Batterietypen
Es gibt viele verschiedene Batterietypen. Jeder einzelne Typ hat seine eigenen Vor- und Nachteile. Die unterschiedlichen Branchen orientieren sich bei der Auswahl an den spezifischen Anforderungen der jeweiligen Applikation. Im Allgemeinen ziehen die Hersteller bei der Auswahl des geeigneten Batterietyps für eine bestimmte Applikation Kosten, Energiedichte, Lebensdauer und Umweltauswirkungen in Betracht.
Zu den verschiedenen Batterietypen zählen:
Lithium-Ionen (Li-Ion)
Lithium-Ionen-Batterien nutzen die Lithium-Ionen-Chemie, die für ihre hohe Energiedichte bekannt ist und sie leicht und kompakt macht. Aufgrund dieser hohen Energiedichte, ihrer längeren Lebensdauer, ihrer geringeren Selbstentladung und ihrer relativ leichten Bauweise haben sie in der Automotive-Branche, bei Verbrauchergeräten und tragbaren medizinischen Geräten Beliebtheit gewonnen. In modernen Fahrzeugen werden sie sowohl zum Antrieb als auch zur zusätzlichen Energieversorgung verwendet. Durch ihre lange Lebensdauer eignen sie sich ideal für Geräte, die häufig geladen und entladen werden müssen. Gleichzeitig sind sie äußerst zuverlässig. Andererseits sind Lithium-Ionen-Batterien teurer in der Herstellung, und Schäden durch potenzielle Überladung können zu Sicherheitsproblemen führen. Die Entsorgung und Recycling von Lithium-Ionen erfordern aufgrund der chemischen Zusammensetzung ein sorgfältiges Vorgehen.
Blei-Säure-Batterien
Blei-Säure-Batterien enthalten eine positive Elektrode aus Bleidioxid, eine negative Elektrode aus Bleischwamm, und einen Schwefelsäure-Elektrolyten. Sie sind relativ kostengünstig in der Herstellung und werden daher gerne in Kraftfahrzeugen und in der Industrie eingesetzt. Außerdem werden sie in größeren medizinischen Geräten wie unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USVs) für Krankenhäuser und Notstromsystemen verwendet. Sie sind jedoch schwer und haben eine geringe Energiedichte, wodurch sie sich weniger für mobile Anwendungsfelder eignen. Sie überstehen Tiefenentladungen und sind eine zuverlässige Stromquelle. Ihre Leistung lässt allerdings nach einer begrenzten Anzahl von Lade- und Entladezyklen nach.
Es handelt sich hierbei um die Batterien, die traditionell und am häufigsten in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor (ICE) verwendet werden. Sie sind kostengünstig und liefern die erforderliche Leistung, um Motoren zu starten. AGM-Batterien (Batterien mit absorbierendem Glasvlies) sind eine Variante der Blei-Säure-Batterien. Sie bieten eine höhere Leistung, insbesondere bei Start-Stopp-Systemen und Fahrzeugen mit höherer elektrischer Belastung.
Nickel-Cadmium-Batterien (NiCd)
NiCd-Batterien beinhalten eine positive Elektrode aus Nickeloxid-Hydroxid, eine negative Elektrode aus Cadmium und einen Kaliumhydroxid-Elektrolyten. Da Cadmium giftig ist, sind NiCd-Batterien umwelttechnisch bedenklich und müssen sachgerecht recycelt werden. Die Batterien sind bekannt für ihre Langlebigkeit und ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber extremen Temperaturen. Sie können hohe Stromstärken liefern und eignen sich daher für Elektrowerkzeuge und andere Anwendungen mit hohem Strombedarf. Außerdem überstehen sie zahlreiche Lade- und Entladezyklen. Bekanntermaßen tritt bei NiCd-Batterien aber auch der Memory-Effekt auf. Dieser verringert die Kapazität, wenn die Batterien vor dem Wiederaufladen nicht vollständig entladen werden. Darüber hinaus besitzen sie eine geringere Energiedichte.
