen zu großen Datenmengen, die schlecht zu handhaben sind. Daher werden diese Messdaten auf eine sinnvolle Menge reduziert, indem redundante Werte herausgefiltert werden. Die Kriterien dafür können für jeden Prüfschritt separat angepasst werden, sodass zu jedem Zeitpunkt genau die Daten gespeichert werden, die für die spätere Auswertung relevant sind.
Umfassendes Sicherheitskonzept
Da die Prüfung von Batteriezellen ein erhöhtes Gefährdungspotenzial durch entstehende Gase oder austretende Säuren birgt (Eucar Hazard Level 6), müssen besondere Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden. Die Temperierkammer, welche Temperaturbedingungen zwischen –40°C und +120°C herstellen kann, verfügt deshalb zusätzlich über eine Gassensorik für O2, H2S, SO2, CO, H2. Eine Statusanzeige mit Turmlichtsignal informiert ständig über den atmosphärischen Zustand in der Temperierkammer. Neben dem Erreichen der inerten Atmosphäre werden ein Voralarm bei bestimmten Gasschwellwerten sowie ein Hauptalarm beim Überschreiten dieser signalisiert. Der Hauptalarm löst dann neben einem zusätzlichen akustischen Signal auch eine Havariespülung mit Stickstoff aus. Weiterhin werden bei dieser Alarmstufe alle Anlagen automatisch gestoppt. Die Temperierkammer ist ausgestattet mit einem rahmenbeheizten Sichtfenster mit 5-fach Verglasung mit optischem Glas und einem Schutzgitter als Splitterschutz. Eine Druckentlastungsklappe stellt den Überdruckschutz und den Überdruckausgleich im Havariefall sicher. Durch den Anschluss an ein Abluftsystem und eine elektrische Verriegelung der Kammertür werden weitere Risiken vermieden. Durch dieses ganzheitliche Sicherheitskonzept werden Gefahren wie Bruch, Feuer, fliegende Teile sowie der Verlust von Elektrolyt (nach Hazard Level 6) abgesichert.
Prüflösungen für Batteriezellen und Komponenten
In dem konkreten Prüfsystem werden sowohl Einzelzellen als auch Batteriezellverbunde bis 10 kWh Energieinhalt geprüft. Hegewald & Peschke bietet außerdem weitere Prüflösungen für die unterschiedlichen Komponenten und Werkstoffe an, aus denen Batteriezellen bestehen. Mit jeweils für den konkreten Prüfablauf ausgestatteten Universalprüfmaschinen können dann u. a. auch folgende Materialprüfungen und Bauteilprüfungen durchgeführt werden: Zugversuche und Durchstoßversuche an Elektrodenfolien, Haftfestigkeitsuntersuchungen an Elektrodenbeschichtungen.
