Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE| Laufzeit: | 01/2025 - 12/2027 |
| Auftraggeber / Zuwendungsgeber: |
Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) |
| Kooperationspartner: | MESSRING GmbH, Linxens Deutschland GmbH, Hochschule für Angewandte Wissenschaft Hamburg |
| Projektfokus: |       |
GRISU – Ganzheitlich realitätsnahe neuartige Prüfmethoden und innovative Brandschutzmaßnahmen
in mechanischen Umweltsimulationen für die Entwicklung und Verifikation von Elektromobilitätsbatterien
Im Rahmen des Projekts GRISU wird das Ziel verfolgt, das Brandrisiko von Batterien beim thermischen Durchgehen bzw. bei thermischer Propagation im Speichersystem zu minimieren, um die Laborsicherheit bei Sicherheitstests zu verbessern. Dazu führen wir Vibrationstests an Elektroautobatterien durch. Das bestehende Prüfverfahren wird dabei weiterentwickelt, mit dem Ziel, die im Betrieb vorkommenden mechanischen Belastungen realitätsnäher abzubilden. Die auftretenden Biegungen und Verwindungen werden auf dem Prüfling anhand vier entkoppelter Shaker realisiert. Außerdem werden potenzielle Brandschutzmaßnahmen auf ihre Effektivität im Einsatz gegen einen Batteriebrand überprüft. Die Ergebnisse fließen in die Entwicklung des Shaker-Systems und seiner Laborumgebung ein. Die Demonstration erfolgt in unseren Laboren am Fraunhofer ISE.
Die Achsen eines Elektrofahrzeugs sind während der Fahrt unterschiedlicher Belastung ausgesetzt. Diese ungleichmäßige Belastung wirkt sich in Form von Verbiegung und Verwindung auf die Karosserie aus und wird dabei auch auf den verbauten Batteriespeicher übertragen. Über eine längere Nutzungsdauer des Fahrzeugs sind dadurch Beschädigungen an der Batterie zu erwarten, durch die im schlimmsten Fall ein durch den Speicher ausgelöster Brand verursacht werden kann. Nach aktuellem Stand der Technik werden zur Abbildung der mechanischen Belastungen bei Vibrationsprüfungen einzelne, oder starr miteinander verkoppelte, Shaker-Systeme eingesetzt.
Aufbau eines handelsüblichen Shakersystems mit starrer Montagefläche.
Aus Gewichtsgründen werden auf den Shakern aktuell nur einzelne oder mehrere Batteriemodule – keine Speichersysteme – auf einer steifen Montagefläche getestet. Zur Anregung wird zudem ein Frequenzbereich genutzt, der dem von Tests für Fahrzeugkarosserien ähnelt. Diese Gegebenheiten des Test-Settings sind insofern unzureichend, als sie zum einen keine Rückschlüsse auf Verbiegungs- und Verwindungseigenschaften des gesamten Batteriespeichers zulassen, zum anderen ist der genutzte Frequenzbereich nicht ausreichend, um extrem axial wirkende Belastungen, wie Asphaltschäden oder Bordsteinüberquerungen abzubilden. Des Weiteren existieren bei den vorhandenen Maschinen keine Brandschutzvorkehrungen, die im sicherheitskritischen Zustand der Batterie eine frühzeitige Abtrennung und Löschung des Prüflings ermöglichen. Daher gibt es bisher keine Schutzstandards sowohl für den Prüfraum und das Testequipment als auch für das Laborpersonal.
Projektüberblick des gemeinsamen Vorhabens.
Im Projekt GRISU entwickeln wir im Battery-Testing-Lab des Fraunhofer ISE ein Prüfgerät, das aus vier einzelnen Shakern besteht. Jeder der Shaker soll dabei die Belastung einer Radaufhängung auf das Speichersystem abbilden können. Die Steuerung und Regelung der vier Shaker erfolgt durch die HAW (Hochschule für Angewandte Wissenschaften) Hamburg. Durch ihre umfangreichen Prüfmöglichkeiten werden, anhand von Felduntersuchungen an E-Fahrzeugen auf unterschiedlichsten Straßenuntergründen, Belastungsdaten aufgezeichnet. Die gewonnenen Erkenntnisse werden als Anhaltspunkte zur Entwicklung neuer Prüfverfahren genutzt, die die Verbiegung und Verwindung auf den Batteriespeicher abbilden können. Die vier Shaker werden so aufeinander abgestimmt, dass sie die unterschiedlichen Achslasten jeweils getrennt voneinander erzeugen und nicht, wie herkömmliche Shaker-Systeme, im Gleichtakt arbeiten. Dieses realitätsnähere Testsetting ist ein zentrales Alleinstellungsmerkmal des im Projekt entwickelten Prüfgerätes. Aufgrund der neuen Möglichkeit solche Untersuchungen durchzuführen, steigt auch das Risiko, dass eine Batteriezelle im Test in einen sicherheitskritischen Zustand gerät.
Um dieses Risiko einzudämmen wird durch das Partnerunternehmen, die Firma Messring GmbH, eine universelle Schnelltrennvorrichtung erarbeitet. Ihr Knowhow aus dem Crashtestanlagebau und der Datenerfassung soll dazu beitragen, die an den vier Shakern befestigte Apparatur samt Speicher schnellstmöglich und ohne menschliches Eingreifen von der Prüfmaschine abzutrennen und das Löschen des Speichers einzuleiten. Um den Trenn- und Löschvorgang im Ernstfall auszulösen, werden, im Projekt zu definierende, Messgrößen benötigt, die es erlauben einen sicherheitskritischen Zustand eindeutig zu identifizieren. Daraufhin kann ein geeignetes Löschkonzept genutzt werden, um eine kontrollierbare Situation zu schaffen. Dafür werden brandhemmende Untersuchungen am Fraunhofer ISE in enger Zusammenarbeit mit Brandschutzexpertinnen und -experten für Lithium-Ionen-Batterien unter definierten Laborbedingungen durchgeführt. Des Weiteren wird in Kooperation mit dem Partnerunternehmen Linxens Deutschland GmbH an der Früherkennung von Batteriebränden durch Gasdetektion geforscht. Mittels Sensoren sollen die freigesetzten Gase von Batteriezellen bei einem Brandfall erkannt und in Echtzeit analysiert werden. Dadurch wäre es möglich, frühzeitig bedrohliche Szenarien besser zu erkennen, und einen vorzeitigen Abbruch der Prüfung, sowie den Löschvorgang einzuleiten.