Nickel-Metallhydrid-Batterien (NiMH)
NiMH-Batterien werden in medizinischen Geräten verwendet, bei denen Kosteneffizienz und Umweltaspekte eine wichtige Rolle spielen. Diese Batterien sind weniger toxisch als NiCd-Batterien. Somit sind sie umweltfreundlicher. Sie besitzen eine relativ hohe Energiedichte, sind kostengünstig und haben eine relativ geringe Selbstentladung. Dadurch eignen sie sich für bestimmte tragbare medizinische Geräte sowie Geräte, die nicht ständig im Gebrauch sind. NiMH-Batterien werden schon seit vielen Jahren in Hybridfahrzeugen verwendet.
Alkalibatterien
Alkalibatterien sind lange haltbar und eignen sich daher für Geräte, die ggf. über einen längeren Zeitraum gelagert werden. Sie werden häufig in Schubladen in Privathaushalten vergessen, das sie oft für Fernbedienungen, Taschenlampen, Spielzeug usw. verwendet werden. Sie werden aber auch häufig auch als Einwegartikel in medizinischen Geräten wie Hörgeräten verwendet, da sie kostengünstig und leicht verfügbar sind.
Zink-Kohle-Batterien
Zink-Kohle-Batterien sind die preiswerteste Option und werden in sehr einfacher Unterhaltungselektronik wie billigem Spielzeug, Uhren und Kleingeräten verwendet. Sie haben eine kürzere Lebensdauer und sind in der Regel nicht wiederaufladbar.
Lithium-Polymer-Batterien (LiPo)
LiPo-Batterien sind eine Variante der Lithium-Ionen-Batterien. Sie sind bekannt für ihre Flexibilität in Bezug auf Form und Größe. Sie werden in kompakten und leichten Geräten wie Drohnen, ferngesteuertem Spielzeug und einigen kleineren Laptops verwendet. Die LiPo-Batterien sind häufig erste Wahl, wenn Hersteller speziell geformte Batterien benötigen, die in Geräte mit besonderem Design passen.
Kundenspezifische Batteriepacks
Alternativ dazu ist es nicht ungewöhnlich, dass Hersteller von medizinischen Geräten oder Elektronikhersteller Batterien kundenspezifisch anpassen, um spezielle Anforderungen an Spannung, Kapazität und Größe zu erfüllen. Kundenspezifische Packs können Batterien mit unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung beinhalten, wie Lithium-Ionen, Lithium-Polymer oder NiMH, die auf die Anforderungen des jeweiligen Geräts abgestimmt sind.
Festkörperbatterien
Festkörperbatterien befinden sich noch in der Entwicklung und werden noch nicht so häufig eingesetzt wie die zuvor genannten Batterietypen. Dennoch gewinnen sie in der Automotive-Branche aufgrund ihres Potenzials für eine gesteigerte Energiedichte, eine längere Lebensdauer und eine höhere Sicherheit an Bedeutung. Sie werden derzeit für den Einsatz in Elektrofahrzeugen erforscht und entwickelt.
Batteriekomponenten
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Alle Batterien bestehen aus 4 Hauptkomponenten:
1. Batteriezellen
Hierbei handelt es sich um die Grundbausteine von Batteriesystemen, in der Regel zylindrisch, beutelartig (Pouch) oder prismatisch. Sie enthalten den elektrochemischen Kern.
Pouch-Zellen können zwar eine höhere Energiedichte als andere Formfaktoren bieten, sind aber aufgrund des fehlenden Metallgehäuses weniger haltbar.
Die Formfaktoren von Batterien beziehen sich auf die physische Form und Größe von Batterien.
Die unterschiedlichen Formfaktoren sind für verschiedene Anwendungen konzipiert und besitzen unterschiedliche Eigenschaften.
Im Folgenden werden einige der gebräuchlichsten Formfaktoren für Batterien und deren Unterschiede erläutert:
- Zylindrische Zellen besitzen den häufigsten und am weitesten verbreiteten Formfaktor für Batterien. Sie sind in verschiedenen Größen erhältlich, wobei die gängigsten AA, AAA und 18650 sind. Zylindrische Zellen besitzen eine gute Energiedichte und eignen sich für hohe Entladungsraten. Sie werden häufig in Verbraucherelektronik, Taschenlampen und einigen tragbaren Geräten verwendet.
