Fossile Brennstoffe werden knapp und CO2 heizt den Treibhauseffekt an: Höchste Zeit also, eine neue Technologie für individuelle Mobilität zu etablieren. Nahezu alle Automobilhersteller weltweit beschäftigen sich intensiv mit elektrisch angetriebenen Fahrzeugen. Sogar die Bundesregierung folgt dem Trend und hat die Nationale Plattform Elektromobilität ins Leben gerufen, um die Anstrengungen zu bündeln.
Bei elektrisch betriebenen Fahrzeugen ändert sich gegenüber herkömmlichen Autos vor allem der Antriebsstrang, üblicherweise Elektromotor, Frequenzumrichter und Energiespeicher. Die Fachleute sind sich einig, dass gerade die Leistungsfähigkeit des Energiespeichers darüber entscheiden wird, ob Elektromobilität einen breiten Durchbruch schafft. Um in diesem spannenden Feld aktiv zu werden, hat Phoenix Testlab speziell zum Testen von Hochleistungsbatterien für Elektrofahrzeuge in Blomberg eines der modernsten Labore seiner Art entwickelt und aufgebaut (Bild 6).
Bild 6: Außenansicht des Batterietestlabors.Phoenix Testlab
In diesem Labor führt die Firma zahlreiche Umweltsimulationserprobungen an Zellen, Modulen und Batteriesystemen durch. Bei der Gesamtkonzeption standen die Sicherheit für die Mitarbeiter sowie der Schutz der Prüflinge und der Prüfgewerke im Vordergrund. Wichtig war außerdem, dass der übrige Laborbetrieb bei Phoenix Testlab ohne Beeinträchtigung weiterläuft.
Um den vielen unterschiedlichen Prüfanforderungen für Hochleistungsbatterien gerecht zu werden, hat Phoenix das Labor modular aufgebaut und je nach Prüfling in verschiedene Prüfgewerke und Sicherheitskonzepte unterteilt. Die Batterien durchlaufen je nach Größe und Masse sowie der zu prüfenden elektrischen Parameter verschiedene Prüfgewerke (Bild 4), um sowohl die Sicherheit als auch die Qualität des Produktes zu testen.
Zur Überprüfung der Leistung sind elektrische Tests Bestandteil jeder Testreihe. Um die Batterien zu laden und zu entladen, besitzt das Testlabor hochdynamische Batterieprüfgeräte (Bilder 1 und 5), die in kürzester Zeit extrem hohe Ströme bereitstellen.
Redundante Auslegung sorgt für Sicherheit
Damit die Tests sicher ablaufen, hat Phoenix Testlab redundante Messsysteme aufgebaut. Dadurch ist eine Kommunikation mit allen beteiligten Prüfgewerken und Messeinrichtungen möglich. Alle versuchsrelevanten Daten laufen in einer zentralen Leitwarte zusammen (Bild 2). Dies ermöglicht den Prüfingenieuren, einen schnellen Überblick über das Prüfgeschehen zu bekommen und jederzeit in die Testabläufe einzugreifen.
Auf Herz und Nieren
Elektromobilität ist klar im Kommen – und mit ihr die heikle Frage nach der besten Batterie. Die muss den widrigen Umweltbedingungen auf der Straße standhalten, muss extreme Temperaturschwankungen, Feuchtigkeit und Salz, Vibrationen und Stöße vertragen und darf sich auch EMV-seitig nicht stören lassen oder selbst zum Störer werden. All diese Aspekte untersucht das Phoenix Testlab in einem neu eingerichteten Labor.
Die Tests laufen zum Teil bei Raumtemperatur. Zusätzlich muss die Batterie beweisen, ob sie ihre Leistungsfähigkeit sowohl bei extremer Kälte als auch bei Hitze beibehält. Um die immer größer werdenden Batterien auch unter extremen Umgebungstemperaturen testen zu können, hat Phoenix Testlab begehbare Klimakammern aufgebaut (Bild 3). Dort können komplette Unterbodenbatterien getestet werden.
