Komplexe Test- und Prüfanordnungen, lange Testzeiten, das Einhalten von Sicherheitsanforderungen und die Vermeidung von Gefahren: Dies sind die Anforderungen, die Ingenieure bei der Überprüfung von Lithium-Ionen-Batterien für die Elektromobilität einhalten müssen. Außerdem erfordert das Testen für eine bestimmte Anwendung die Nachbildung realer Bedingungen, bei der Kommunikationssignale von der Batterie, dem System oder externen Geräten beantwortet werden müssen. Außerdem benötigen Batterietestgeräte Platz und erfordern eine Investition. Deshalb ist es wichtig, die richtige Lösung für die Prüfung zu wählen, die für verschiedene Anwendungen und Bedürfnisse flexibel einsetzbar ist. NHR (Exklusiv-Vertrieb durch Caltest) bietet Lösungen für diese Probleme.

Prüfung von Batteriemodulen und -packs

Bild 1: Die technische Charakterisierung und Fertigungstests für Batterien finden auf Modul- und Pack-Ebene statt.

Bild 1: Die technische Charakterisierung und Fertigungstests für Batterien finden auf Modul- und Pack-Ebene statt. NHR

Die Prüfung von Batteriemodulen und -packs (Bild 1) ist für die Beurteilung des Zustands und der Leistungsfähigkeit der Batterie von entscheidender Bedeutung. Dies umfasst Messungen des Ladezustands (SoC), der Entladungstiefe (DoD), des DCIR und des Gesundheitszustands (SoH). Es erfolgen auch Tests, um die Leistung der elektronischen Komponenten und Systeme, die an die Batterie angeschlossen sind, zu beurteilen.

Die Batterietests auf der Modul-Ebene umfassen gewöhnlich Lade- und Entladetests, um sicherzustellen, dass die Zellenanschlüsse ausreichend fest und dick sind, um die erwarteten Strombelastungen ohne Schwächung, Versagen oder Überhitzung zu bewältigen. Zusätzliche Tests können erfolgen, um sicherzustellen, dass der Ladezustand der einzelnen Zellen ausgeglichen ist, die Meldung der Spannungen korrekt geschieht und die Temperatursensoren wie erforderlich funktionieren.

Test auf Pack-Ebene

Die Prüfungen auf der Pack-Ebene geschehen nach dem Zusammenbau oder kurz vor dem endgültigen Zusammenbau (Endprüfung). Eine vollständige Testreihe, einschließlich Prüfung der Sicherheitsmechanismen, der externen Hardware und der BMS-Kommunikation, ist erforderlich, um sicherzustellen, dass jedes Pack-Teilsystem ordnungsgemäß funktioniert. Nach dem Abschluss der Tests können zusätzliche Tests der Packs durchgeführt werden, um die typischen Bedingungen zu simulieren, denen die Packs nach dem Einbau in das Endsystem ausgesetzt sein können. Bei EV-Batterien wird so herausgefunden, nach wie vielen Fahrzyklen bei einem bestimmten Design die Fahrzeugleistung beeinträchtigt wird.

Stufen der Batterieprüfung während Entwicklung und Herstellung

Zunächst stehen für die Batterien eine technische Charakterisierung und Fertigungstests auf dem Plan.  Das vorrangige Ziel der Tests zur technischen Charakterisierung ist es zu prüfen, ob die Batterie die Designspezifikationen erfüllt. Wenn ein Ingenieur zum Beispiel eine Batterie für einen Elektrolastkraftwagen entwirft, muss diese eventuell andere Eigenschaften haben als eine Batterie für ein kleines Stadtverkehrsfahrzeug. Im Wesentlichen erfolgen die Tests zur technischen Charakterisierung um eine „gute Batterie“ zu definieren, also eine Batterie, die alle Designspezifikationen erfüllt. Die Designvalidierung erfordert einen erheblichen Zeitaufwand für das Testen aller Ausnahmefallszenarien, um sicherzustellen, dass das Design alle Anforderungen der Anwendung erfüllt.

Die Fertigungstests finden nach der technischen Charakterisierung statt. Das vorrangige Ziel der Fertigungstests ist es, zu verifizieren, dass die Batterie gemäß den Designspezifikationen hergestellt wird. Wegen des hohen Produktionsausstoßes steht für Tests während der Fertigung erheblich weniger Zeit zur Verfügung. Im Normalfall kann die Systemvalidierung auf der Pack-Ebene für jede Einheit durchaus sechs Minuten oder mehr in Anspruch nehmen. Ein Beispiel: Ein EV-Hersteller plant die Herstellung von 40.000 oder mehr Batteriepacks pro Jahr. Wenn die Prüfung einer Batterie sechs Minuten dauert, wären 4000 Mannstunden beziehungsweise mehr als ein Mannjahr erforderlich, um dieses Ziel zu erreichen. Diese Berechnung beruht auf der Annahme, dass keine Fehler auftraten und kein Test wiederholt werden muss, was grundsätzlich unwahrscheinlich ist. Eine auch nur kleine Verringerung der Testzeit kann zu einer sehr großen Zeit- und Kostenersparnis und zu einem höheren Produktionsausstoß führen.