- Prismatische Zellen besitzen eine flache, rechteckige Form. Dadurch eignen sie sich für platzsparende Designs. Sie werden aufgrund ihrer flachen und leichten Form häufig in Smartphones, Tablets und Laptops verwendet. Prismatische Zellen haben in der Regel eine geringere Energiedichte als zylindrische Zellen, sind aber für bestimmte Anwendungen besser geeignet.
- Pouch-Zellen sind dünn, flexibel und leicht, da sie kein starres Metallgehäuse besitzen. Sie werden häufig dort eingesetzt, wo Platz und Gewicht eine entscheidende Rolle spielen wie in Elektrofahrzeugen (EVs) und Drohnen.
2. Batteriemodule: Hierbei handelt es sich um Kombinationen aus Einzelzellen. Diese sind in der Regel in Reihe oder parallel geschaltet und mit Systemen zum Thermomanagement ausgestattet.
3. Batteriepacks: Hierbei handelt es sich um vollständig montierte und umschlossene Einheiten, die aus mehreren Modulen bestehen und für spezifische Anwendungen konzipiert sind.
4. Battery Management Units (BMUs): Hierbei handelt es sich um elektronische Kontrollsysteme, die den gesamten Batteriepack überwachen und verwalten sowie für dessen Sicherheit sorgen.
Jede einzelne dieser Komponenten muss separat und im montierten Zustand geprüft und getestet werden.
Batterietrends nach Branchen
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Automotive
In der Automotive-Branche hängt die Wahl des Batterietyps entscheidend vom jeweiligen Fahrzeugtyp und dem Einsatzfeld ab. In herkömmlichen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor werden in der Regel Blei-Säure-Batterien für Start, Beleuchtung und Zündung (SLI) verwendet. In Elektro- und Hybridfahrzeugen kommen dagegen modernere Batterietechnologien wie Lithium-Ionen und NiMh für den Antrieb zum Einsatz. Angesichts des technologischen Fortschritts besteht ein wachsender Trend, in Elektrofahrzeugen Lithium-Ionen- und Festkörperbatterien zu verwenden. Ausschlaggebend dafür ist der Bedarf an höherer Energiedichte, größerer Reichweite und geringeren Auswirkungen auf die Umwelt.
Verbraucherelektronik
Verbrauchergeräte wie Smartphones, Laptops, Tablets, Digitalkameras und viele andere tragbare elektronische Geräte erfordern in der Regel wiederaufladbare Batterien, um kostengünstig und bequem sein zu können. Weitere Faktoren sind Energiedichte, Formfaktor, Kosten und gerätespezifische Anforderungen. Lithium-Ionen-Batterien sind aufgrund ihrer hohen Energiedichte und langen Lebensdauer erste Wahl für die meisten tragbaren Elektronikgeräte. Die Wahl des jeweiligen Batterietyps kann jedoch je nach Verwendungszweck des Geräts, Größenbeschränkungen und Budgetüberlegungen variieren.
Medizinische Geräte
Die Wahl des Batterietyps für medizinische Applikationen hängt von Faktoren wie Energiedichte, Lebensdauer, Sicherheit und Verwendungszweck des Geräts ab. Sicherheits- und Regulierungsnormen einschließlich der Konformität mit Richtlinien für medizinische Geräte, spielen eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der geeigneten Batterietechnologie für eine bestimmte medizinische Applikation. Darüber hinaus können auch Faktoren wie Größe, Gewicht und Wartungsfreundlichkeit die Auswahl des besten Batterietyps für ein bestimmtes medizinisches Gerät beeinflussen.
