Qualitätssicherung im Fokus: Die Prüfung von Batterie- und Brennstoffzellen für die Elektromobilität

Die Material- und Bauteilprüfung an Batterie- und Brennstoffzellen spielt für die Entwicklung solcher Technologien eine entscheidende Rolle. Die Anforderungen an die Prüfsysteme sind dabei sehr hoch – es müssen reale Einsatzbedingungen simuliert werden und unterschiedlichste Messwerte erfasst und reguliert werden. Hegewald & Peschke konnte ihr Know-how in verschiedenen Projekten einbringen und Prüftechnik für die Fertigung, Qualitätssicherung und Entwicklung von Batterie- und Brennstoffzellen sowie deren Komponenten bereitstellen.

PRÜFMASCHINE FÜR BAUTEILVERSUCHE AN BRENNSTOFFZELLEN

An mehreren internationalen Standorten eines großen Automobilzulieferers kommen Prüfmaschinen der Serie inspekt bei der Qualitätsprüfung im Fertigungsprozess von Brennstoffzellen zum Einsatz. Im Montageschritt werden mehrere Brennstoffzellen zu einem Stack verpresst. An diesen werden druckmechanische Untersuchungen mit Prüfkräften bis 100 kN durchgeführt. Es wird ein speziell für die Prüfung von Brennstoffzellen definierter Prüfablauf durchgeführt, welcher mit dem Blockprogramm der Material- und Bauteilprüfsoftware LabMaster unkompliziert und bedienerfreundlich eingerichtet werden kann. Zusätzliche Ultraschallsensoren im Prüfsystem können in den Versuchsablauf integriert werden und dienen der Abstandsüberwachung. Eine spezielle Prüfraumbeleuchtung ermöglicht die optimale Überwachung des Prüfvorganges durch den Bediener der Prüfmaschine.

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 es allerdings, dass der Bediener für bestimmte Prozessschritte auf die Brennstoffzelle zugreift. Das Sicherheitskonzept der Prüfmaschine ist an diese Anforderungen angepasst und gewährleistet eine max. Bedienersicherheit u.a. über zusätzliche Not-Aus-Schalter im Maschineninnenraum.

PRÜFMASCHINE FÜR DIE PRÜFUNG VON BATTERIEZELLEN

Für die Prüfung von Batteriezellen bietet Hegewald & Peschke Prüfsysteme, welche neben einer Universalprüfmaschine inspekt 100 kN eine spezielle Temperierkammer zur Simulation der Umgebungsbedingungen beinhalten. Mit den Prüfmaschinen werden Druckversuche durchgeführt um mechanische Belastungen der Batteriezellen zu simulieren, die aufgrund von Wärmeeffekten und der Einbausituation entstehen.

Das Prüfsystem bietet die Möglichkeit mit 3 verschiedenen Belastungsarten auf die Batteriezellen einzuwirken: thermisch – über die Temperierkammer, mechanisch – über die Prüfmaschine und elektrisch – über die Be-/ Entladung der Batteriezelle. Durch Modifikation der einzelnen Belastungen können verschiedene Prüfabläufe durchgeführt werden.

Zu Beginn eines Versuchsablaufes kann die Batterie durch die Prüfmaschine mit einer definierten Kraft vorbelastet werden. Anschließend regelt die Temperierkammer bis zu einer in der Software eingestellten Temperatur. Daraufhin werden viele Ladezyklen der Batterie nacheinander durchgeführt. Die Batterien werden bspw. 10 Mal nacheinander aufgeladen und wieder entladen – bei gleicher Last und Temperatur. Im Anschluss wird die nächste Temperatur und/oder Last eingestellt.

Die mechanische Belastung kann bei den Versuchen in 3 verschiedenen Betriebsarten aufgebracht werden. Eine Möglichkeit ist es, die Position der Druckplatten zu halten, wodurch die Kraft bei einer Ausdehnung der Zelle ansteigt und bei einer Schrumpfung 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 dies bereits bei der Prüfung zu berücksichtigen, kann die Wirkung der Federn im Prüfsystem simuliert werden. 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.

Bei allen Prüfabläufen wird stets das Zusammenspiel der 3 Parameter Temperatur, Ladezustand und Kraft sowie deren Effekte untereinander überprüft.

Die Material- und Bauteilprüfsoftware LabMaster bietet die Möglichkeit flexibel auf verschiedenste Anforderungen in einem Prüfablauf einzugehen. Damit können die hohen Anforderungen an die Prüfabläufe bei der Batteriezellenprüfung sicher und reproduzierbar abgebildet werden.

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 zur Verfügung. Es werden zudem Fehlerzustände bspw. in der Gassensorik erfasst und die Reaktion der Prüfmaschine auf Alarme im Prüfablauf gesteuert.

Die einzelnen Schritte im beschriebenen Prüfablauf können mit dem Blockprogramm sehr flexibel konfiguriert werden – sie können in beliebiger Anzahl und Reihenfolge mit beliebigen Parametern kombiniert werden. Für jeden Schritt können bei Bedarf eigene Kriterien bzgl. der zu überwachenden Parameter festgelegt werden.

Da die Prüfung von Batteriezellen ein erhöhtes Gefährdungspotenzial durch entstehende Gase oder austretende Säuren birgt (EUCAR Hazard Level 6), müssen besondere Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden. Die Temperierkammer, welche Temperaturbedingungen zwischen -40°C 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. Neben dem Erreichen der inerten Atmosphäre werden ein Voralarm bei bestimmten Gasschwellwerten sowie ein Hauptalarm beim Überschreiten dieser signalisiert. Der Hauptalarm löst dann neben einem zusätzlichen akustischen Signal auch eine Havariespülung mit Stickstoff aus. Weiterhin wird bei dieser Alarmstufe die Anlage automatisch gestoppt.

Durch dieses 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 können dann u.a. auch folgende Materialprüfungen und Bauteilprüfungen durchgeführt werden: Zugversuche und Durchstoßversuche an Elektrodenfolien, Haftfestigkeitsuntersuchungen an Elektrodenbeschichtungen.