Wie Batteriesysteme bei Borg Warner getestet werden

Mit rund 38.000 Mitarbeitenden, einem Umsatz von 14,1 Mrd. USD im Jahr 2024 und Standorten in 20 Ländern ist der Automobilzulieferer international breit aufgestellt. An seinem Standort in Darmstadt hat sich das Unternehmen unter anderem auf die Produktion von Batteriesystemen für Elektronutzfahrzeuge, Off-Highway- und Schiffsanwendungen spezialisiert. Durch die Übernahme des deutschen Batteriespezialisten Akasol im Jahr 2021 hat das Unternehmen seine Kompetenzen in diesem Bereich weiter ausgebaut.

Das Testzentrum in Darmstadt wurde in zwei Ebenen unterteilt, um spezifische Prüfaufgaben effizient durchführen zu können. Im unteren Stockwerk werden Batteriesysteme und Einzelkomponenten auf mechanische und elektrische Integrität geprüft. Im oberen Bereich liegt der Fokus auf Zellanalytik, Post-Mortem-Analysen sowie der Untersuchung der Zellalterung unter kalendarischen und zyklischen Belastungen. Zusätzlich befinden sich dort Zellzyklisierer und ein Elektroniklabor für Störfestigkeitsprüfungen auf Komponentenebene.

Korrosions- und Umweltsimulationen im Testprozess

Ein wesentlicher Bestandteil der Prüfstrategie ist die Simulation von realen Umwelteinflüssen , wie sie etwa im Winter auf salzgestreuten Straßen oder in maritimen Anwendungen auftreten. In einer speziellen Klimakammer wird das Batteriesystem mit einer 5%igen Salzwasserlösung benebelt. Durch Temperaturzyklen trocknet das System ab und wird erneut befeuchtet – so entsteht Korrosion. Über zwei bis sechs Wochen wird beobachtet, wie sich Dichtungen, Verschraubungen und Gehäuseverbindungen verhalten, um die langfristige Beständigkeit realitätsnah zu bewerten.

Die Batterieprüfung läuft vollautomatisch ab. Ein Mitarbeiter bereitet den Test vor, danach übernimmt die Klimakammer. In definierten Intervallen – meist nach zwei, vier und sechs Wochen – erfolgt eine Zwischenprüfung, um den Zustand des Batteriesystems zu bewerten. So lassen sich frühzeitig Schwachstellen erkennen und Tests bei Bedarf abbrechen.

Zusätzlich steht eine weitere Kammer für Temperaturwechseltests zur Verfügung. Hier wird das Verhalten bei extremen Temperaturen geprüft – etwa, ob Elektronik und Schutzbox bei starker Kälte noch funktionieren oder bei Hitze durch Verlustleistung überhitzen. Besonders bei LFP-Akkus ist das Verhalten beim Laden bei tiefen Temperaturen ein kritischer Punkt.

Beim Thermomanagement übernimmt in der Regel die Batterie selbst die Vorwärmung. Die Tests steuern das klassisch über Strom und Temperatur – bei sehr niedrigen Temperaturen wird nur ein minimaler Ladestrom zugelassen, um die Zellen zu schützen. Die NMC-Zellen werden bis -20 °C getestet, bei LFP ist die untere Grenze kundenabhängig. Manche Kunden von Borgwarner fordern sogar eine Funktionalität bei extremen Bedingungen – etwa bei Depotstarts im Winter, bei denen die Batterie trotz Kälte zumindest minimal laden oder Energie abgeben muss, um die Einsatzbereitschaft sicherzustellen.

Wie wird die Dichtigkeit der Systeme überprüft?

Der Dichtigkeitstest wird in einem IP-Test-Raum durchgeführt, in dem realitätsnahe Wasserbelastungen simuliert werden – von Untertauchversuchen bis zur Strahlwasserprüfung. Beim Untertauchtest wird das Batteriesystem für 30 Minuten in einem Meter Wassertiefe gehalten, anschließend grob getrocknet und auf Wassereintritt untersucht, wobei die Menge und Position des Wassers bewertet werden. Die Strahlwasserprüfung erfolgt normgerecht aus mehreren Winkeln, um potenzielle Schwachstellen in Gehäusen und Dichtungen zu identifizieren. Die Tests basieren auf geltenden Normen, eine teilautomatisierte Anlage ermöglicht, dass Abstand, Winkel und Prüfzeit konstant bleiben und menschliche Einflüsse minimiert werden.

Systemtests unter realen Betriebsbedingungen

Im Systemtestraum wird das Verhalten der Batterie unter realen Betriebsbedingungen geprüft. Über mehrere Kanäle mit jeweils 250 kW Leistung – bei Bedarf gebündelt auf bis zu 500 kW – lassen sich verschiedenste Lastprofile und Testszenarien abbilden. Geprüft wird unter anderem das Verhalten bei extremen Temperaturen, unterschiedliche Einbaupositionen wie Dach- oder Bodenmontage sowie mögliche Auswirkungen auf die Entladung und Kapazität.

Auch Software-Freigabetests sind Teil der Prüfungen. Hier werden sicherheitsrelevante Funktionen wie Isolationsüberwachung, Abschaltmechanismen und der SoC-Zähler auf ihre Funktion geprüft. Die Temperierung der Batteriesysteme erfolgt über eine hydraulische Anbindung direkt an die Zellkühlkanäle. Dadurch ist keine Klimakammer notwendig – das System wird effizient über Flüssigkeit beheizt oder gekühlt. Typische Testtemperaturen reichen von Raumtemperatur bis 60 °C, um auch Abschaltgrenzen und Schutzmechanismen zuverlässig zu validieren.

