Von Entwicklung über Fertigung bis QS
Durchgängiges Prüfkonzept für Batterie- und Brennstoffzellen
Für eine hohe Effizienz und Langlebigkeit von Batterien und Brennstoffzellen müssen Material und Bauteile über den gesamten Lebenszyklus hinweg auf Herz und Nieren getestet werden. Und das möglichst kosten- und zeitsparend. Hier kommt das Prüfkonzept von Hegewald & Peschke ins Spiel.
Autohersteller investieren viel Zeit und Geld in die Entwicklung von Batterien mit höherer Kapazität, kürzeren Ladezeiten und einer längeren Lebensdauer, um die Reichweite und Akzeptanz von Elektrofahrzeugen zu steigern. Parallel dazu gewinnen auch Brennstoffzellenfahrzeuge an Bedeutung. Brennstoffzellen bieten eine hohe Energieeffizienz und schnelle Betankungszeiten, was sie zu einer vielversprechenden Option für eine nachhaltige Mobilität macht.
Die Material- und Bauteilprüfung an Batterie- und Brennstoffzellen ist für die Entwicklung solcher Technologien entscheidend. Dabei sind die Anforderungen an die Prüfsysteme hoch – sie müssen reale Einsatzbedingungen simulieren und unterschiedlichste Messwerte erfassen und regulieren können. Hegewald & Peschke hat dafür ein Prüfkonzept entwickelt, das sich bereits in verschiedenen Projekten in der Entwicklung, Fertigung und Qualitätssicherung von Batterie- und Brennstoffzellen sowie deren Komponenten bewährt hat.
Testsystem für Bauteilversuche an Brennstoffzellen
Ein großer Automobilzulieferer setzt mehrere Prüfmaschinen der Hegewald-&-Peschke-Serie Inspekt für die Qualitätsprüfung im Fertigungsprozess von Brennstoffzellen ein. Im Montageschritt werden mehrere Brennstoffzellen zu einem Stack verpresst und mit Prüfkräften bis 100 kN druckmechanisch untersucht. Hilfreich dabei ist ein spezieller Testablauf für die Prüfung der Brennstoffzellen. Dieser lässt sich einfach und benutzerfreundlich mit dem Blockprogramm der Software LabMaster für Material- und Bauteilprüfungen einrichten. Für die Abstandsüberwachung lassen sich zusätzliche Ultraschallsensoren in den Versuchsablauf integrieren. Eine spezielle Prüfraumbeleuchtung erleichtert dem Bediener die Überwachung des Prüfvorgangs.
Der Umgang mit Wasserstoff stellt besondere Herausforderungen an die Sicherheitstechnik des Prüfsystems. Ein voll eingehauster Prüfraum mit elektrisch verriegelten Schutztüren gewährleitest die Sicherheit des Bedieners während des Prüfvorganges. Die Vorgaben der Bauteilprüfung von Brennstoffzellen im Montageprozess erfordern allerdings, dass der Bediener für bestimmte Prozessschritte auf die Brennstoffzelle zugreift. Das Sicherheitskonzept der Prüfmaschine ist an diese Anforderungen angepasst und gewährleistet eine maximale Bedienersicherheit unter anderem über zusätzliche Not-Aus-Schalter im Maschineninnenraum.
Testsystem für die Batteriezellen-Prüfung
Für die Prüfung von Batteriezellen bietet Hegewald & Peschke Prüfsysteme, die neben der Universalprüfmaschine Inspekt 100 kN auch eine Temperierkammer zur Simulation der Umgebungsbedingungen umfassen. Mit den Prüfmaschinen werden Druckversuche durchgeführt, um mechanische Belastungen der Batteriezellen zu simulieren, die aufgrund von Wärmeeffekten und der Einbausituation entstehen.
Das Prüfsystem kann mit drei verschiedenen Belastungsarten auf die Batteriezellen einwirken: thermisch – über die Temperierkammer, mechanisch – über die Prüfmaschine, und elektrisch – über die Be-/Entladung der Batteriezelle. Durch Modifikation der einzelnen Belastungen lassen sich verschiedene Prüfabläufe realisieren.