Batterietests
Bei der Entwicklung und Umsetzung des Testverfahrens für die Batterieherstellung müssen zahlreiche Aspekte berücksichtigt werden. Unter Berücksichtigung der Anwendungen mit hoher Stromleistung und Hochspannung muss die Sicherheit immer absolute Priorität haben. Im Folgenden sind die häufigsten Szenarios für Batterietests aufgeführt:
Spannungstests
Spannungstests sind ein grundlegender Schritt bei der Batterieherstellung, um die Qualität, Leistung und Sicherheit der produzierten Batterien zu gewährleisten. Somit erstrecken sie sich über einen großen Bereich der Batterieherstellung.
Es ist wichtig, die Leerlaufspannung (OCV – Open Circuit Voltage) der Batterie zu messen, d. h. die Spannung, wenn keine Last anliegt oder kein Strom fließt. Die Leerlaufspannung ist ein wesentlicher Parameter, da sie einen Anhaltspunkt für den Ladezustand der Batterie liefert. Sie hilft sicherzustellen, dass die Batterie während des Herstellungsprozesses ordnungsgemäß geladen wurde. Es ist wichtig, zu verifizieren, dass die einzelnen Zellen in einem Batteriepack konsistente Spannungsniveaus aufweisen. Dadurch wird sichergestellt, dass sie in gleichem Umfang zur Gesamtleistung des Batteriepacks beitragen.
In einem Batteriepack mit mehreren Zellen wird beim Spannungstest geprüft, ob die Zellen ausbalanciert sind. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass keine der Zellen zu stark oder zu gering geladen wird. Dies kann ansonsten zu Problemen führen wie verringerter Kapazität, Überhitzung und verkürzter Lebensdauer. Wenn eine Zelle eine deutlich niedrigere oder höhere Spannung als die anderen aufweist, kann dies auf eine defekte Zelle hindeuten, die vor der weiteren Montage ausgetauscht werden muss. Spannungstests können auch die Messung der Batteriespannung bei einer bestimmten Last umfassen. Diese Tests helfen bei der Beurteilung, ob die Batterie in der Lage ist, während des Betriebs eine stabile Spannung aufrechtzuerhalten. Dies ist eine wesentliche Voraussetzung für die zuverlässige Leistung der Batterie im vorgesehenen Anwendungsfeld. Außerdem ist es wichtig zu prüfen, ob die Spannung der Batterie innerhalb eines bestimmten Toleranzbereichs liegt. Dieser Bereich wird in der Regel durch die Konstruktion der Batterie und die Spezifikationen des Herstellers eingegrenzt. Abweichungen von diesem Bereich können auf Qualitätsprobleme oder Defekte hinweisen.
Mithilfe von Spannungstests kann auch überprüft werden, ob Sicherheitsfunktionen wie der Schutz vor Überladung oder zu starker Entladung korrekt funktioniert. Diese Funktionen verhindern, dass die Batterie sichere Spannungsbereiche verlässt. In einigen Fällen werden Batterien bei Spannungstests auch einer Belastungsprüfung unterzogen, um reale Bedingungen zu simulieren. Dies ist besonders wichtig für Batterien im Automotive-Bereich und in industriellen Anwendungsfeldern, die unterschiedlichen Belastungen und Umgebungsbedingungen ausgesetzt sein können.
Stromtests
Stromtests sind unverzichtbar, um sicherzustellen, dass die Batterie die erforderliche Leistung und Energie für den vorgesehenen Verwendungszweck liefern kann und gleichzeitig die Sicherheits- und Leistungsstandards einhält. Mithilfe von Stromtests lässt sich die Kapazität von Batterien bestimmen, d.h. ihre Fähigkeit, Energie zu speichern und abzugeben. Bei der Prüfung wird die Batterie mit einer bestimmten Stromstärke entladen und die Zeitdauer gemessen, nach der die Batterie einen bestimmten Spannungsgrenzwert erreicht. Die Kapazität wird anschließend auf Basis der Entladezeit und des Stroms berechnet und gibt Aufschluss darüber, wie viel Energie die Batterie speichern und abgeben kann.
