Unter Extrembedingungen

Markus Strehlitz Journalist in Mannheim

Die Elektromobilität ist zwar schon seit einigen Jahren ein viel diskutiertes Thema. Doch im Vergleich zu den Autos mit Verbrennungsmotor befindet sich die Entwicklung rund um die E-Fahrzeuge noch in einer frühen Phase. In vielen Punkten fehlen verlässliche Erfahrungswerte. Das lässt sich auch feststellen, wenn es um die Prüfverfahren der Energiespeicher geht, die in den Autos zum Einsatz kommen.

So können zum Beispiel die Vorgaben für Prüfungen von Lithium-Batterien nicht eins zu eins aus dem Consumer-Bereich übernommen werden. Die Bedingungen im Fahrzeug lassen sich nicht mit denen in Mobiltelefonen vergleichen. So müssen etwa mechanische Verformungen eingerechnet werden, die im Crash-Fall entstehen. Ebenso gibt es große Temperaturschwankungen zu beachten, die von etwa –30 bis +60 Grad Celsius reichen.

An Sicherheitsnormen, die diesen Bedingungen Rechnung tragen, wird zwar ständig gearbeitet. An einigen Stellen sind diese jedoch noch recht weit gefasst – aufgrund der fehlenden Erfahrungswerte. Somit ist in diesem Bereich noch einiges zu tun.

Bei der Brennstoffzellentechnik ist die Situation ähnlich. Auch hier müssen Testverfahren noch weiterentwickelt werden, um dem speziellen Anforderungen im Fahrzeug gerecht zu werden. Aus Sicht von Alexander Kabza sind bei den Brennstoffzellensystemen zwar die Themen Zuverlässigkeit, Nutzbarkeit und Sicherheit gelöst. Kabza ist Fachgebietsleiter Brennstoffzellensysteme am Zentrum für Sonnenenergie und Wasserstoff-Forschung (ZSW).

Allerdings sei der Brennstoffzellen-Stack nur eine Komponente, die im Zusammenspiel mit vielen anderen Aggregaten getestet werden müsse. Dazu gehören Pumpen, Kompressoren, die Stöchiometrie oder auch die Gasfeuchte.

Die entscheidenden Fragen seien: Welche Parameter haben welchen Einfluss auf die Leistung des Stacks? Und welcher Parameter ist wie dynamisch? „Dafür bedarf es in Zukunft stärkerer harmonisierter Testprozeduren, da sich Brennstoffzellen schließlich immer noch in der Entwicklung beziehungsweise Weiterentwicklung befinden und es nun um die Lebenszykluskosten geht“, erklärt Kabza. Das ZSW hat deshalb einen sechsstufigen Plan für Brennstoffzellentests definiert, an dessen Ende ein Dauerlauf mit harmonisierten dynamischen Lastprofilen steht.

Wie Prüfverfahren von Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge aussehen, zeigt unter anderem das Batterie- und Umwelttestzentrum des Verbands der Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik (VDE). Dort werden die Akkus auf Sicherheit und Dauerfestigkeit getestet.

Eine Anlage untersucht etwa das Batterieverhalten bei besonders schweren Unfällen. Dazu gehört ein Fallturm, in dem die zu untersuchende Batterie in bis zu zehn Meter Höhe aufgehängt und dann ausgeklinkt wird. Beim anschließenden Aufprall auf einen auf dem Betonfundament liegenden Laternenpfahl erreicht der Akku eine Endgeschwindigkeit von rund 50 km/h. Der Test wird mit einer Hochgeschwindigkeitskamera gefilmt, was den VDE-Ingenieuren eine detaillierte Auswertung ermöglicht.

Mechanische Belastungen, wie sie im Fahrzeug durch schlechte Straßen auftreten, werden mit einem großen Schwingungsprüfstand simuliert. Die Batterie ist bei diesem Test Kräften von bis zu 120 Kilonewton ausgesetzt, deren Richtung in Sekundenbruchteilen wechselt.

Als elektrochemischer Energiespeicher verändert sich das Verhalten eines Lithium-Ionen-Akkus im Lauf der Zeit – abhängig davon, wie oft und wie schnell er be- und entladen wurde. Die meisten Prüfeinrichtungen sind daher so gestaltet, dass die Batterie während der Tests ge- und entladen werden kann. So kann auch die Wechselwirkung der Batteriealterung mit anderen Einflussgrößen wie Temperatur oder Luftfeuchtigkeit untersucht werden. Für das jeweilige Prüfmuster optimal angeschlossene Zyklisierer laden und entladen die Prüflinge nach einem frei programmierbaren Rhythmus mit Spannungen von bis zu 1000 Volt und Stromstärken bis zu 800 Ampere. •