Wie wirken sich unterschiedliche, mitunter extreme Witterungsbedingungen auf die Leistung und Lebensdauer einer Batterie für E-Mobility aus? Heutige Klimasimulationskammern sollen Bauteile und Baugruppen einem Stresstest aussetzen, der in möglichst kurzer Zeit die Verschleißerscheinungen eines kompletten Lebenszyklus von zehn bis 20 Jahren abbilden muss. Denn in der Praxis wirken mechanische Kräfte, die Spannungen im Bauteil verursachen, sowie schwankende Klimabedingungen, die sich in Hitze, Frost und Feuchtigkeit äußern, ständig auf das Materialgefüge ein. Beispielsweise können anhaltende Vibrationen zu unerwünschten Schwingungen im beweglichen Teil eines elektromechanischen Relais führen, das den elektrischen Kontakt unterbricht.
Stöße wiederum führen zu mechanischen Beschädigungen oder Rissen in der Batteriezelle oder dem Gehäuse, die einen Kurzschluss auslösen können. Witterungseinflüsse hingegen können die Korrosion beschleunigen und die elektrische Isolierung reduzieren. Damit solche Verschleißerscheinungen nicht zu einem Ausfall von Bauteilen führen, sind vorab durchgeführte Simulationen unabdingbar. „Vibrationsprüfungen werden oft auf elektrodynamischen Schwingerregern (Shakersystemen) durchgeführt, um zusätzlich einen mechanischen Stress der Testeinheiten zu erzielen. Dabei sollen die Prüfkammern möglichst viele Situationen für unterschiedliche Bauteile nachstellen, ohne umgebaut oder erweitert werden zu müssen“, erklärt Michael Kreipl, Prokurist bei Andreas Schmid Anlagentechnik.
Für die meisten Unternehmen zählen aber schnelle und rentable Endergebnisse, sodass die Prüfräume möglichst flexibel und individuell angepasst sein müssen. Deshalb hat die Andreas Schmid Anlagentechnik für einen Anwender eine spezielle Testkammer inklusive Verfahreinheit entwickelt, die passgenau auf den Shaker beim Kunden konstruiert und gefertigt wurde. So erhält dieser eine Klimakammer, die auf verschiedene Bodenteile platziert werden kann, um Vibrations- und Klimasimulationen für unterschiedliche Baugruppen über dieselbe Anlage zu ermöglichen. Der Shaker versetzt das Bauteil dabei in verschiedene Bewegungsläufe auf der X-, Y- und Z-Achse. Dabei werden unterschiedlich starke Vibrationen erzeugt, die während einer Autofahrt beispielsweise beim Fahren über Kopfsteinpflaster auftreten würden. Ergänzend lassen sich in der Kammer Witterungsverhältnisse kalter und warmer Regionen nachstellen.
Spezielle Abdichtung
Ein ausgeklügeltes System aus hocheffizienten Heizelementen, Wärmetauschern und Kühlanlagen sorgt dafür, dass die gewünschten Klimaszenarien stufenweise und energieschonend simuliert werden – mit Temperaturen von -55 °C bis +130 °C (+/- 0,5 K) – relative Luftfeuchtigkeit von 10 Prozent bis 95 Prozent (+/- 3 Prozent r.F.). Unterschreiten die Prüfraumtemperaturen 10 °C, verhindert die eingebaute Türrahmenheizung die Bildung von Kondensat an der Türaußenseite sowie ein Festfrieren der Türdichtung. Das Erwärmen des Prüfraums erfolgt mit elektrischen Widerstandsheizungen, bei denen die einzelnen Heizkreise je nach Leistungsanforderung automatisch zugeschaltet und geregelt werden.
Somit wird die beste Energieeffizienz bei der jeweils gewünschten Leistungsabfrage erreicht. „Auf Kundenwunsch wurden an verschiedenen Positionen abgedichtete Durchführungen in den Wandelementen zum Prüfraum zum Beispiel für Messleitungen montiert, um Parameterabweichungen direkt am Prüfteil dokumentieren zu können“, ergänzt Kreipl.
Für die nötige Isolation des Prüfraums zur Umgebungsluft sorgen speziell angefertigte Wand-/ Boden- und Deckenelemente. Sie sind auf der Innen- und Außenseite der Prüfkammer dampfdicht verschweißt und vernietet. Die dauerhafte Abdichtung gewährleisten zudem eine Dampfsperre und ein optimierter Fugenkitt. Dieser Aufbau bildet mit dem Innen -und Außenblech die bestmögliche mechanische Festigkeit und eine perfekte Isolation für Wärme und Kälte, sodass die Klimasimulationen nicht durch Umgebungstemperaturen beeinflusst werden. Dies wirkt sich wiederum positiv auf die Energiebilanz der Anlage aus. Der rutschfeste Prüfraumboden ist mit einer Druckverteilerplatte ausgestattet, die eine bestmögliche Bodenbelastung gewährleistet.
Klimaprofile definierbar
Eine hohe Flexibilität bietet die Kammer in Bezug auf die Ansteuerung. Die Regelung der gesamten Anlage übernimmt ein PID-Programmregler. Somit wird eine sehr präzise Regelung der Temperatur und relativen Luftfeuchtigkeit im Prüfraum ermöglicht. Dabei können die gewünschten Temperatur- und Klimaprofile direkt via Touchpanel am Steuerschrank oder PC eingestellt, gespeichert und auch während des Betriebs abgeändert werden. „Optional lässt sich auch eine Handbedienung einrichten, die während des Automatikbetriebs eingreifen kann“, so Kreipl. Dabei setzt der Anlagenbauer auf eine Steuerungsvariante, die Schütze und Relais verwendet, da sich deren Komponenten leicht tauschen lassen.
Ergänzend sorgt eine übergeordnete Sicherheitstechnik für den fehlerfreien Betrieb, sodass dieser nicht abgebrochen und wiederholt werden muss. Zudem werden im Hintergrund Anlagenparameter wie Temperaturen oder Drücke der Kältemaschine erfasst und helfen als Grundlage bei Service- und/oder Reparaturen. Auch per Fernwartung können diese Anlagenparameter ausgelesen werden. Mit einer optional erhältlichen Prozessleitsoftware lassen sich diese archivieren und zu einem späteren Zeitpunkt abrufen und in einem Prüfbericht erfassen.
„Dieser kann dann zum Beispiel im Rahmen von Validierungen, zur Absicherung und Beweisführung oder für Wartungsarbeiten herangezogen werden. „Auch dieses Projekt hat uns gezeigt, wie wichtig eine smarte und auf die Prüfsituation angepasste Anlagenkonzeption ist. So erhalten wir hervorragende Prüfvorgänge in kürzester Zeit, können diese lokal durchführen und sparen Reisezeiten und -Kosten ein. Daher legen wir besonderen Wert darauf, auch kurzfristig Ergänzungen und Anpassungen vornehmen zu können“, ergänzt Kreipl abschließend.