Bei Stromtests wird die Fähigkeit der Batterie bewertet, bei unterschiedlichen Entladeraten Strom zu liefern. Durch die Anwendung unterschiedlicher Entladeraten können die Hersteller die Leistungsstärke der Batterie unter verschiedenen Lastbedingungen beurteilen. Dies ist ein kritischer Faktor in Anwendungsfeldern, in denen die Batterie eine hohe Leistung erbringen muss wie in Elektrofahrzeugen oder Elektrowerkzeugen. Außerdem wird die Spannungsreaktion der Batterie bei unterschiedlichen Entladeströmen gemessen. Es wird geprüft, wie sich die Batteriespannung bei der Stromabgabe verändert. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Spannung sich innerhalb der Grenzen bewegt, die für die jeweilige Applikation zulässig sind.
Einige Batterien, vor allem in Kfz-Anwendungen, müssen in Situationen mit hoher Belastung wie Anlassen des Fahrzeugs oder schneller Beschleunigung Spitzenströme bewältigen. Mithilfe von Spannungstests wird verifiziert, dass Batterien diese Spitzenströme ohne Probleme wie Spannungsabfall oder Überhitzung liefern. Wie bei Spannungstests wird bei Stromtests für Batteriepacks mit mehreren Zellen überprüft, ob die einzelnen Zellen innerhalb des Packs gleichmäßig zur Gesamtstromabgabe beitragen. Eine nicht ausbalancierte Stromverteilung kann zu einer Überladung einiger Zellen führen, was wiederum die Lebensdauer der Batterie verkürzt.
Es ist auch wichtig zu verifizieren, dass die Batterie mit Schutzmechanismen gegen Überstrom ausgestattet ist und dass diese ordnungsgemäß funktionieren. Diese Mechanismen tragen dazu bei, Schäden an der Batterie und der zugehörigen Ausstattung zu vermeiden, die durch übermäßigen Stromfluss wie Kurzschlüsse verursacht werden könnten. Außerdem muss getestet werden, dass die Batterie einen stabilen Ausgangsstrom aufrechterhalten kann, wenn sie wechselnden Lasten oder plötzlichen Laständerungen ausgesetzt wird. Darüber hinaus müssen die Temperaturschwankungen in der Batterie überwacht werden. Ein übermäßiger Temperaturanstieg kann ein Indiz für eine ineffiziente Funktionsweise oder Sicherheitsprobleme sein.
Kapazitätstests
Bei Kapazitätstests wird die tatsächliche Energiemenge gemessen, die eine Batterie unter bestimmten Bedingungen speichern und anschließend wieder abgeben kann. Dazu wird in erster Linie ein Entladetest durchgeführt. Bei diesem Test wird die Batterie mit einer kontrollierten Stromstärke entladen, die im Allgemeinen als C-Rate bezeichnet wird. Der Entladevorgang wird so lange fortgesetzt, bis die Batteriespannung eine bestimmte Entladeschlussspannung erreicht. Während des gesamten Entladetests werden der Strom, der von der Batterie abgegeben wird, sowie die Zeit gemessen, die benötigt wird, bis die Entladeschlussspannung erreicht ist. Das Produkt aus Strom und Zeit ergibt – je nach Einsatzfeld – die Entladezeit in Amperestunden (Ah) oder Wattstunden (Wh). Die gemessene Kapazität wird mit der Nennkapazität der Batterie verglichen, um sicherzustellen, dass sie den Spezifikationen des Herstellers entspricht. Jede signifikante Abweichung von der Nennkapazität kann auf ein Qualitätsproblem oder einen möglichen Defekt hinweisen.
Impedanztests
Bei Impedanztests wird der Innenwiderstand einer Batterie gemessen. Eine hohe Impedanz kann zu einem geringeren Wirkungsgrad und einer kürzeren Lebensdauer führen. Bei der Prüfung wird ein Wechselstromsignal (AC) an die Batterie angelegt und die Spannungs- und Stromreaktion gemessen. Es werden mehrere Parameter gemessen. Dazu zählen:
Gleichstromwiderstand (Rdc): Bei diesem Wert wird der Gleichstromwiderstand (DC) innerhalb der Batterie gemessen, der in erster Linie auf den Widerstand des Elektrolyts, der Elektroden und anderer Komponenten zurückzuführen ist. Ein höherer Gleichstromwiderstand kann auf Probleme wie Elektrodenverschleiß oder Zellalterung hinweisen.
