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Leistungs- und Lebensdauertests von Batterien – Was versteht man darunter?

Die Leistung und Lebensdauer der Traktionsbatterien entscheidet über den Erfolg von batterieelektrischen Fahrzeugen. Doch was versteht man eigentlich unter der Leistungsfähigkeit einer Batterie und wie kann man diese testen? Wir geben Ihnen in diesem Beitrag einen kleinen Einblick in die Materie.

Bei Leistungs- und Lebensdauertests werden die elektrischen Eigenschaften der Batterie untersucht. Dazu zählen unter anderem Kapazität, zulässige Leistungspulse, Schnellladefähigkeit der Batterie, Lebensdauer und Kapazitätsverluste. Alle Tests geschehen unter Variation der Umgebungstemperatur und des Temperaturmanagements der Batterie. Hier wird zwischen Flüssig-, Luft- oder Direktkühlung der Batterie unterschieden.

Dabei werden grundlegende Fragen beantwortet: Welche Leistungspulse kann ich wie lange bei einer spezifischen Batterietemperatur aus der Batterie ziehen? Wie funktioniert die Kühlung bei einer bestimmten Umgebungstemperatur? Die Prüfungen sollen den Betrieb der Batterie unter erwartbaren Betriebsbedingungen widerspiegeln, d. h. die Leistungscharakteristik und Lebensdauer wird bei gewöhnlichen und extremen Umgebungsbedingungen ermittelt.

Was sind die wesentlichen Entwicklungsziele in diesem Bereich?
Ziel ist es die Lebensdauer, die Kapazität und die Leistungsfähigkeit der Batterie zu erhöhen. Um die Lebensdauer der Batterie zu gewährleisten, muss eine ausreichende Restkapazität auch nach entsprechenden elektrischen und thermischen Zyklen gewährleistet sein. Untersuchungen zur Leistungsfähigkeit und Kapazität dagegen umfassen diverse Lade- und Entladevorgänge der Batterie. Beim Laden der Batterie werden übliche Ladevorgänge überprüft. Der Batterie wird über einen längeren Zeitraum eine konstante und hohe Last zugeführt. Beim Entladen der Batterie rufen Sie hingegen eine modulierte und niedrigere Leistung über einen längeren Zeitraum ab, um den normalen Fahrbetrieb nachzustellen. Möchten Sie das Verhalten der Batterie bei Beschleunigungsvorgängen analysieren, rufen Sie in kurzer Zeit hohe Leistungen ab.

Bei diesen Tests haben das Temperaturmanagement und die Kühlleistung der Batterie einen wesentlichen Einfluss. Damit die Zellchemie keine Schäden nimmt und die Wärme abtransportiert werden kann, muss die Batterie für alle elektrischen Anwendungsfälle entsprechend konditioniert werden.

Um für die Leistungs- und Lebensdauertests eine realitätsnahe Situation zu erzeugen, wird bei diesen Prüfungen auch die Umgebungstemperatur in die Untersuchungen miteinbezogen. Üblicherweise erfolgen die oben beschriebenen Batterietests in einer Klimakammer, mit deren Hilfe man ein moderates Temperaturfenster erzeugt. Um festzustellen, ob das Batteriemanagementsystem im Normalbetrieb innerhalb dieser Temperaturgrenzen einwandfrei funktioniert ist es sinnvoll, bei den Tests auch über diese Grenzen hinaus zu gehen. Zur Prüfung der Batterielebensdauer werden anspruchsvolle Leistungsprofile mit extremen Temperaturprofilen überlagert.

Welches Equipment benötige ich für diese Tests?
Ein gewöhnliches Prüfsystem für Leistungs- und Lebensdauertests umfasst einen Batterietester (z. B. AVL E-STORAGE), die Batteriekonditionierung, eine Klimakammer mit dazugehörigen Sicherheitssystemen (z. B. AVL Klimakammer), verschiedene Messsysteme sowie ein Automatisierungssystem (z. B. AVL Lynx 2™). Je nach Entwicklungsstadium der Batterie kann das Testequipment allerdings von diesem klassischen Aufbau abweichen:

Forschung und Entwicklung
Im Entwicklungsbereich befindet sich die Batterie noch im Prototypenzustand. Alle Varianten an HV-Anschlüssen und weiteren Schnittstellen müssen getestet werden. Die Tests sind großteils individuell und bemannt. Es ist ein flexibler Prüfstand mit vielen Messstellen, variablen Anschlüssen und Sensoren erforderlich, um individuelle Tests zur elektrischen oder thermischen Belastung durchführen zu können. Eine variable Verschaltung der HV-Kanäle ermöglicht ein breites Leistungs- und Variantenspektrum. Um möglichst viele Erkenntnisse in dieser Phase zu generieren, sind zahlreiche Stell- und Messgrößen notwendig.

Absicherung/Zertifizierung/Lebensdauer
In dieser Phase wird die Batterie großteils lang andauernden und hochautomatisierten Tests unterzogen. Dabei sind exakte Vorgaben einzuhalten und es werden hohe Leistungen abverlangt. Prüfstände für dieses Entwicklungsstadium benötigen lediglich eine geringere Flexibilität, da sie nur selten auf neue Batterietypen angepasst werden müssen und somit die Umrüstzeiten eine untergeordnete Rolle spielen. Einige wenige Parameter stehen im Testfokus, die harten Vorgaben belasten den Prüfling jedoch maximal. Sämtliche Tests müssen reproduzierbar sein, es steht bei den Untersuchungen allerdings nicht die Wissensgenerierung im Vordergrund, vielmehr werden einfache Testaussagen getroffen: Hat der Prüfling am Ende der Tests noch die gewünschte Restkapazität?

Qualitätssicherung/End-of-Line
Die fertige Batterie mit ihrer Geometrie, ihren Anschlüssen und Sensoren wird vom Band weg untersucht. Sämtliche Tests laufen hochautomatisiert ab, es werden großteils nur wenige Paramater in kurzen Tests geprüft. Die wesentliche Frage, die an dieser Stelle beantwortet wird: Funktioniert das Batteriemanagementsystem (BMS)? Wenn das BMS funktioniert und die Grundfunktionen der Batterie gegeben sind, darf angenommen werden, dass auch die Performance stimmt. Die Prüfstandskomponenten müssen bei diesen Bandprüfungen zuverlässig arbeiten, sonst steht die gesamte Produktionslinie.

Die untenstehende Grafik gibt vereinfacht darüber Aufschluss, welche Eigenschaften eines Prüfstands im entsprechenden Batterieentwicklungsstadium besonders wichtig sind.



Leistungstests an Batterien reproduzieren den zu erwartenden Betrieb einer Batterie unter gewöhnlichen Umgebungsbedingen. Lebensdauertests erhöhen künstlich den elektrischen und thermischen Stress, um die Testzeit zu verkürzen. Die zum Einsatz kommenden Prüfstandskomponenten können sich dabei jedoch – abhängig vom Entwicklungsstadium der Batterie – voneinander unterscheiden.

Falls Sie tiefergehende spezifische Fragen zum Layout eines Batterieprüfstands für Leistungs- und Lebensdauertests haben, wenden Sie sich bitte an unsere Experten. Wir beraten Sie gerne individuell und erläutern Ihnen ausführlich, welche Dinge Sie bei diesem Thema besonders berücksichtigen sollten.