Das Langzeitverhalten wird in einem dedizierten Dauertestraum erfasst. Über Monate hinweg werden Lastprofile realer Fahrzeuge auf das Batteriesystem übertragen, um Alterung und Degradation auf Systemebene nachvollziehen zu können. Dazu zählt auch das Testen unterschiedlicher Lade- und Entladestrategien.

Vibrations- und mechanische Belastungstests

Beim Vibrationstest werden realitätsnahe Belastungen simuliert, basierend auf kundenspezifischen Lastprofilen – etwa aus Bus- oder Truck-Einsatzdaten. Ziel ist es, das Alterungsverhalten möglichst praxisnah nachzustellen. Zwei Shaker-Anlagen stehen zur Verfügung: ein größerer für komplette Batteriesysteme und ein kleinerer, der auch Temperatur- und elektrische Lastüberlagerung erlaubt.

Ein typisches Testszenario kombiniert mechanische Vibrationen, thermische Belastung und elektrische Ströme, um das Verhalten z.B. von Bonddrähten im Batteriemodul zu analysieren. Die Prüfungen erfolgen wahlweise vertikal (Z-Achse) oder horizontal (X/Y-Achse) und bilden so die realen Fahrzeugbedingungen vollständig ab. Sicherheitsmaßnahmen wie Havarieboxen und Quarantänebereiche sorgen dafür, dass auffällige Module zuverlässig überwacht und isoliert werden können. Die Anlage gehört zu den modernsten ihrer Art in Deutschland und macht unabhängige Tests in externen Laboren überflüssig.

Zellanalytik und Schutzboxprüfung

Ein Herzstück der Zelluntersuchung ist das Argon-atmosphärisch geschützte Labor. Darin werden Batteriezellen unter kontrollierten Bedingungen geöffnet und analysiert. Da Zellen empfindlich auf Wasser und Sauerstoff reagieren, erfolgt die Untersuchung in einer Glasbox mit Argon-Atmosphäre, um unerwünschte Reaktionen zu verhindern. Ziel ist es, Veränderungen wie Deckschichten oder exotherme Reaktionen sichtbar zu machen, ohne die Probe zu verfälschen.

Die Arbeitsbereiche sind getrennt: In der „Dreckbox“ erfolgt das mechanische Öffnen der Zelle mit Werkzeugen wie Seitenschneider, Dremel oder Mini-Kreissäge, ohne die Probe zu beschädigen. Danach können Zellen zerlegt und eigene Knopfzellen aufgebaut werden, etwa für elektrochemische Analysen, Simulationsdaten oder zur Ermittlung von Diffusionskoeffizienten und Alterungsprozessen.

Zudem ermöglicht das Labor das Testen individueller Ladeprofile, um Ladegeschwindigkeit und Alterungsverhalten zu optimieren. Mit eigenen Testkammern und Zelltestern werden passende Strategien entwickelt – ein wichtiger Baustein zur Verbesserung von Lebensdauer und Effizienz. Das Labor wird aktuell weiter ausgebaut und erhält demnächst eine moderne Chemieausstattung inklusive Abzug, Spüle und Destillationsanlage.

Welche Prüfkriterien gelten für neue Zelltypen?

Neue Zelltypen und Lieferantenänderungen werden über standardisierte Tests validiert. Dazu zählen strukturelle, thermische, elektrische und chemische Untersuchungen. Ziel ist es, eine gleichbleibende Qualität und Sicherheit über Zellgenerationen hinweg sicherzustellen. Neben der Kompatibilität zur Systemarchitektur wird auch die Recyclingfähigkeit geprüft.

Hinter einer Doppeltür befinden sich weitere Zyklisierschränke, in denen unterschiedlichste Zellformate – von klein bis groß – getestet werden. Dabei geht es ausschließlich um Einzelzellen, nicht um ganze Module. Getestet werden Zellen, die in aktuellen Produkten verwendet werden, aber auch Zelltypen, die sich als ungeeignet erwiesen haben. Versuchsbedingungen reichen von Raumtemperatur bis zu Extremwerten, bei denen Zellen über Jahre hinweg nach Kundenprofilen oder eigenen SoC-/SoH-Algorithmen gealtert werden.

Ein Impedanz-Multiplexer ermöglicht die präzise Analyse ganzer Zellreihen. Direkt angrenzend befindet sich der analytische Bereich mit hochmoderner Ausstattung: Eine Laserpräparationseinheit (IMD-Mill) ermöglicht das zerstörungsfreie Schneiden dünner Elektroden, um sie im Rasterelektronenmikroskop (REM) zu analysieren. Mithilfe von EDX (Elementaranalyse) und XRD (Kristallstrukturanalyse) werden Elektrodenmaterialien untersucht, auch zur Verifizierung von Lieferqualität und Materialaufbau.

Ein CT-System erlaubt zudem die zerstörungsfreie Analyse kompletter Zellen – etwa zur Überprüfung von Anoden-Kathoden-Überständen, Schichtdicken oder innerem Zellaufbau. Damit lassen sich Rückschlüsse auf Qualität, Zustand und mögliche Second-Life-Anwendungen ziehen. Solche Analysen sind essenziell, um Zellalterung besser zu verstehen, ressourcenschonender zu arbeiten und nachhaltige Nutzungskonzepte zu entwickeln. Getestet werden unter anderem Formate wie 4695 („Tesla-Format“) oder 2170, die hohe Energie- und Leistungsdichte bei geringerem Verpackungsaufwand bieten.