Wechselstrom-Impedanzspektroskopie (AC): Die Batteriehersteller variieren hierbei die Frequenz des Wechselstromsignals (AC). Auf diese Weise erhalten sie ein detailliertes Impedanzspektrum, das Informationen über die innere Struktur der Batterie liefert, einschließlich Widerstand und Kapazität. Mit dieser Methode lassen sich spezifische Impedanzkomponenten bei unterschiedlichen Frequenzen identifizieren.
Bewertung der Sicherheit: Impedanztests sind entscheidend für die Bewertung der Sicherheit von Batterien, insbesondere bei Anwendungen, bei denen ein thermisches Durchgehen (z. B. bei Lithium-Ionen-Batterien) zu Sicherheitsrisiken führen könnte. Ein hoher Innenwiderstand oder unregelmäßige Impedanzmuster können auf potenzielle Sicherheitsrisiken hinweisen.
Vergleichstests: Hersteller können mithilfe von Impedanztests unterschiedliche Batteriedesigns, Materialien und Herstellungsverfahren vergleichen, um Leistung und Sicherheit zu optimieren.
Die Ergebnisse der Impedanztests liefern wertvolle Einblicke in die Batterie, wie den Gesundheitszustand (SoH – State of Health), den Ladezustand (SoC – State of Charge) und die Gesamtqualität.
Zyklustests
Bei Zyklustests werden Lade- und Entladezyklen simuliert, um die langfristige Leistung und Haltbarkeit von Batterien zu bewerten. Bei der Zyklusprüfung wird die Batterie einem vordefinierten Muster von Lade- und Entladezyklen unterworfen. Das Muster kann je nach der vorgesehenen Anwendung und den Spezifikationen des Herstellers variieren. Während der Zyklustests werden mehrere Parameter überwacht. Dazu zählen Spannung, Strom, Temperatur, Kapazität und Innenwiderstand.
Zyklustests dienen primär dazu, die Lebensdauer einer Batterie zu bestimmen. Dabei wird die Anzahl der Lade- und Entladezyklen ermittelt, die eine Batterie durchlaufen kann, ohne dass sich weder die Leistung noch die Kapazität reduziert. Die Lebensdauer einer Batterie kann je nach chemischer Zusammensetzung, Konstruktion und Entladetiefe bei den einzelnen Zyklen variieren. Dies kann Aufschluss darüber geben, wie und wann eine Batterie ausfällt. Mögliche Fehler sind eine verringerte Kapazität, ein erhöhter Innenwiderstand oder Sicherheitsprobleme wie thermisches Durchgehen. Das Erkennen von Fehlern ist der effektivste Weg, um Batteriedesigns zu verbessern und potenzielle Probleme frühzeitig im Herstellungsprozess zu identifizieren. Die Daten werden außerdem verwendet, um die Gewährleistungsbedingungen festzulegen und Kunden die langfristige Zuverlässigkeit von Batterien zuzusichern.
Tests auf Komponentenebene
Die Feinheiten der Tests von Batteriezellen, Modulen, Batteriepacks und BMUs zu verstehen, ist entscheidend, um Produktqualität, Leistung und Sicherheit zu gewährleisten. Automatisierte Testausstattung, Klimakammern und hochmoderne Systeme zur Datenerfassung sind ein wesentlicher Bestandteil dieses Prozesses. Sie sorgen für die Präzision und Wiederholbarkeit, die erforderlich sind, um die strengen Qualitätsstandards in der Batteriefertigung zu erfüllen.
Tests auf Zellenebene
Tests von Batteriezellen konzentrieren sich auf einzelne Zellen, bevor diese in größere Module oder Packs integriert werden. Diese frühzeitigen Tests helfen, defekte oder minderwertige Zellen zu identifizieren.