Zu Beginn eines Versuchsablaufes kann das Prüfsystem die Batterie mit einer definierten Kraft vorbelasten. Anschließend regelt die Temperierkammer bis zu einer in der Software eingestellten Temperatur. Daraufhin erfolgen nacheinander mehrere Batterie-Auf- und Entladezyklen bei gleicher Last und Temperatur. Danach wird die nächste Temperatur und/oder Last eingestellt.
Die mechanische Belastung kann bei den Versuchen in drei Betriebsarten aufgebracht werden. Eine Möglichkeit ist, die Position der Druckplatten zu halten, wodurch die Kraft bei einer Ausdehnung der Zelle ansteigt und beim Schrumpfen wieder fällt. In einer anderen Versuchseinstellung hält die Maschine die Kraft konstant, sodass die mechanische Belastung auf die Batterie immer gleich bleibt. Beim Einbau der Batteriezellen in die Fahrzeuge werden oftmals Federn genutzt, um entstehende Kräfte auszugleichen. Um das bereits bei der Prüfung zu berücksichtigen, lässt sich die Wirkung der Federn im Prüfsystem simulieren. Die Software LabMaster sorgt in diesem Fall dafür, dass sich die Prüfmaschine wie eine Feder mit vorgegebener Federkonstante verhält. Die Wirkung auf die Batteriezellen entspricht damit dem Einbau im Fahrzeug in einem Rahmen mit Federn.
Auf das Zusammenspiel kommt es an
Bei allen Prüfabläufen wird das Zusammenspiel der Parameter Temperatur, Ladezustand und Kraft sowie deren Effekte untereinander überprüft. Die Material- und Bauteilprüfsoftware LabMaster kann flexibel auf verschiedenste Anforderungen in einem Prüfablauf eingehen. Damit lassen sich die Testabläufe bei der Batteriezellenprüfung sicher und reproduzierbar abbilden. Alle Anlagenparameter werden über ein speziell eingerichtetes Blockprogramm zentral gesteuert. Die Messwerte der externen Kanäle wie Ladespannung und Zelltemperatur werden über ein Analogsignal erfasst und stehen in der Prüfsoftware zur Auswertung bereit. Es werden zudem Fehlerzustände beispielsweise. in der Gassensorik erfasst und die Reaktion der Prüfmaschine auf Alarme im Prüfablauf gesteuert.
Die einzelnen Prüfschritte lassen sich flexibel mit dem Blockprogramm konfigurieren und in beliebiger Anzahl und Reihenfolge mit beliebigen Parametern kombinieren. Für jeden Schritt können bei Bedarf eigene Kriterien bzgl. der zu überwachenden Parameter festgelegt werden.
Hohe Sicherheit
Weil die Prüfung von Batteriezellen ein hohes Gefährdungspotenzial durch entstehende Gase oder austretende Säuren birgt (EUCAR Hazard Level 6), sind besondere Sicherheitsvorkehrungen nötig. Die Temperierkammer, die Temperaturbedingungen zwischen -40 und +120 °C herstellen kann, verfügt deshalb zusätzlich über eine Gassensorik für O2, H2S, SO2, CO, H2. Eine Statusanzeige mit Turmlichtsignal informiert ständig über den atmosphärischen Zustand in der Temperierkammer. Das System signalisiert das Erreichen der inerten Atmosphäre mit einem Voralarm bei bestimmten Gasschwellwerten und einem Hauptalarm beim Überschreiten dieser. Der Hauptalarm löst neben einem zusätzlichen akustischen Signal auch eine Havariespülung mit Stickstoff aus und die Anlage stoppt automatisch. Durch das ganzheitliche Sicherheitskonzept werden Gefahren wie Bruch, Feuer, fliegende Teile und der Verlust von Elektrolyt (nach Hazard Level 6) abgesichert.
In dem konkreten Prüfsystem werden sowohl Einzelzellen als auch Batteriezellverbunde bis 10 kWh Energieinhalt geprüft. Hegewald & Peschke bietet außerdem weitere Prüflösungen für die unterschiedlichen Komponenten und Werkstoffe an, aus denen Batteriezellen bestehen. Mit jeweils für den konkreten Prüfablauf ausgestatteten Universalprüfmaschinen sind auch weitere Material- und Bauteilprüfungen möglich wie etwa Zugversuche und Durchstoßversuche an Elektrodenfolien oder Haftfestigkeitsuntersuchungen an Elektrodenbeschichtungen.
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