Simulation von Extrembedingungen
Für eine praxisgerechte Prüfung simuliert Phoenix Testlab die Bedingungen im Fahrzeug, in denen die Batterie später betrieben wird. Dies reicht von der Restbussimulation, die vom Batteriesystem benötigt wird, bis hin zur internen Temperierung der Batterie. Moderne Automobile sollen lange funktionieren, entsprechend ausgedehnt muss auch die Lebensdauer der Batterien sein. Zu diesem Zweck werden Temperaturwechseltests an den Energiespeichern durchgeführt. Zusätzlich können die Tests mit elektrischer Überlagerung stattfinden. Dabei werden reale Fahrprofile bei unterschiedlichsten Temperaturen von den hochdynamischen Batterietestgeräten nachgefahren. Damit ist es möglich, die Lebensdauer der Prüflinge zu bestimmen.
Wichtig für die Entwicklung leistungsstarker Batterien ist es, die Spannung möglichst hoch auszulegen. Um die nötigen Sicherheitsanforderungen der Batterien zu überprüfen, führt Phoenix Testlab Klimatests durch, bei denen die Isolationswiderstände ständig kontrolliert werden.
Salz in der Luft
Jedes Fahrzeug wird früher oder später einer salzhaltigen Atmosphäre ausgesetzt sein: sei es an der See oder im Winter, wenn die Straßen gestreut sind. Befindet sich die Batterie im Unterboden des Kraftfahrzeuges, dann kommt sie mit der Atmosphäre direkt in Berührung. Hierfür stehen spezielle Prüfanlagen bereit, in denen diese Tests durchgeführt werden.
Um Batterien auf der Straße, auf See oder auch im Luftverkehr transportieren zu dürfen, sind zusätzliche Prüfungen erforderlich. Diese Anforderungen kommen aus nationalen und internationalen Übereinkommen, die den Transport regeln. Umgesetzt sind die Übereinkommen in das jeweilige nationale Recht und in der EU-Verordnung. Ohne das Bestehen dieser Prüfungen dürfen Batterien bestenfalls mit Sonderregelungen transportiert werden.
Für diese Testaufgaben stehen bei Phoenix Testlab Temperaturschockanlagen zur Verfügung, die schnelle Temperaturwechsel realisieren. Des Weiteren existiert im Labor eine Anlage zur Überprüfung der Unterdruckfestigkeit, um den Transport im Frachtraum eines Flugzeuges ohne Druckausgleich zu simulieren.
Mechanische Tests
Wichtig sind auch mechanische Erprobungen der Batterien. Dies gilt zum Einen für den Transport. Der entsprechende Test setzt die Batterie speziellen Sinusprofilen aus, um zu überprüfen, ob sie den extremen Anforderungen standhält und somit im realen Betrieb sicher ist. Zum Anderen werden Lebensdauertests durchgeführt, bei denen die Batterie durch eingeleitete Rauschprofile und durch Temperaturüberlagerung mit elektrischem Betrieb getestet wird. Zusätzlich sind Schocktest erforderlich, die beispielsweise das Überfahren von Randsteinen simulieren.
Für die Automobilindustrie und die Prüflabore stellen die mechanischen Tests eine große Herausforderung dar. Zuvor gab es in der Automobilindustrie keine Komponenten dieser Größe und Masse, die diesen extremen Anforderungen standhalten mussten. Für die Umsetzung der anspruchsvollen Testspezifikationen hat Phoenix Testlab Vibrationsprüfanlagen aufgebaut, die es durch ihre sehr hohe Kraftvektoren ermöglichen, schwere und große Batterien zu testen.
Mit Strom mobil
Die Menschheit erlebt mit der einsetzenden E-Mobilität aktuell eine entscheidende Evolution in der Entwicklung des Automobils. Die größte Hürde stellt derzeit der Energiespeicher dar – Batterien sind teuer und halten nur begrenzt. Phoenix Testlab stellt sich dieser Herausforderung und hat in moderne Prüftechnik und die Ausbildung der Mitarbeiter investiert.
Michael Jonca
(lei)
