Bei der Umweltsimulation werden die verschiedensten Prüfmethoden angewandt, um die Wechselwirkungen zwischen einem Objekt oder lebenden Systemen und den zu erwartenden Umweltbedingungen zu ermitteln.

Die Simulation dieser Bedingungen erfolgt im „Zeitraffer“, das heißt, die Prüfparameter werden anhand bestimmter Richtlinien beispielsweise der „Guten Laborpraxis“ so festgelegt, dass sie der realen Beanspruchung innerhalb eines längeren, oft jahrelangen Zeitraums entsprechen. Die Bemessung dieses Prüfzeitraums ist natürlich auch ein Kostenfaktor, der bei der Anschaffung neuer Messtechnologien bedacht werden sollte.

Für die Durchführung der Versuche sind konstante Umweltbedingungen im Prüfraum sehr wichtig. Binder GmbH

Für die Durchführung der Versuche sind konstante Umweltbedingungen im Prüfraum sehr wichtig. Binder GmbH

Ziel der Umweltsimulation ist die Analyse der teils komplex vernetzten Wirkungsketten unter einer möglichst ganzheitlichen Betrachtung. Die Umweltsimulation dient also vor allem der Aufdeckung von Kausalzusammenhängen und deren modellhafter Abbildung. Umweltsimulationen stellen hohe Erwartungen an die verwendete Messtechnologie und fordern ein hohes Maß an Expertenwissen. Denn auch wenn es für nahezu alle Anwendungsfälle strenge Richtlinien gibt, so gleicht doch kein Experiment exakt dem anderen.

Einsatzgebiete der Umweltsimulation

Je nach Anforderungsprofil umfassen Umweltsimulationen die verschiedensten Prüfszenarien und Parameter. Die generellen Vorgaben zur Kategorisierung von Umweltsimulationen regelt dabei der erste Teil der IEC-Richtlinie 60068. Generell dienen diese der Untersuchung der zu erwartenden Auswirkungen der diversen Umwelteinflüsse auf

  • die Leistungsfähigkeit,
  • das Funktionsverhalten,
  • das Langzeitverhalten,
  • die Lebensdauer und
  • die Rückwirkungen auf die Umwelt eines Prüfobjekts oder auch eines lebenden Systems.

Vor allem im Elektronikbereich, aber auch in anderen Branchen wie Automotive, Luft- und Raumfahrt sowie in der medizinischen Forschung haben sich Wechselklimaschränke zur Umweltsimulation bewährt. Sie decken mit ihrem Leistungsumfang eine große Palette an Anforderungen ab, die bei der Simulation realer Umweltbedingungen relevant sind. Dazu zählen:

  • Temperaturregelung
  • Feuchteregelung
  • Zyklische Programmierbarkeit

Um weitere Parameter einstellen zu können, lassen sich gute Wechselklimaschränke je nach Anforderung individualisieren und aufrüsten.

Durchführung einer Materialbelastungsprüfung im Wechselklimaschrank von Binder.

Durchführung einer Materialbelastungsprüfung im Wechselklimaschrank von Binder. Binder GmbH

Energiespeicher im Härtetest

In den Zell- und Modultestschränken von Binder setzt der TÜV Süd Zellen und Module extremen Alterungs- und Perfomance-Tests aus. Um die Lebensdauer und Leistung der einzelnen Zellen und Module für Lithium-Ionen-Batterien unter wechselnden Bedingungen zu ermitteln, unterzieht der TÜV Süd als technisches Dienstleistungsunternehmen einzelne Bauteile für Batterien extremen Härtetests.

Getestet werden Zellen und Module für Lithium-Ionen-Batterien für Automobilanwendungen oder den Consumerbereich. In Umwelt-Simulationsschränken oder Kühlinkubatoren von Binder werden die Temperaturbeständigkeit der Zellen und Module sowie Lebensdaueranalysen in diversen Temperaturbereichen geprüft. Bei den Lebensdauertests wird die zyklische und kalendarische Alterung der Teile sowie deren Alterung unter wechselnden Umwelteinflüssen charakterisiert. Dabei wird häufig als Richtwert zwischen 70 und 80 Prozent der Leistungsfähigkeit eingesetzt. Zur Prüfung der Lebensdauer (Standardsicherheitspaket A) werden die Teile unbestromt wechselnden Temperaturen ausgesetzt, wodurch sich eine zyklische und kalendarische Alterung simulieren lässt. Das Gerät hat einen zweiten fest verbauten Temperaturwahlbegrenzer, der bei einer vom Werk voreingestellten Temperatur von 120° C den Prüfschrank stromlos stellt und diesen vor zur starker Erhitzung schützt. Der auf eine Temperatur von 120° C limitierte Regler unterstützt diese Sicherheitsmaßnahme.

Lebensdauertest von Zellen und Modulen unter Simulation wechselnder Umwelteinflüsse.

