Batterie- und Sensoriktestzentrum

Die TU Clausthal betreibt mit dem Energie-Forschungszentrum Niedersachsen und dem Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut am Batterie-Sicherheitscampus Deutschland ein Batterie- und Sensoriktestzentrum. Dieses verkörpert eine Forschungsinfrastruktur zum Testen von Hochleistungs-Batteriesystemen, die hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit bundesweit einmalig ist. Mit dieser Infrastruktur sind die Partner für zukünftige Herausforderungen gewappnet, wenn Batterien für Busse und LKW nichts Ungewöhnliches mehr sind und auch das Laden dieser Batterien mit 500 kW keine Seltenheit mehr ist.

Batterien, insbesondere für die Elektromobilität, unterliegen sehr hohen Anforderungen bezüglich der Energie- und Leistungsdichte, weshalb hochintegrierte Lösungen gefordert werden. Aus der hohen Energie- oder Leistungsdichte ergeben sich auch hohe abzuführende Wärmequelldichten, die ein besonders gut durchdachtes Thermomanagement erfordern. Insbesondere in Grenzbereichen, wie zum Beispiel dem Schnellladen von Batterien oder bei hohen dynamischen Belastungen und gleichzeitig hohen oder sehr tiefen Umgebungstemperaturen, werden anspruchsvolle Anforderungen an das Batterie- und Thermomanagement gestellt. Zusätzlich ist das Verhalten von Batterien im Extremfall (z.B. bei Unfällen) von Interesse.

Mit der innovativen Forschungsumgebung im Batterie- und Sensoriktestzentrum werden die Kompetenzen der Partner bei der Charakterisierung und Untersuchung von Batterien hinsichtlich ihrer elektrischen und thermischen Eigenschaften bei extremen Belastungen gebündelt. Derzeit steht das folgende Angebot an Prüfständen mit den dazugehörigen Belastungsszenarien zur Verfügung:

Leistungsprüfstand

ausstattung hochleistungsumrichter efzn 870Der Leistungsprüfstand ermöglicht elektrische Belastungstests bis 1000 V und 1.200 A (gleichzeitig), wobei auch eine Brandentstehung geduldet werden kann.

Mit dem Leistungsprüfstand wurde eine Prüfumgebung aufgebaut, welche in dieser Dimension einmalig ist. Der Prüfstand besitzt Stromanstiegszeiten von 10 auf 90 Prozent in unter 3 ms und ist somit auch für hochdynamische Anforderungen geeignet. Außerdem ist er flexibel auf zwei Kanäle mit jeweils 600 kW Leistung aufteilbar.

Die Messinfrastruktur (siehe auch unten: Messsensorik) ermöglicht eine dynamische Datenaufzeichnung und eine hohe Regelgenauigkeit des Prüfstands auf unter 0,1 Prozent.

Kostenoptimierter Leistungsbezug mittels Pufferbatterie

870290 Batterie IMG 8453Realisiert werden die großen Leistungen des Prüfstandes über eine Bleipufferbatterie, sodass das Netz nur minimal belastet wird und hohe Energie- beziehungsweise Leistungspreise vermieden werden können. Dazu wurde eine Batterie mit 400 Zellen und 800 kWh Energiegehalt installiert, welche bis zu 960 kW Leistung für circa 20 Minuten bereitstellen kann.

Messsensorik: Elektrisches Messsystem

Zum Prüfstand gehört ein Spannungsmesssystem mit 320 Kanälen mit einer Summenabtastrate von 20 kHz über jeweils 20 Kanäle. Alle Kanäle sind untereinander bis 1.000 V galvanisch getrennt. Dabei kann der Messbereich in Dekaden von 10 V bis 1.000 V in vier Bereiche eingeteilt werden. Das Messsystem ermöglicht eine Einzelzellüberwachung einer Batterie mit bis zu 320 Zellen gleichzeitig. Über frei konfigurierbare AD-Wandler können darüber hinaus weitere Strom- und Temperaturmesswerte erfasst werden.

