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Die Zuverlässigkeit der Energiespeichersysteme für Elektrofahrzeuge ist ein Hauptkriterium bei der Entwicklung von neuen Konzepten im Bereich der Elektromobilität. Die Gefährdung durch Lithium-Akkus im vergleichsweise kleinen Maßstab von Mobiltelefonen oder Laptops ist allgemein bekannt. Für die Akzeptanz der Speichermedien ist die Zuverlässigkeit ein entscheidender Maßstab. Vor allem die Langzeitstabilität bei mechanischer Belastung ist weitgehend unbekannt.

Zuverlässigkeit und Sicherheit von Lithium-Ionen-Akkumulatoren

Für die Untersuchung von Speichermedien im Feld der Elektromobilität entsteht am Fraunhofer LBF eine Testumgebung für die elektrische, mechanische und thermische Belastung von Akkus zur Verwendung in Elektrofahrzeugen (Abb. 1).

In ersten Versuchen an kommerziell erhältlichen Lithium-Ionen-Akkus konnte bereits gezeigt werden, dass mechanische Belastung auf einen kurzzeitigen Lade-Entladevorgang einer einzelnen Lithium-Ionen-Zelle keine Auswirkungen hat (Abb. 2). Die Akkuzelle wurde dabei mit ihrer maximalen Stromstärke entladen und anschließend aufgeladen. Dargestellt sind die Spannung und der Strom beim Entlade- und Ladevorgang sowie zu Beginn des Versuchs die kumulierte entladene Kapazität und im weiteren zeitlichen Verlauf des Graphen im Ladezyklus die vom Akku aufgenommene Kapazität. Zu sehen ist, dass bei einer gleichzeitig einwirkenden mechanischen Belastung in Form einer sinusförmigen Anregung in einem Frequenzbereich von 2 Hz bis 200 Hz, angelehnt an die Norm EN60721-3-3, keine signifikanten Änderungen im Entlade-Ladezyklus des Akkus stattfinden. Bei Raumtemperatur erwärmte sich der Akku in beiden Fällen im Entladevorgang auf ca. 30 - 35 °C.

Künftig sollen die Randbedingungen des Testverlaufs an die Fahrzustandsbedingungen im Fahrzeug angepasst werden, um die Systemzuverlässigkeitsprüfung von Energiespeichern zukünftiger Elektrofahrzeuge abzusichern. Dazu ist es notwendig, die Lastdaten an der Position des Energiespeichers zu kennen und die elektrischen Anforderungen des Auf- und Entladens der Akkumulatoren anzupassen. Darüber hinaus sollen die Akkuzellen im Verbund zu einem komplexen Akkupaket mit integrierter Elektronik einer kombinierten mechanischen, thermischen und elektrischen Belastung ausgesetzt und somit auf ihre Zuverlässigkeit untersucht werden.

Kundennutzen

Am Fraunhofer LBF entsteht ein Versuchsstand zur Systemzuverlässigkeitsuntersuchung von Lithiumbatterien für den Einsatz in Elektrofahrzeugen. Damit sollen gesamte Akkupacks aus dem Automobilbereich einer Lebensdauerprüfung mit den elektrischen, mechanischen und thermischen Randbedingungen aus dem Fahrzeugeinsatz unterzogen werden.

Für dieses Projekt wurden folgende Adaptronik-Bausteine verwendet:

Umweltsimulation