Elektromobilität - Anspruchsvolles Regelkonzept schützt Innenleben von Batterien vor Schäden

Hochpräzise und zuverlässig: Dosieranlagen für Batterie-Prüfstand sorgen für schnelle Ausregelung der Soll-Werte sowie reproduzierbare Testergebnisse.

Um den hohen Anforderungen des Automobilsektors in Bezug auf Sicherheit, Leistung, Robustheit, Lebensdauer und -kosten sowie Umweltschutz zu entsprechen, werden bei elektrischen Fahrzeugantrieben spezielle Batterien benötigt. Damit diese auf der Lithium-Ionen-Technologie basierenden Batterien den Ansprüchen an die Leistungsfähigkeit sowohl im automobilen Einsatz als auch bei der Verwendung als stationärer Speicher gerecht werden, müssen sie auf Batterieprüfständen getestet werden. Bei der Deutschen Accumotive GmbH & Co. KG werden zur Temperierung der Traktionsbatterien seit Ende 2016 acht zusätzliche Dosieranlagen der LEWA GmbH eingesetzt.

Eine präzise Regelung sowohl des Volumenstroms als auch des Drucks findet über je zwei Kreisläufe für das Wasser-Glykol-Gemisch statt – pro Prüfling ein Kreislauf.

Bereits seit 2009 befinden sich dort ähnliche LEWA-Anlagen rund um die Uhr sieben Tage die Woche im vollautomatischen Betrieb auf Batterieprüfständen im Einsatz. Als 2016 die Testkapazitäten ausgebaut wurden, entschied man sich aufgrund der Zuverlässigkeit sowie der guten Qualität der Systeme erneut für die Anlagen von LEWA. „Der Arbeitsbereich der baugleichen Dosieranlagen, die für einen weiten Temperaturbereich des Testfluids von -30 bis +85 °C ausgelegt sind, reicht bis zu einem Druck von 10 bar“, berichtet Roland Schwab, Product Manager bei LEWA. Der Volumenstrom ist etwas größer als bei den Vorgängeranlagen und lässt sich für jeden Kreislauf separat zwischen 30 und 900 l/h einstellen. Die Dauer der Testzyklen liegt zwischen wenigen Minuten und mehreren Stunden. Auf diese Weise wird in Form von Worst-Case-Szenarien die Lebensdauer bei extremen Betriebszuständen ermittelt.

Wärmedämmung für reproduzierbare Ergebnisse

Die 1,1 x 0,8 x 2,1 m (L x B x H) große Anlage ist in verschiedene Ebenen gegliedert: Die erste besteht aus Grundgestell, Auffangwanne und Kühlwasseranschluss. Zur zweiten gehören Temperiergerät, Dosierpumpen, Messgeräte und Prozessanschluss. Die dritte setzt sich aus Schaltschrank, Bedienung und Schnittstellen zusammen. Alle Komponenten werden auf dem gemeinsamen Grundgestell montiert, das sich mittels Hubwagen bewegen lässt und eine durchgängige Edelstahl-Wanne zum Auffangen möglicher Leckagen beinhaltet. Alle Bauteile sind so angeordnet, dass die Anlage optimal zugänglich ist und sich einfach bedienen lässt. Die eigentlichen Systemkomponenten sind mit einer Wärmedämmung versehen, damit die Umgebungstemperatur keinen Einfluss auf die Fluidtemperatur und deren Gradienten hat. „Das ist eine unabdingbare Voraussetzung, um bei den dynamischen Wechseltests mit unterschiedlichen Prozesstemperaturen ein reproduzierbares Ergebnis erzielen zu können“, so Schwab.

Das vom Verhältnis her stets unveränderte Wasser-Glykol-Gemisch wird vom Temperiergerät auf die gewünschte Betriebstemperatur eingeregelt und anschließend in einem geschlossenen Kreislauf umgewälzt. Aus diesem entnimmt das Dosierpumpen-System einen definierten Volumenstrom, der auf zwei parallele, voneinander unabhängige Dosierkreise aufgeteilt wird. Das temperierte Fluid wird durch die Traktionsbatterien gefördert und schließlich wieder dem geschlossenen Kreislauf zugeführt. Dort wird mit Hilfe eines Vibrationsgrenzschalters permanent die Flüssigkeitsmenge gemessen und im Fall eines zu geringen Füllstands frühzeitig eine Warnmeldung ausgegeben. „So kann die Anlage während des Betriebs ohne Beeinträchtigung ihrer Funktion nachgefüllt werden“, erläutert Schwab.

Verbessertes Regelungskonzept

Da sich aus der Praxis ein entsprechender Bedarf ergeben hatte, wurden neben der Auslegung der Pumpen außerdem die Schnittstellen zum kundenseitigen Prozessleitsystem angepasst und die Steuerung sowie das Handling der Anlagen verbessert. „Damit die zu prüfenden Traktionsbatterien nicht beschädigt werden, lässt sich der maximale Förderdruck variabel begrenzen. Selbst bei einer kurzzeitigen Überschreitung des vorgegebenen Grenzwerts um mehr als ein Prozent erfolgt die Abschaltung der Dosierpumpe und die Störung wird gemeldet“, führt Schwab aus. Gleichzeitig sollte die Anlage im gesamten Druck- und Temperaturbereich eine sehr hohe absolute Genauigkeit der Volumenströme aufweisen. Um die erforderliche Reproduzierbarkeit und Stabilität zu gewährleisten, war eine anspruchsvolle Kombination von Volumenstrom- und Druckregelung erforderlich.

Über die LEWA-Software werden diese Parameter symmetrisch gesteuert. Liegen beide Ist-Werte unterhalb des Soll, wird die Förderleistung erhöht bis einer der Grenzwerte erreicht ist.

Bei Überschreiten eines Soll-Werts wird der Volumenstrom umgehend so eingeregelt, dass einer der Ist-Werte auf und der andere nicht oberhalb des Zielwerts liegt. Der eingestellte Maximaldruck wird dabei nie überschritten, so dass das Innenleben der Batterien keinen Schaden nimmt.

Ihre Fragen dazu beantwortet Roland Schwab