Messsensorik: Faseroptisches Temperaturmesssystem

Ein faseroptisches Temperaturmesssystem ermöglicht die Auswertung von nahezu beliebig vielen Messstellen gleichzeitig, welche flexibel in Batteriesysteme oder andere Prüflinge eingebracht werden können. Der große Vorteil liegt zum einen in der geringen Größe der Sensoren (etwa die Dicke eines Haares), so dass diese ohne konstruktive Veränderungen in nahezu jedes bestehende System nachgerüstet werden können. Zum anderen sind die faseroptischen Sensoren unempfindlich gegen elektromagnetische Felder, welche in dynamisch belasteten Batteriesystemen häufig zu verrauschten Messergebnissen führen. Die Abtastrate des Systems liegt bei min. 1 Hz und die Temperaturgenauigkeit bei ±1 °C. Ein Temperaturbereich von -30 bis 300 Grad Celsius ist Stand der Technik, Temperaturbereiche bis zum Schmelzpunkt der Fasern werden noch weiterentwickelt.

Klimakammer

Eine Klimakammer ermöglicht mit einer Größe von 3,0 m x 3,0 m x 2,3 m die Untersuchung auch größerer Fahrzeugbatterien unter kontrollierten klimatischen Bedingungen. Dabei handelt es sich also nicht nur um Temperatureinflüsse sondern auch um die zugehörige Luftfeuchte. Die Luftfeuchte ist von 5 bis 95 Prozent einstellbar und die Temperatur mit einer Temperaturänderungsrate von 1 K pro Minute von -30 bis 85 Grad Celsius regelbar. Der Klimacontainer ist brandgeschützt ausgeführt und verfügt über eine Stickstofflöscheinrichtung.

Zell- und Modulprüfstände

Zur Untersuchung von Einzelzellen- und Modulen verfügt das Batterietestzentrum über einen Batterieteststand mit 16 Kanälen mit jeweils 6 V und 25 A sowie einem Kanal mit 6 V und 400 A. Zudem sind 8 Kanäle beliebig von 25 A bis 200 A zu einem einzelnen Kanal parallelisierbar. Ebenfalls enthalten sind zwei brandgeschützte, wassergekühlte Prüfkammern.. Mit einem weiteren ebenfalls am EFZN vorhandenen Modulprüfstand (100V, 100A) sowie dem Leistungsprüfstand können somit alle Batteriegrößen im Testfeld abgedeckt werden.

Brandofen

435145 05 Brandofen1 EFZNZwei Brandöfen mit Innenmaßen von 3,0 m x 3,0 m x 2,5 m sowie 1,5 m x 1,5 m x 2,5 m stellen eine explosionsgeschützte Versuchsumgebung für Extremtests auch an großtechnischen Batteriesystemen zur Verfügung. So wird z.B. im Havariefall der Abbrand ganzer Batterien ermöglicht, wobei die verbleibenden Schadgase mittels einer entsprechenden Abgasreinigungsanlage aus dem Abgasstrom gefiltert werden. Der Ofen ist bis über 1300 Grad Celsius temperaturstabil und verfügt über eine Heizleistung von über 2 MW. Mit der dazugehörigen Steuerung können z.B. Einheitstemperaturkurven gefahren werden, wie sie für Materialprüfungen zum Teil gefordert werden. Zusätzlich können Zulassungstests (z.B. Fuel Fire Test) unabhängig von äußeren Witterungsbedingungen im Freien durchgeführt werden.

Gasmesssystem

Auf der stofflichen Seite ermöglichen verschiedene Gasmesssysteme den qualitativen und quantitativen Nachweis relevanter Brandgase im Abgasstrom des Ofens. Das Batterie- und Sensoriktestzentrum bietet hierfür neben optischen Gasmessungssystemen auch Massenspektroskopie und in Zusammenarbeit mit dem CUTEC Umweltinstitut weitere Analyseverfahren an.

Fazit: Mit den vorgenannten Komponenten sowie weiteren Accessoires wie Strom-, Spannungsmesstechnik und Wärmebildkameras steht eine bundesweit einmalige und flexible Testinfrastruktur zur Verfügung.

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