Zyklisierung ist unerlässlich

Ein Kernelement der Prüfung von Batteriemodulen und -packs ist die Zyklisierung der Batterien. Batteriezyklisierung ist der Vorgang des Aufladens und Entladens einer Batterie und spielt bei allen Tests eine Rolle. Wie eine Batterie zyklisiert wird, hängt von der Zellchemie, der Anwendung und den Prüfzielen ab.

Unterschiedliche Anwendungen erfordern schneller oder langsamer Energie oder haben einen höheren oder niedrigeren Energiebedarf. Wegen dieses unterschiedlichen Energiebedarfs ist eine Batterie entsprechend zu testen, um sicherzustellen, dass sie die Endanforderungen der Anwendung erfüllt. Dies erfordert ein Verfahren zur Änderung der Menge und der Geschwindigkeit der Zufuhr der Energie, die von der Batterie verlangt wird. Deshalb ist die Batteriezyklisierung von entscheidender Bedeutung.

Übliche Arten von Batterietests

Dynamischer Stresstest einer EV-Batterie: Die Belastungstests stellen die Leistungsfähigkeit der Batterie im Zeitverlauf dar.

Bild 2: Dynamischer Stresstest einer EV-Batterie: Die Belastungstests stellen die Leistungsfähigkeit der Batterie im Zeitverlauf dar. NHR

Neben den typischen Lade- und Entladetestes erfordern heutige Anwendungen komplexere Tests mit kombinierten Auf- und Entlademustern zur Ermittlung spezifischer Batterieeigenschaften. In den meisten Fällen wird eine Automatisierungssoftware (Sequenzer oder Controller) benötigt, um diese Daten zu erfassen und zu verwalten, und um zusätzliche Instrumente, zum Beispiel BMS-Wärmekammern und -Kühler zu integrieren.

Leistungszyklus- und Belastungstests, RPT

Leistungszyklustests simulieren reale Bedingungen, unter denen eine Batterie eingesetzt wird. Beispiele hierfür sind Fahrzyklen, Netzzyklen und Flugprofile. Lebenszyklustests beinhalten viele Leistungstests innerhalb eines verkürzten Zeitraums, um Ausfallraten vorherzusagen. Ebenso erfolgen Belastungstests, um die Grenzen der Batterie unter harten Bedingungen, zum Beispiel bei extremen Temperaturen oder wiederholt auftretender Schwingungs- und Stoßbeanspruchung, auszuloten.

Gewöhnlich geschehen mehrere Tests an ein und derselben Batterie. Zum Beispiel werden EV-Batterien mit mehreren Testprofilen getestet, um sicherzustellen, dass sie die Leistungserwartungen bei unterschiedlichen Einsatzmustern sowie internationale Normen erfüllen. Einige EV-Fahrzyklustestprofile: FUDS (USA), US06 (USA), WLDC (EU), NEDC (EU), CLTC (CN), JC08 (JP).

Reference Performance Tests (RPTs) erfolgen periodisch, um die Leistungsfähigkeit der Batterie im Zeitverlauf darzustellen. RPTs beinhalten normalerweise verschiedene Testarten, um eine Kombination verschiedener Variablen zu untersuchen. Zum Beispiel kann eine EV-Batterie einem RPT unterzogen werden, um die Speicherkapazität nach 100, 200 oder 1000 gefahrenen Kilometern zu ermitteln. In diesem Fall würde zwischen den Leistungstests jeweils eine Kapazitätsprüfung stattfinden. Die Kombination von HPPC- (Hybrid Pulse Power Characterization), Leistungsspitzen- und Kapazitätsprüfungstests kann auch eine Ausgangsbasis für die Beurteilung der Veränderung der Batterie im Zeitverlauf liefern (Bild 2).

BMS-Datenprüfung und Hardwaretests

Bild 3: Auch das Batteriemanagement muss auf den Prüfstand. Der Test stellt fest, ob die Kommunikation funktioniert und das BMS die entsprechenden Industrienormen erfüllt.

Bild 3: Auch das Batteriemanagement muss auf den Prüfstand. Der Test stellt fest, ob die Kommunikation funktioniert und das BMS die entsprechenden Industrienormen erfüllt. NHR

Das (BMS) kommuniziert über Kommunikationsprotokolle mit den anderen Komponenten des Systems oder Produkts, beispielsweise über CAN, Modbus, serielle Schnittstellen (422, 485) etc. Die BMS-Software und -Hardware wird normalerweise auf der Pack-Ebene getestet, um sicherzustellen, dass alle Teile der Batterie zusammenarbeiten und das BMS zuverlässig und richtig funktioniert (Bild 3). Ingenieure müssen das BMS testen, um sicherzustellen, dass es anwendbare Industrienormen erfüllt, zum Beispiel die ISO 26262 und die IEC 62304.

