Wie wird eigentlich eine BEV-Batterie getestet?

Autor: Alexander Lütkehaus

Veröffentlicht am: 26.08.2019

Nach der Entwicklung einer neuen Batterie müssen zunächst umfassende Tests zur Überprüfung der Sicherheit und Qualität durchgeführt werden, bevor es zur Anwendung wie beispielsweise in der Elektromobilität kommen darf. Je nach Batterieart und Einsatz schreiben unterschiedliche Normen das Bestehen verschiedener Belastungstests vor. Durch die Versuche können Mängel in der Konstruktion und Auslegung der getesteten Prüflinge festgestellt und ausgebessert werden. Gefahren wie das Auslaufen von Elektrolyten oder des Thermal Runaways mit drohender Explosion oder Brand können somit erkannt und behoben werden.

Zu den zahlreichen Funktions- und Missbrauchstests, die die Batteriesysteme bestehen müssen, zählen unter anderem mechanische Tests zur Prüfung der Festigkeit. Getestet wird, ob der Prüfling beispielsweise unter Vibration, Fallen, Nagelpenetration, Kurzschluss oder Crush so beschädigt wird, dass von ihm eine Gefahr ausgeht. Weiterhin werden Tests unter Extremtemperaturen durchgeführt. Die Prüflinge werden aufgeheizt oder heruntergekühlt und zyklisierend geladen als auch entladen. Überladungstests und -entladungstests simulieren das Versagen des Ladesschutzsystems. Das Erzwingen eines äußeren Kurzschlusses testet, ob die Sicherungssysteme eines Moduls funktionieren und das Batteriemodul bei einem Kurzschluss keinen Schaden nimmt oder Gefahrenpotential ausübt. Weitere Tests wie chemische Tests zielen auf die Korrosionsfestigkeit ab. Dafür werden die Prüflinge einer feuchten teils salzhaltigen Atmosphäre ausgesetzt.

Eine elementare Norm für die Elektromobilität ist beispielsweise die ECE R 100, in den einheitlichen Regelungen für die Systeme eines Fahrzeugs beschrieben sind. Für die Genehmigung in Elektrofahrzeugen muss die Testreihe der Norm erfolgreich bestanden sein. Für die neun Tests gelten jeweils bestimmte Abbruchkriterien wie Feuer, Elektrolytaustritt, Bruch oder Explosion. Zudem ist meist nach dem Test jeweils ein Standardladezyklus nachzuweisen und eine Beobachtungszeit von einer Stunde nach dem Test einzuhalten. Die Aufnahme von Prüfparametern und Bedingungen wie Temperatur und Ladezustand vor und während der Prüfung sind jeweils zu dokumentieren.

Tests der ECE R 100:

Vibrationstest: Hierbei wird der Prüfling in verschiedenen Richtungen unter vorgegebenen Frequenzen in Schwingung gebracht.

Temperaturschock: Hierfür wird die Prüfkammer auf verschiedene Temperaturen aufgeheizt, in der der Prüfling für bestimmte Zeit lagern muss.

Mechanischer Schock: Mit dem dritten Test werden die Beschleunigung und Bremsung des Fahrzeugs simuliert. Dafür ist die Batterie dem Aufbau im Fahrzeug entsprechend zu montieren. Der Prüfling wird in verschiedene Richtungen beschleunigt und gebremst.

Mechanische Integrität: Hierbei geht es um die Druckbelastung im Fahrzeug. Eine Druckplatte mit bestimmten Abmessungen drückt mit einer Kraft von ca. 100 kN auf den Prüfling.

Feuerbeständigkeit: Der Prüfling wird in 1,5 m Höhe positioniert. Benzin wird in einer darunter befindlichen Schale entzündet, sodass der Prüfling für 70 Sekunden im Einflussbereich der Flammen stehen. Anschließend wird eine Scheibe zur Abschirmung eingesetzt und für weitere 60 Sekunden dort belassen. Nach Löschung der Flammen ist das System für drei Stunden zu beobachten. Es wird getestet, ob ihm Falle einer Entzündung durch Kraftstoffaustritt die Passagiere ausreichend Zeit zur Evakuierung haben.

Externer Kurzschluss: Zu Beginn werden alle Kontakte zur Nachstellung des Lade- und Fahrmodus geschlossen. Die positiven und negativen Kontakte werden mit einer widerstandsarmen Verbindung verbunden. Der Kurzschluss wird bis zum Auslösen der Sicherheitsvorrichtung und somit des Stoppens des Stroms aufrechterhalten. Dabei muss die Temperatur mit aufgenommen werden.

Überladen: Für diesen Test werden die Ladekontrolleinrichtungen des Testequipments deaktiviert. Geladen wird bis zum Eingreifen der Sicherheitsvorrichtung des Prüflings bei vorgegebenen Laderaten. Bei Nichtunterbrechen wird bis maximal der doppelten Kapazität geladen.

Tiefenentladen: Vorab werden die Ladekontrolleinrichtungen deaktiviert und es wird gleichermaßen wie beim Überladungstest bis zum Abbruch durch das Sicherheitssystem des Prüflings mit vorgegebenen Entladeraten entladen. Bei Nichtabbruch wird bis auf ¼ der Kapazität entladen.

Übertemperatur: Das System wird kontinuierlich bei deaktivierten Kühleinrichtungen in einer entsprechenden Prüfkammer be- und entladen, damit sich die Zellen aufheizen. Abgebrochen wird bei einer Begrenzung der Lade- und Entladeströme oder Anzeichen der Zerstörung.

Weiterhin gibt es spezielle Anforderungen für den Transport von Batterien. Anforderungen sind beispielsweise in der UN 38.3 beschrieben. Hier werden mögliche Belastungen beim Transport simuliert. Generell sind die Testarten ähnlich der ECE R 100. Die UN 38.3 betrachtet zusätzlich zur Modul- und Packebene auch die Zellebene. Neben Entfall von Feuer und Übertemperaturtest werden mehrere Schläge und ein Test in Höhe bei geringem Luftdruck durchgeführt. Der Höhentest simuliert den Transport per Luftfracht. Hierfür wird das System einem Druck von 11,6 kPa ausgesetzt. Neben Unversehrtheit müssen noch 90 % der Spannung messbar sein

Die ECE R 136 gibt zudem Tests für Krafträder mit Elektroantrieben vor. Im Vergleich zur ECE R100 wird  zusätzlich die   Wasserdichtigkeit und  die  Spannungsfestigkeit  getestet.  Für  entfernbare   Batterien gibt es noch einen Falltest.

Quelle:

• https://www.pem.rwth-aachen.de/global/show_document.asp?id=aaaaaaaaaaxihha
• ECE R 100
• UN 38.3