Die Traktionsbatterie ist eine der zentralen Komponenten von Elektrofahrzeugen. Nicht nur muss sie die Energie speichern und bei Bedarf abgeben, sondern auch elektrischen, mechanischen und thermischen Belastungen standhalten. Bevor neue Batteriesysteme in Fahrzeugen zum Einsatz kommen, müssen sie verschiedene Untersuchungen erfolgreich bestehen.

Batterieprüfstand für Traktionsbatterien am Fraunhofer LBF: Die realistische Simulation der Batterie findet in Echtzeit und ohne Fahrzeugprototyp statt.

Batterieprüfstand für Traktionsbatterien am Fraunhofer LBF: Die realistische Simulation der Batterie findet in Echtzeit und ohne Fahrzeugprototyp statt. Fraunhofer LBF

Bislang sind die Labortests jedoch ein ganzes Stück von der Realität entfernt – ein Test unter realen Bedingungen kann daher oftmals erst stattfinden, wenn ein fahrbereiter Fahrzeugprototyp zur Verfügung steht. Treten dann zuvor nicht erkannte Probleme auf, gestalten sich die notwendigen Änderungen sehr zeitaufwendig und teuer.

Simulation trifft Teststand

Forscherinnen und Forscher am Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF in Darmstadt haben im Projekt „MEF-BILL“, kurz für Battery In The Loop @ LBF, eine Alternative entwickelt. Sie bringen laut Dr. Riccardo Bartolozzi, techischer Experte für die numerische Systemsimulation am Fraunhofer LBF, die Straße jetzt komplett ins Labor und kombinieren eine multiphysikalische Erprobungseinrichtung mit einer rechnerischen Fahrzeugsimulation. So lasen sich Batterien auf realistische Weise erproben – und zwar ohne Fahrzeugprototyp. Damit soll sich sehr viel Zeit im Entwicklungsprozess gewinnen und die Ergebnisqualität verbessern lassen.

Generell gibt es drei Domänen hinsichtlich der Batteriebelastung: Die elektrischen Lasten, also vor allem der Stromfluss, die Bewegungen des Fahrzeugs sowie klimatische Aspekte. Bis dato wurden diese im Labor getrennt voneinander geprüft, mit vorgegebenen Standard-Zeitverläufen. Tatsächlich bedingen sich diese Parameter aber gegenseitig und hängen in komplexer Weise voneinander ab. In der Erprobungsumgebung des Fraunhofer LBF prüfen die Forscher diese Belastungsgrößen zeitgleich und in ihrer Wechselwirkung. Sie haben zusätzlich ein echtzeitfähiges, rechnerisches Fahrzeugmodell in diese Umgebung integriert. Damit lässt sich das Fahrzeug und dessen Fahrbetrieb auf ganz unterschiedlichen Strecken simuliern. Anhand dieser Simulation bestimmen die Experten die Belastungen, die auch unter realen Bedingungen auf die Batterie wirken würden.

Bisher wurde bei Labortests meist ein Stromprofil mit einem idealisierten Verlauf aufgeprägt. Die Realität sieht jedoch anders aus: Hier zeigt sich ein hochdynamischer, zufallsartiger Verlauf mit unregelmäßigen Lastspitzen. Die Forscher legen daher zunächst einmal die Erprobungsbedingungen fest: Welches Fahrzeug treibt diese Batterie an? Wie schwer ist das Fahrzeug beladen? Mit welcher Geschwindigkeit fährt es? Ist die Fahrbahnoberfläche eben und glatt oder mit Schlaglöchern übersät? Anhand solcher Angaben berechnet die Simulation die auftretenden Belastungen und den Strom, der in den Batterieprüfling eingeleitet wird.

Berücksichtigung finden zudem die komplexen Wechselwirkungen: Die anfänglich benötigte Strommenge kann sich durch Änderungen der Temperatur in der Batterie oder auch andere Parameter ändern. Die realen Parameter werden dabei durchgehend überprüft und zurück in die Simulation gespeist – also ein Hardware-in-the-Loop-Test (HiL). Die Input-Info für den Versuch ist also nicht statisch und für die gesamte Erprobungsdauer bekannt, sondern wird aufgrund der Simulation und der Messungen in der Batterie immer wieder neu angepasst. Erschütterungen, die auf die Batterie einwirken, werden über einen Schwingtisch realisiert, der über sechs hydraulische Zylinder in alle Richtungen bewegt werden kann und damit die Bewegungen der Fahrzeugkarosserie realistisch abbildet.

Herausforderung Echtzeit

Eine Herausforderung für den HiL-Test war die Simulation in Echtzeit. Sind zum Beispiel zehn Sekunden Betrieb Gegenstand des Test, darf auch die gesamte Simulation nicht länger als zehn Sekunden dauern, denn die Simulationsergebnisse sind unmittelbar für die Erprobung notwendig. Die Forscher haben daher die Komplexität angepasst. Die Simulation lässt sich mit verschiedenen Komplexitätsstufen duchführen, um ein Optimum zwischen Komplexität und Berechnungszeit zu finden. Das System ist einsatzfähig, mittlwerweile laufen Vorbereitungen für die finale Demonstration.