Zuverlässige Stromspender

Für Antriebsmaschinen sind Prüfstandssysteme längst gängig, auch im Bereich alternativer Konzepte. So entwickelte ZF Sachs das in der S-Klasse und im 7er BMW eingesetzte Konzept in einem Prüfstandssystem, das eine realitätsgetreue Simulation des kompletten Antriebsstrangs zulässt.

Doch auch Batterien erfordern umfangreiche Tests, um zukunftssicher und langzeitstabil ihren Dienst zu tun: Deshalb entwickeln und bauen die Darmstädter Ingenieure von Technogerma neben Prüfständen für konventionelle oder alternative Antriebe wie dem ZF Sachs-Modul auch Testeinrichtungen für Batterien.

Sicher für Personen und Gebäude

Sicherheit genießt dabei einen besonderen Stellenwert, denn Zerstörungsprüfungen gehören zum Prozedere; oft werden die Prüflinge dabei zerstört. „Unsere Prüfstände sind deshalb mit umfassender Sicherheitstechnik ausgestattet, die Schäden begrenzt. Dazu eignet sich die Container-Bauweise besonders, denn ihre flexible Aufstellbarkeit gefährdet weder umliegende noch überbauende Gebäude“, erklärt Manfred Kaiser, Leiter der Abteilung Projektierung & Technologie von Technogerma.

Personen- und Gebäudesicherheit steht auch für die Kunden an der Spitze des Lastenheftes. Weder das Prüfstandspersonal noch umliegende Gebäude dürfen im Brand- oder Explosionsfall in Mitleidenschaft gezogen werden. Der Containerprüfstand ist hier die favorisierte Ausführung, aufstellbar an beliebigen Orten auch außerhalb konventioneller Gebäude. Die schlüsselfertige Bauweise beinhaltet bereits die Medienversorgung und weitere Versorgungssysteme, genauso wie Sicherheitssysteme und Überwachungstechnik.

Vibrationen unter Temperatureinfluss simulieren

Nickel-Cadmium, Lithium-Ionen oder Nickel-Metallhydrid sind gängige Zusammensetzungen, die mit Flüssigkeiten oder Gelen den Austausch und die Speicherung von Elektronen zulassen. Doch diese Zusammensetzungen haben einige Eigenschaften gemeinsam: Vibrationen und Temperaturschwankungen sind harte Bedingungen für das chemische Gleichgewicht der Stromspender. Im Prüfstandsbetrieb können fahrzeug- und fahrbetriebsspezifische Vibrationen simuliert werden, die Werte des Prüflings werden dabei online überwacht. Die Temperatur der Prüfkabine kann dabei verändert werden, um das Verhalten der Akkus zu prüfen: „Den Effekt von Handyakkus, die plötzlich nach einer kalten Nacht im Auto leer sind, kennen viele Anwender. Ein frostbedingter Kapazitätseinbruch von 30 Prozent bedeutet bei einem reinen Elektroauto jedoch auch, das nach zwei Dritteln der gewohnten Reichweite nichts mehr geht“, erklärt Manfred Kaiser.

Während Elektrokleingeräte mit aufladbaren Batterien geordnete Lade- und Entladezyklen einhalten können, besteht vor allem bei Hybrid-Fahrzeugen eine regelmäßige Durchmischung der Lastzustände der Batterie: In Beschleunigungsphasen oder im Stadtverkehr übernimmt der Elektromotor die volle Leistung und ruft dementsprechend Energie aus den Akkus ab. Bei Verzögerung des Fahrzeuges oder im Schiebebetrieb erfolgt Energierückgewinnung durch Rekuperation – Elektrizität wird wieder gespeichert. Die dabei erreichbaren Spitzenströme können um ein Vielfaches größer sein als die Nennströme. Von den ersten gängigen Akkutypen wie Nickel-Cadmium ist bis heute noch der Memory-Effekt bekannt. In einem Elektro- oder Hybridfahrzeug sollte der Akku jedoch über lange Zeit in der Lage sein, in jedem Ladezustand Energie abgeben und auch wieder aufnehmen zu können.

Flusssäureprobleme im Griff

Zunehmend setzen sich Lithium-Ionen Akkus durch. So nutzt beispielsweise der Mercedes-Benz S400 diese Technologie, die gegenüber Nickel-Cadmium-Batterien durch reduzierten Platzbedarf punktet. Zudem sind Lithium-Ionen-Akkus weniger empfindlich gegen unregelmäßige Lade- und Entladezyklen. Im Einsatz ist allerdings Vorsicht geboten, im Brandfall (Hazard Level 7) kann eingesetztes Löschwasser zur Verschleppung von Flusssäure führen. Nicht nur für den Einsatz im Kraftfahrzeug ist das zu beachten, auch für das Prüfstandssystem: ein abgestimmtes Lösch- und Sicherheitssystem ist daher Pflicht. Druckentlastungsklappen in der Prüfkammer sowie dem umgebenden Raum begrenzen das Schadenspotenzial für Bedienpersonal und Prüfraum.

Experten sehen Entwicklungspotenzial zu weiter gesteigerter Leistung und Betriebssicherheit bei Lithium-Ionen-Batterien. Im Vergleich zu bisher verwendeten Konzepten verfügen diese zwar über gute Leistungsdaten, allerdings ist im Vergleich mit einem herkömmlichen Flüssigkraftstoff die Energiedichte noch sehr bescheiden. „Neben der Weiterentwicklung der Lithium-Ionen-Technik sollten andere Energiespeichersysteme ebenso vorangetrieben werden, denn sie bieten vielleicht weitere Vorteile bei geringem Platzbedarf. Je kleiner und leichter Serienfahrzeuge werden, umso dringlicher wird die Frage nach der Batteriegröße zu stellen sein. Eine S-Klasse oder ein BMW der 7er-Reihe haben hier mehr Möglichkeiten als ein VW Golf in einer möglichen Hybridversion“, prognostiziert Prüfstandsplaner Kaiser.

Jeder Prüfstand ein Individuum

Jeden Prüfstand stimmt Technogerma speziell auf Batterietyp und Einsatzzweck ab, denn mit einem individuellen Gesamtkonzept ist ein Prüfstand effizient in vorhandene Abläufe integrierbar. Ein hoher Automatisierungsgrad bei der Überwachung, aber auch bei Anschlüssen, beispielsweise der Medienversorgung steht für Betriebssicherheit und Zeitgewinn. Sogar Crashtests mit entsprechend hohen Belastungen auf den Batterie-Prüfling können simuliert werden, um höchstmögliche Sicherheit für den späteren Einsatz im Fahrzeug zu gewährleisten.

Was im späteren Serienzustand nicht vorkommen soll, ist für den Prüfstand kein ungewöhnlicher Zustand: Extreme Hitze, folgende Entflammung des Prüflings oder das Auslaufen von Elektrolyt sowie Schmelzen oder Bersten von Batteriezellen zählen zur zerstörenden Prüfung. Für einen umfassenden Serieneinsatz von Elektro- oder Hybridfahrzeugen ist die Weiterentwicklung der Batterietechnologie unverzichtbar – somit müssen noch manche Prüflinge auf Herz und Nieren geprüft werden, ehe auch ein hybrider oder vollelektrischer Kleinwagen ohne große Platz- und Komforteinbußen gebaut werden kann.

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Der Beitrag stammt von der Technogerma Systems GmbH, Darmstadt