Crashtest für Batterien

„SafeBattery“ soll E-Fahrzeugen zu mehr Spielraum für Reichweite und Design verhelfen, und zwar bei stets gewähr­leisteter Batterie­sicherheit. Im Bild: die Projektleiter Wolfgang Sinz und Christian Ellers­dorfer vom Institut für Fahrzeug­sicherheit der TU Graz (v.l.; Bild: Lunghammer, TU Graz)

Sicherheit, Reichweite und Kosten: Das sind die drei großen Prämissen der Elektromobilität. An erster Stelle steht eindeutig die Sicherheit: Lithium-basierte Traktions­batterien werden derzeit meist völlig abgekapselt in Batterie­gehäusen in das Fahrzeug integriert, um sie damit vor allen denkbaren Belastungen und äußeren Einflüssen zu schützen. Dieser „Panzer“ wirkt sich auf Bauweise, Gewicht, Größe und Gesamtdesign des Fahrzeugs aus.

„Im Sinne der Sicherheit schützen Fahrzeughersteller Traktions­batterie­komponenten lieber mehr als eventuell notwendig, um auf alle Fälle auf der sicheren Seite zu sein. Dadurch ergeben sich aber im Gegenzug gewisse Ein­schränkungen. Ein Grund für diese Vorgehens­weise ist, dass das Verhalten der Batterie­komponenten, beispiels­weise Batterie­zellen, unter Crash­belastungen noch zu wenig erforscht wurde.“, erklärt Wolfgang Sinz vom Institut für Fahrzeug­sicherheit der TU Graz. Gegen­wärtige Forschungen beschränkten sich zudem meist auf das Verhalten neuer Fahrzeug­traktions­batterien, ohne beispiels­weise den möglichen Einfluss von Vorbelastungen, etwa durch Alterung, zu berück­sichtigen. Genau hier setzt das Team rund um Wolfgang Sinz gemeinsam mit namhaften nationalen wie inter­nationalen Partnern aus Forschung und Industrie im Rahmen des COMET-Projekts „SafeBattery“ an, das im April 2017 Fahrt aufgenommen hat.

In dem vierjährigen FFG-geförderten Forschungs­projekt steht das mechanische, elektro­chemische und chemisch-thermodynamische Verhalten von Einzelzellen und Einzel­modulen auf Lithiumbasis unter Crash­belastungen im Zentrum. Dabei untersuchen die Forschenden Komponenten mit unter­schied­lichem Vorleben, denn „die Sicherheit muss nicht nur bei neuen Batterien in jedem Fall gewährleistet sein, sondern auch bei Traktions­batterien in Fahrzeugen, die schon ein bestimmtes Maß an Vibrationen, an eventuellen leichten mechanischen Belastungen infolge leichter Unfälle und an kalenda­rischer Alterung bzw. zyklischer Alterung hinter sich haben“, so Wolfgang Sinz. Auch andere Einfluss­faktoren auf das Batterie­verhalten im Crashfall werden genau unter die Lupe genommen, wie der Lade­zustand oder die Temperatur.

Das „SafeBattery“-Team will die Grenzen der Batterie­zelle ausloten, um in weiterer Folge Parameter zu definieren, die dazu genutzt werden, dass diese Grenzen in der Praxis niemals überschritten werden. Dafür braucht es eine enge Zusammen­arbeit nicht nur mit Industrie­partnern von AVL über Steyr Motors bis Audi und Daimler, sondern besonders TU Graz-intern mit den Expertinnen und Experten des Instituts für Chemische Technologie von Materialien und mit dem Kompetenz­zentrum Virtual Vehicle. „In diesem Projekt kreuzen sich viele Disziplinen. Wir haben eine ganze Reihe von Einfluss­para­metern und müssen das Mosaik erst in seine Einzel­teile zerlegen und untersuchen. Erst dann können wir Empfehlungen zu Bau, Integration und Betrieb der Batterien abgeben“, sagt Sinz.

In der institutseigenen Crashtest­halle hat das Team eigens entwickelte Prüfstande mit maßgeschneiderten Mess- und Sensor­technologien für verschiedene Crash-Szenarien für Batterien und deren Komponenten aufgebaut, „ein weltweit einmaliger Versuchsaufbau, der qualitativ hochwertige Messdaten und Erkenntnisse über die gesamten hochkomplexen Vorgänge, die meist nur wenige Milli­sekunden dauern, gewinnen kann“, sagt Sinz. Dazu kommen numerische Berechnungsverfahren und Simulationen, um die multi­physika­lischen Vorgänge besser zu verstehen. Ergebnis ist ein umfassendes Wissen über das Verhalten von Traktions­batterien unter Crashbelastungen, das als Basis genutzt werden kann, um Antriebs­batterien noch optimaler in das jeweilige Fahrzeug­konzept sicher zu integrieren. Mit diesem Wissen lassen sich kritische Zustände von Batterien schon in der Entwicklung, aber auch im Betrieb frühzeitig erkennen und durch spezifische Maßnahmen vermeiden. Zusätzlich sind Zellhersteller interessiert an gezielten Anforderungs­spezifikationen. „Wir wollen mit den gewonnen Erkenntnisse dazu beitragen, mehr Spielraum für die Reichweite und das Fahrzeug­desgin bei stets gewähr­leisteter Sicher­heit zu erreichen“, fasst Sinz zusammen.

Ein weiterer Fokus des Projekts: Gemeinsam mit dem Institut für Chemische Technologien von Materialien werden die Unter­suchungen nicht nur für State-of-the-Art Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigem Elektro­lyten durchge­führt, sondern auch mit der nächsten Generation an Lithium-Batterien mit All Solid State Elektrolyten. „Uns interes­siert hier, ob die kommende Generation an Antriebs­batterien einige Mankos der derzei­tigen Systeme gar nicht mehr aufweist oder vielleicht neue, andere Schwach­stellen mit sich bringt“, sagt Wolfgang Sinz.

Partner im K-Projekt „SafeBattery“ des COMET-Programms sind AVL-List, SFL technology, Kreisel Electric, Steyr Motors, Audi, Daimler und Porsche. Aus der Wissen­schaft stehen dem Institut für Fahrzeug­sicher­heit das Kompetenz­zentrum Virtual Vehicle und das Institut für Chemische Technologie von Materi­alien, ebenfalls TU Graz, zur Seite. Die Projekt­laufzeit beträgt vier Jahre, mit einem Gesamt­volumen von sechs Millionen Euro. (Quelle: TU Graz)

Link: Institut für Fahrzeugsicherheit VSI, Technische Universität Graz

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