Prüfumgebung für realitätsnahe Tests von E-Fahrzeugbatterien

Im Projekt »GRISU« entwickeln Fraunhofer ISE, MESSRING, Linxens und die HAW Hamburg eine neuartige Prüfumgebung für Elektroautobatterien. Im Fokus steht ein innovatives Prüfgerät mit vier entkoppelten Shakern, das realitätsnähere Verbiegungs- und Verwindungsbelastungen auf komplette Batteriespeichersysteme abbilden soll. Ziel ist die Minimierung des Brandrisikos bei thermischer Propagation durch verbesserte Prüfverfahren, Schnelltrennvorrichtungen und Gasdetektion – zur Erhöhung der Laborsicherheit und Validierung von Brandschutzmaßnahmen.

Ausgangslage

Achsen von Elektrofahrzeugen erfahren während der Fahrt unterschiedliche, ungleichmäßige Lasten, die Verbiegungen und Verwindungen an Karosserie und Batteriespeicher hervorrufen. Aktuelle Vibrationsprüfstände nutzen starre Montageflächen und testen meist einzelne Batteriemodule, nicht komplette Speichersysteme; zudem fehlt die Abdeckung extremer axialer Belastungen (z. B. Bordsteinüberfahrten). Bestehende Prüfmaschinen verfügen nicht über automatisierte Brandschutz- bzw. Schnelltrennvorrichtungen, sodass es derzeit an Schutzstandards für Prüfraum, Testequipment und Personal mangelt.

Ziel

Im Projekt GRISU soll ein Prüfgerät mit vier einzeln ansteuerbaren Shakern entwickelt und demonstriert werden, das Verbiegungs- und Verwindungsbelastungen kompletter Batteriespeichersysteme realitätsnah abbildet. Darüber hinaus werden Messgrößen und Auslösebedingungen definiert, die einen sicherheitskritischen Zustand einer Batterie eindeutig identifizieren. Auf Basis dieser Kriterien werden eine automatische Schnelltrennvorrichtung sowie geeignete Löschkonzepte entwickelt und erprobt. Ergänzend wird eine Gasdetektion zur Früherkennung von Batteriebränden integriert, sodass Prüfabläufe frühzeitig abgebrochen und Löschmaßnahmen automatisiert eingeleitet werden können. Ziel ist es, die Laborsicherheit spürbar zu erhöhen und reproduzierbare Validierungs- und Bewertungsmethoden für Brandschutzmaßnahmen bereitzustellen.

Lösungsansatz

Im »Lab Battery Engineering, Production and Testing« des Fraunhofer ISE wird ein Prüfstand aus vier entkoppelten Shakern aufgebaut. Jeder der Shaker soll dabei die Belastung einer Radaufhängung auf das Speichersystem abbilden können. Die HAW Hamburg nutzt Daten aus Feldmessungen an Elektrofahrzeugen auf unterschiedlichen Straßenuntergründen und implementiert auf deren Basis Prüfverfahren, die die Verbiegung und Verwindung auf den Batteriespeicher realitätsgetreu 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 Know-how 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.

Ergebnisse

Erwartete Ergebnisse des laufenden Projekts umfassen einen voll funktionsfähigen Demonstrator, der realitätsnähere Reproduktionen von Verbiegungs‑ und Verwindungsbelastungen auf komplette Batteriespeicher ermöglicht und damit bestehende Prüfmethoden erweitert. Darüber hinaus sollen messbare Kriterien und Auslösealgorithmen vorliegen, die sicherheitskritische Zustände zuverlässig erkennen, sowie eine getestete Schnelltrennvorrichtung, die im Ernstfall ein schnelles, automatisches Abtrennen erlaubt. Validierte Löschkonzepte und ein prototypisches Gasdetektionssystem sollen eine deutlich frühere Erkennung und effektive Eindämmung von Batteriebränden ermöglichen. Dies erweitert die Prüfmöglichkeiten für Traktionsbatterien signifikant in Richtung anwendungsnaher Szenarien. Zudem werden die Verfahren standardisierbar dokumentiert und die Übertragung der Maßnahmen auf industrielle Prüfstände mit erhöhter Betriebssicherheit vorbereitet.

Das Projekt »GRISU«  wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) gefördert.