Tests von Zellen umfassen in der Regel folgende Parameter:
- Spannung – Messung unter verschiedenen Lastbedingungen
- Kapazität – Bestimmung der Energiespeicherfähigkeit
- Interner Widerstand – Indikator für Zustand und Leistung der Zelle
- Lebensdauer in Zyklen – Schätzung der Anzahl der Lade- und Entladezyklen, die die Zelle durchlaufen kann
Tests auf Modulebene
Bei Tests von Batteriemodulen werden die Leistung und die Sicherheit einer Gruppe von Zellen geprüft, die zu einem Modul zusammengefügt wurden. Dazu gehören Tests wie thermische Profilierung, elektrische Charakterisierung und Schlag-/Stoßprüfungen.
Zu den Schlüsselparametern bei Modultests zählen:
- Balancing – Sicherstellen der einheitlichen Ladung/Entladung von Zellen
- Thermomanagement – Überwachen und Kontrollieren der Temperatur im Modul
- Sicherheitsmechanismen – Testen der Sicherheitsfunktionen wie thermische Abschaltung
Tests auf Batteriepackebene
Bei Tests von Batteriepacks werden die Gesamtleistung und die Sicherheit eines kompletten Batteriesystems bewertet. Um den realen Einsatz zu simulieren, werden die Batteriepacks häufig strengen Bedingungen ausgesetzt.
Zu den Testszenarios für Batteriepacks zählen:
- Umgebungstests – Bewertung der Leistung bei extremen Bedingungen in Bezug auf Temperaturen, Feuchtigkeit und Höhenlage
- Missbrauchstests – Simulation von physischen Schäden, Überladung und Kurzschlüssen
- Lebenszyklustests – Bewertung der langfristigen Haltbarkeit und Zuverlässigkeit unter Betriebsbedingungen
Zu den Szenarien zum Testen von Batteriepacks in der Fertigung zählen:
- Lade-/Entladezyklen oder Mikrozyklen
- Sicherheitskomponenten – Beispiele sind Sperren, Abschaltsignale usw.
- Isolationswiderstand und Spannungsfestigkeit
- Thermisches Profil
- OCV und SoC
BMU-Tests
BMUs spielen eine zentrale Rolle bei der Überwachung und der Verwaltung des ordnungsgemäßen Zustands und der Sicherheit von Batteriepacks. Über BMU-Tests wird sichergestellt, dass die BMUs genau und zuverlässig funktionieren.
Die folgenden Funktions- und Belastungstests stellen sicher, dass die BMUs wie vorgesehen funktionieren, d. h., dass sie den Batteriepack präzise überwachen und schützen und die Sicherheit und Zuverlässigkeit des gesamten Batteriesystems bewahren:
- Einschätzung von Ladezustand (SoC – State-of-Charge) und Gesundheitszustand (SoH – and State-of-Health) – Verifizieren, dass die BMU den SoC und den SoH des Batteriepacks unter verschiedenen Betriebsbedingungen präzise einschätzt.
- Zellen-Balancing – Sicherstellen, dass die BMU die Zellen innerhalb des Batteriepacks aktiv ausbalanciert. Dadurch wird vermieden, dass einzelne Zellen zu stark geladen oder entladen werden.
- Spannungsüberwachung – Sicherstellen, dass die BMU die Spannung jeder Zelle innerhalb des Batteriepacks präzise misst und überwacht.
- Strommessung – Verifizieren, dass die BMU den Strom genau misst, der beim Laden und Entladen in das Batteriepack bzw. aus dem Batteriepack fließt
- Temperaturüberwachung – Sicherstellen, dass die BMU Temperaturschwankungen innerhalb des Batteriepacks überwachen und darauf reagieren kann, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten.
- Schutz vor Überladung und zu starker Entladung – Sicherstellen, dass die BMU Sicherheitsmechanismen aktiviert, um ein zu starkes Laden bzw. Entladen zu vermeiden. Dies kann ansonsten zu Schäden an den Batteriezellen führen.
