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Forschung

Elektroauto: Wie reagiert die Batterie bei einem Unfall?

TU Graz Elektrofahrzeug Reaktion Unfall
© Lunghammer/TU Graz
von , am
08.05.2017

Die Technische Universität Graz (Österreich) geht in einem Forschungsprojekt der Frage nach, wie Batterien von Elektrofahrzeugen bei einem Unfall reagieren.

Die in Elektrofahrzeugen verwendeten Lithium-basierte Traktionsbatterien werden momentan  meist abgekapselt in Batteriegehäusen in das Fahrzeug integriert, um sie damit vor allen denkbaren Belastungen und äußeren Einflüssen zu schützen.

"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 Technischen Universität (TU) Graz.

Sinz erforscht mit seinem Team und einigen beteiligten Firmen, seit April 2017 im Rahmen des Forschungsprojekt "SafeBattery" wie sich Batterien von Elektrofahrzeugen bei einem Unfall verhalten.

Alter, Temperatur, Ladehäufigkeit haben Einfluss auf die Batterie

Gegenwärtige Forschungen beschränkten sich zudem meist auf das Verhalten neuer Fahrzeugtraktionsbatterien, ohne beispielsweise den möglichen Einfluss von Vorbelastungen, etwa durch Alterung, zu berücksichtigen, meldet die TU Graz in einer Pressemitteilung. Genau hier setze das Team rund um Wolfgang Sinz an.

In dem vierjährigen FFG-geförderten Forschungsprojekt stehe das mechanische, elektrochemische und chemisch-thermodynamische Verhalten von Einzelzellen und Einzelmodulen auf Lithiumbasis unter Crashbelastungen im Zentrum. Dabei untersuchten 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.

Grenzen der Batteriezellen ausloten

Das "SafeBattery"-Team soll die Grenzen der Batterienzelle ausloten, um in weiterer Folge Parameter zu definieren, die dazu genutzt werden, dass diese Grenzen in der Praxis niemals überschritten werden. Dafür brauche es eine enge Zusammenarbeit nicht nur mit Industriepartnern von AVL über Steyr Motors bis Audi und Daimler, sondern besonders TU Graz-intern mit den 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.

Kritische Batteriezustände frühzeitig erkennen

In der institutseigenen Crashtesthalle habe das Team eigens entwickelte Prüfstände 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 sei 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 seien 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.

Auch künftige Batterie-Generationen kommen jetzt schon auf den Prüfstand

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.

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