Prüfstand für Hochvolt-Energiespeichern beim Fraunhofer-Institut LBF

Laborgestützte Simulation reeller Betriebslasten

Prüfstand für Hochvolt-Energiespeicher (Foto: Fraunhofer-Institut LBF)

Auf einem Prüfstand werden am Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF, Darmstadt, Funktion, Lebensdauer und Zuverlässigkeit von Hochvolt-Batteriesystemen für Elektrofahrzeuge geprüft. Die Betriebslastensimulation erfolgt dabei auf der Basis reeller Fahrbetriebsdaten.

Die Systemzuverlässigkeit beschreibt die Funktionssicherheit, Verfügbarkeit und Wartungsfähigkeit einer in Wechselwirkung miteinander stehenden Gesamtheit technischer Elemente. Beispiele sind Energiespeicher sowie der Antriebsstrang von Elektro- oder Hybridfahrzeugen. Mit einer Batterie als größter Einzelmasse im Fahrzeug ergeben sich deutliche Implikationen hinsichtlich globaler und lokaler Eigenfrequenzen und -schwingformen sowie Belastungs- und Energieeinträge. Auch das Batteriesystem selbst – eine aus einer Vielzahl von Zellen und Modulen aufgebaute Komponente mit einer eigenen Tragstruktur – unterliegt einer komplexen, multiphysikalischen Belastung, die durch mechanische, elektrische und thermische Größen maßgeblich geprägt ist. Die Systemzuverlässigkeit kann experimentell oder analytisch bzw. simulationsgestützt ermittelt werden, wobei eine Berücksichtigung gekoppelter Belastungen elektrischer, mechanischer und thermischer Natur obligatorisch ist.

Das Fraunhofer LBF untersucht seit 2013 mit einer speziell dafür ausgerüsteten Forschungsflotte aus Elektro- und Hybridfahrzeugen diese Lastgrößen, um sie für die laborgestützte Betriebslastensimulation aufzubereiten und in einer entsprechenden Prüfeinrichtung für die Batteriesystemprüfung zu nutzen. Hierfür werden relevante und lastseitig anspruchsvolle Betriebsbedingungen vorrangig im Hinblick auf mechanische und elektrische Lastgrößen betrachtet und die Ableitung entsprechender Fahrzyklen für die Elektrotraktion beschrieben.

Schwingtisch und Klimakammer bilden eine Einheit

Die im Fahrbetrieb gemessenen Last-Zeitreihen bilden die Basis für die Betriebslastensimulation in einer Laborprüfumgebung. Deren zentrale Komponente ist ein multiaxialer, parallelkinematischer Schwingtisch (MAST), der bei einer Prüflingsmasse von 250 kg mit Prüffrequenzen bis 200 Hz bei über 100 m/s² (ca. 10 g) betrieben werden kann. Der MAST ist um die drei Raumachsen translatorisch und rotatorisch bewegbar, sodass Beschleunigung, Bewegung in jede Richtung und Vibration simuliert werden können. Mit einer Fläche von 2,2 x 1,9 m² für eine maximale Zuladung von 1000 kg wurde der MAST in eine 60 m³ große Hochleistungs-Klimakammer (Grundfläche 16 m²) von Weiss Umwelttechnik, Reiskirchen-Lindenstruth, integriert. Temperaturwechsel zwischen –40 °C und +80 °C sind mit einem Temperaturdelta von 4 K pro Minute möglich.

Neben einer vollständigen Stickstoff-Inertisierung und der Regulierung der Luftfeuchte zwischen 10 % und 90 % bietet das Klimasystem (250 kW) Sicherheitseinrichtungen zur Druckentlastung, eine sensorgesteuerte Gaswarnanlage sowie eine Wassernebellöschanlage. Die Seitenwände der Klimakammer sind vom MAST entkoppelt, sodass mechanische Einflüsse bei der Belastung eines Prüflings nicht auf die Elemente der Klimatisierung übertragen werden. Dies ermöglicht eine durchgehende Reproduzierbarkeit kombinierter Tests aus Bewegung, Vibration und verschiedenen Klimaeinflüssen unter realistischen Bedingungen.

Für verschiedene Antriebskonzepte einsetzbar

Ergänzt wird das Duo aus MAST und Klimakammer durch einen Batterietester mit einem Spannungsbereich von 8 bis 800 V bei Stromstärken bis 600 A bidirektional. Über die funktionale Anbindung der Batteriesystemkühlung hinaus kann eine informationstechnische Integration des Batteriemanagementsystems in die Fahrzeug-Restbussimulation umgesetzt werden.

Die vollständige Automatisierung der Testabläufe über Hardware in the Loop und die Kopplung der Systemtests mit numerischen Modellen des Gesamtfahrzeugs ist für verschiedene Antriebskonzepte und differierende Betriebsstrategien umsetzbar. Auch bei eigens entwickelten und produzierten Anbindungskonstruktionen für Batteriesysteme in Übergröße wird durch Iteration der vorgesehenen Belastungs-Zeitreihen gewährleistet, dass die vom Anwender erwünschten Signale und Anregungen zuverlässig am Prüfling wirken. Damit sind die Bedingungen optimal an die Anforderungen der Automobilindustrie angepasst.