- Isolationswiderstand und Spannungsfestigkeit
- Fehlererkennung und -Reporting – Sicherstellen, dass die BMU Fehler wie Kurzschlüsse und Überhitzung erkennen und diese Probleme berichten kann, damit entsprechende Maßnahmen ergriffen werden können
- Kommunikationsschnittstelle – Verifizieren, dass die BMU mit externen Systemen kommunizieren kann (z. B. Fahrzeugcontroller oder Ladeinfrastrukturen, unter Verwendung von standardmäßigen Kommunikationsprotokollen wie CAN (Controller Area Network) oder anderen).
- Zellenauthentifizierung – Sicherstellen, dass die BMU die Echtheit und Integrität der Batteriezellen verifizieren kann, um Fälschungen und Ersatz durch unsichere Bauteile zu verhindern.
- Belastungstests – Dazu gehören Überladung, zu starke Entladung, thermische Belastung, Vibration und Stöße, EMI/EMV (elektromagnetische Interferenz, elektromagnetische Verträglichkeit), Ladetests und Umwelttests.
Ausschöpfen des Potenzials der Ausstattung für Batterietests
Es gibt 5 Erfolgsgeheimnisse für intelligente Investitionen in Testausstattung: Automatisierung, Modularität, Skalierbarkeit, Flexibilität und Standardisierung. Dies gilt insbesondere für die Entwicklung und Herstellung von Batterien. Da sich die Branche ständig fortentwickelt, unterliegen auch die Technologien einem ständigen Wandel. Investitionen in Geräte, die sich an das jeweilige Produkt anpassen lassen, reduzieren die Materialkosten und den Aufwand für die Bediener. Folgendes sollte berücksichtigt werden:
- Automatisierung – Vermeiden von Subjektivität und überflüssigen Benutzereingriffen und gleichzeitig Beschleunigen der Prozesse für hochpräzise Ergebnisse.
- Modularität – Wenn sich die Anforderungen ändern, müssen auch die Ausstattung und die Codierung angepasst werden. Bei der Arbeit in kleineren, veränderbaren Blöcken wird keine Zeit damit verschwendet, das Rad immer wieder neu zu erfinden.
- Skalierbarkeit – Ein skalierbares System ist in der Lage, den Bedarf des Kunden zum richtigen Zeitpunkt zu decken, unabhängig davon, ob die Nachfrage nach dem Produkt steigt oder sinkt.
- Flexibilität – Hand in Hand mit Modularität und Skalierbarkeit ist es die Flexibilität des Testdesigns, die intelligente und kosteneffektive Änderungen ermöglicht.
- Standardisierung – Durch die Nutzung einheitlicher Testgeräte an allen Standorten und in allen Abteilungen des Unternehmens sprechen alle Mitarbeiter dieselbe Sprache. Von Forschung und Entwicklung bis hin zur Reparatur werden einheitliche Ergebnisse erzielt und Schulungs- und Einarbeitungszeit werden erheblich verkürzt.
Ein bewährtes Verfahren für Batterietests besteht darin, eine branchenweit etablierte gemeinsame Plattform wie Batterie Inspektor™ zu verwenden.
Angesichts einer breiten Palette an Testparametern stellt der Batterie Inspektor™ in jeder Phase der Fertigung höchste Qualität bei Zellen, Modulen, BMUs und Batteriepacks sicher. Das intelligente, modulare und skalierbare Design des Frameworks ermöglicht es, aus einer Hand die Lösung zu entwickeln, die am besten zu den Fertigungsanforderungen passt und parallel zu den steigenden Anforderungen wächst. Der Batterie Inspektor verbessert die Produktleistung durch flexible Automatisierung, nachhaltiges Retrofitting und smartes Datenmanagement.
Im Gegensatz zur kompletten Neuentwicklung reduziert eine bestehende Plattform schnell die einmaligen technischen Kosten, die einen großen Teil des finanziellen Aufwands ausmachen können. Hinzu kommen der Komfort und die Sicherheit, die aus der Zuverlässigkeit einer bekannten Marke resultieren.
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