Lebensdauertest von Zellen und Modulen unter Simulation wechselnder Umwelteinflüsse. Binder GmbH

Wechseltests mit pulsierendem Strom

Um die Leistung der Zellen und Module zu ermitteln (Sicherheitspaket P), werden umfangreiche Performance-Tests durchgeführt. Dazu werden die Bauteile bei ständig wechselnden Temperaturen und im Wechsel bestromt und unbestromt an die Grenzen ihrer Leistung und Belastbarkeit gebracht. Das Prüfgut ist beispielsweise im Kühlinkubator Temperaturen von -10° C bis 55° C im ständigen Wechsel ausgesetzt. Im Umwelt-Simulationsschrank werden zudem noch Prüfszenarien in Klimabereichen von -30° C bis 60° C bei bis zu 96 % r.F. abgefahren. Die Dauer der Tests variiert. Manche Prüfungen dauern mehrere Monate bei extremen Anforderungen an das Material (hohe Ströme, hoher Hub). Andere Prüfungen benötigen Jahre bei geringeren Anforderungen (niedrige Ströme, niedriger Hub).

Anpassung der Simulationsschränke

Für die Prüfabläufe ist es wichtig, dass das Prüfgut auf elektrisch nicht-leitendem Untergrund gelagert wird. Aus diesem Grund wurden die Einschubgitter aus Edelstahl speziell beschichtet, sodass eine Weiterleitung elektrischer Ladung unmöglich ist. Seitlich an den Gerätewänden wurden spezielle, mit Silikonstopfen versehene Durchführungen installiert, um für eine sichere und vereinfachte Kabeldurchführung zu sorgen.

Spezialdurchführungen für Verkabelung und beheizbare Überdruckklappen.

Spezialdurchführungen für Verkabelung und beheizbare Überdruckklappen. Binder GmbH

Außerdem sind besondere Schutzmaßnahmen erforderlich. Bedingt durch die Alterungs- und andere elektrische Charakterisierungstests der Zellen und Module ist es im schlimmsten Fall möglich, dass sich durch irreversible Reaktionen von Zellkomponenten Gas in der Prüfkammer entwickelt. Aus diesem Grund wurden seitlich an den Gehäusen zusätzliche Vorrichtungen zur Durchführung von Schutzketten installiert, damit im Falle von unvorhergesehener Verpuffung ein Absprengen der Türen verhindert wird. Um das Gas oder entstandenen Druck gegebenenfalls ableiten zu können, wurden Überdruckklappen in die Schränke eingebaut. Diese sind zudem beheizbar, um so die Bildung von Kondensat und eine eventuelle Vereisung zu verhindern.

Zertifizierte Batterietestschränke

Ob Smartphone, Laptop oder Hybrid- und Elektrofahrzeuge ­– es werden immer leistungsfähigere Energiespeicher als „Motor“ benötigt. Und diese müssen, bevor sie zum Einsatz kommen, genau geprüft werden. Diese Tests sind nicht immer ungefährlich, doch der TÜV Süd hat nun den Batterietestschränken LIT MK 240 und LIT MK 720 von Binder ein neues Zertifikat ausgestellt, das besagt, dass die Batterietestschränke für die Gefährdungsklasse EUCAR 6 geeignet sind.

Batterietestschrank LIT MK 240.

Batterietestschrank LIT MK 240. Binder GmbH

Batterietestschrank LIT MK720. Binder GmbH

Batterietestschrank LIT MK 720. Binder GmbH

Für Sicherheit sorgt im ersten Schritt ein unabhängiger Temperaturbegrenzer, der verhindert, dass sich im Innenraum zu hohe Temperaturen bilden. Zudem verfügt das Produkt über eine Überdruckklappe aus Edelstahl, die im Gefahrenfall Überdruck abgeben kann. Darüber hinaus besitzen die Testschränke im Paket S zwei Türspanner, sodass es bei einem schweren Fehlerfall der Batterie keinesfalls zu einer Türöffnung kommt, die Mensch oder Umfeld gefährden würde.

Des Weiteren ermöglicht der Schrank auch eine Inertisierung, die der Kunde nutzen kann, um den Sauerstoffgehalt im Inneren des Schrankes niedrig zu halten. Eingebaute Sensoren messen die CO-, H2– und O2-Konzentration. Sollte es dabei zu einer Überschreitung eines Grenzwertes kommen, wird der Innenraum mit CO2 gespült. Dafür steht das CO2-Feuerunterdrückungssystem jederzeit zur Verfügung. Dieses kann der Anwender auch selbst auslösen, falls er den Eindruck hat, dass bei seinen Tests irgendetwas schiefläuft. Zusätzlich werden akustische und optische Signale über die Signallampe ausgesendet, um den Nutzer über den jeweiligen Zustand des Gerätes zu informieren.

Expertenwissen zur Umweltsimulation

Die Binder GmbH als Familiengesellschaft entwickelt am Standort Tuttlingen Simulationsschränke mit dem Fokus auf der optimalen Nachahmung von biologischen, chemischen und physikalischen Umweltbedingungen für eine Vielzahl von Branchen. Über 22.000 Geräte verlassen jährlich das Werk in wissenschaftliche und industrielle Labore in der ganzen Welt.