Die Batterie selbst spielt bei der Validierung des BMS eine untergeordnete Rolle. Die Überprüfung der vom BMS gemeldeten Messungen erfordert gewöhnlich die Zyklisierung der Batterie, um die in diesen Systemen eingesetzte Software und Hardware zu beurteilen. Zum Beispiel werden Spannung, Strom, Leistung, Temperatur, Energie (Ah oder kWh), verfügbare Leistung und Ladezustand (SoC) gemessen. Ein Beispiel für eine BMS-Validierung ist die Prüfung, ob das BMS die Kapazität richtig berechnet. In diesem Anwendungsfall wird die Batterie entladen und bis zu einem bekannten Punkt aufgeladen, gefolgt von einer Messung der Amperestunden (Ah). Die vom BMS geschätzte Kapazität wird mit der tatsächlich an der Hardware gemessenen Kapazität verglichen.

Teilkomponenten- und Umgebungsprüfungen

Bild 4: Neben der Batterie selbst sind auch die umliegenden Komponenten wie Sicherungen, Anschlüsse und Kabel einer Prüfung zu unterziehen.

Bild 4: Neben der Batterie selbst sind auch die umliegenden Komponenten wie Sicherungen, Anschlüsse und Kabel einer Prüfung zu unterziehen. NHR

Batterien haben gewöhnlich externe Teilkomponenten zum Anschluss der Batterie und zum Schutz der Batterie beim bestimmungsgemäßen Gebrauch. Diese Hilfsvorrichtungen, zum Beispiel Batteriesicherungen, -anschlüsse und -kabel, sind zu prüfen, um die Sicherheit und eine gute Leistung zu sicherzustellen. Auch bei diesen Tests spielt die Batterie eine untergeordnete Rolle und wird zyklisiert, um das mechanische, strukturelle und thermische Verhalten und die Eigenschaften dieser Komponenten zu untersuchen (Bild 4).

Batterietestsysteme der nächsten Generation

Wesentliche Trends in der Batterieprüftechnik sind unter anderem höhere Spannungen für schnelleres Laden, größere Leistungsbereiche, schnellere Reaktionszeiten zur Simulation der realen Bedingungen in Elektrofahrzeugen und mehr Umwelttests mit einem breiteren Anwendungsspektrum. In wirtschaftlicher Hinsicht geht der Trend hauptsächlich hin zu sinkenden Batteriekosten, dem vermehrten Einsatz von Lithium und alternativer Materialien, kürzeren Entwicklungszyklen wegen des zunehmenden Wettbewerbs und des Marktwachstums und zunehmendem Outsourcing der Tests wegen des Fachkräftemangels.

Aufgrund dieser Trends müssen Batterietestsysteme nun Folgendes bieten: größere Betriebsbereiche (insbesondere Spannung und Leistung), modulare Konfigurationen mit skalierbarer und erweiterbarer Leistung, mehrere Schichten integrierter Sicherheitsmerkmale, schnelle transiente Reaktionszeiten, integrierte Messungen und einfache Einbindung von Drittherstellergeräten. Um die passende Lösung für die Prüfungen auswählen zu können, muss ein Prüfplan entwickelt werden, der die aktuellen und künftigen technischen und geschäftlichen Anforderungen und die Bedürfnisse der Benutzer berücksichtigt.  Wichtige Bestandteile eines Prüfplans sind die Automatisierungssoftware, die Hardware zum Zyklisieren der Batterie und weitere externe Geräte, einschließlich Kammern, Datenerfassung, Relais, Ein- und Ausgänge und Hilfsstromquellen und -verbraucher.

Batterietestsysteme der nächsten Generation bieten verschiedene Automatisierungsmöglichkeiten, zum Beispiel mehrere Programmiersprachen oder einen leistungsfähigen Test-Executive, mit denen die Komplexität sinkt und die Softwareentwicklungszeiten kürzer ausfallen. Auf der Hardwareseite benötigen Batterietestsysteme eine hohe Leistungsfähigkeit, um genaue, skalierbare und wiederholbare Testergebnisse zu bieten. Die Spannungs- und Stromanstiegsgeschwindigkeiten des Testsystems müssen größer als die der zu prüfenden Batterie sein, damit reale Bedingungen nachbildbar sind.

Eine flexible und skalierbare Leistung ermöglicht es dem Anwender, zukünftige Leistungsanforderungen ohne oder mit minimalen Investitionen in neue Infrastruktur zu bewältigen, und integrierte mehrschichtige Sicherheitsfunktionen verringern Sicherheitsrisiken drastisch. Zudem benötigen die Anwender häufig die Flexibilität, Geräte anderer Hersteller einfach einbinden zu können, zum Beispiel Softwarekommunikationsschnittstellen, Wärmekammern oder Datenerfassungssysteme. Viele automatisierte Testsysteme lassen sich nicht einfach mit Drittherstellergeräten kombinieren, sodass ihre Einbindung die Testmöglichkeiten einschränkt und lange dauert.  Die Möglichkeit, ein Batterietestsystem über Schnittstellen an eine ganze Testumgebung anzubinden und diese zu steuern, ist von entscheidender Bedeutung. Die heutigen Anwender müssen die Daten aus den Batterietests auf einfache Weise erfassen, verwalten und analysieren können, um ihre Prüfziele zu erreichen.