gesponsertQualitätssicherung in der Automobilindustrie Temperatursimulation sorgt für sichere Batterien

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JULABO GmbH

Ohne aufwändige Tests der Komponenten kommt kein Auto auf deutsche Straßen. Durch den Trend zur E-Mobilität werden Batterien und andere elektronische Bauteile immer wichtiger. Lesen Sie, wie die richtige Temperatur hier für optimale Komponenten sorgt.

Die Automobilindustrie befindet sich mitten im größten Umbruch ihrer Geschichte. Getrieben durch die Politik und Forderungen der Verbraucher nach klimafreundlicher Mobilität sucht man nach Alternativen zum Verbrennermotor. Doch Fahrzeuge mit Elektroantrieben besitzen andere Komponenten als herkömmliche Fahrzeuge und sind deswegen auch anderen Belastungen ausgesetzt. Auf die Qualitätssicherungs- und die Komponentenprüfungsabteilungen der Automobilhersteller kommen deswegen neue Herausforderungen zu.

Qualität und Sicherheit bei Automobilen

Qualitäts- und Sicherheitsprüfungen sind in der Automotive-Branche ein zentrales Element im gesamten Entwicklungs- und Produktionsprozess. Durch das enge Ineinandergreifen von Mechanik und Elektronik kann bereits das Versagen eines einzigen Schaltkreises das Aus für Motor oder Getriebe sein. Jeder Ausfall eines Bauteils kann dabei auch zum Sicherheitsrisiko werden. Eine präzise Temperatursimulation ist auf Prüfständen der Automotive-Industrie von immenser Bedeutung, da von der Steuerungselektronik über die Dichtung bis hin zu tragenden Elementen alle Fahrzeugkomponenten starken Temperaturschwankungen ausgesetzt sind, die Material und Schaltkreise zusätzlich zur Laufleistung beanspruchen. Dies gilt insbesondere auch für Neuentwicklungen im Bereich E-Mobilität. Alle Elektronikbauteile müssen einer exakten Prüfung unter Realbedingungen standhalten, die neben funktionsbedingten Belastungen auch eine Simulation von Umweltfaktoren einschließt.

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Gerade in Elektrofahrzeugen müssen medienführende Bauteile extremen Druckbelastungen bei variablen Temperaturen standhalten. Druckbehälter, Pumpen sowie Schlauch- und Rohrverbindungen müssen vorab dynamische und statistische Druck- und Temperaturprüfungen bestehen. Insbesondere in der E-Mobilität steigt darüber hinaus der Anspruch, das Gewicht der Motoren auf ein Minimum zu reduzieren. Daher werden zunehmend mehr Komponenten aus Kunststoffen gefertigt. Klebstoffe kommen dort zum Einsatz, wo früher geschweißt, gelötet oder geschraubt wurde. Auf dem Prüfstand müssen die Kunststoffe auch unter wechselnden Temperaturbedingungen von –40 bis 100 °C der mechanischen Belastung standhalten. Klebstoffe müssen im gesamten Temperaturfenster den nötigen Funktionsbereich zwischen Elastizität und Festigkeit beibehalten. Im Rahmen mechanischer Stresstests werden die Prüflinge daher zusätzlich unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt oder zuvor über einen definierten Zeitraum hinweg vortemperiert. Auf Prüfständen im Bereich Automotive kommen bei Material- und Komponententests hochdynamische Temperiersysteme zum Einsatz, die eine präzise Konditionierung sowie schnelle Temperaturwechsel ermöglichen. Nur ein exaktes Temperaturmanagement liefert zuverlässige und reproduzierbare Ergebnisse. Die Temperiersysteme versorgen den Prüfstand über flüssige Medien direkt oder indirekt mit konstanten Temperaturen oder in komplexen Temperaturprofilen. Neben der Medientemperatur erlauben die Temperiersysteme auch eine exakte Regelung von Durchfluss und Arbeitsdruck.

Auch bei der Entwicklung von Elektronikbauteilen und Batterien sind präzise Testverfahren von enormer Bedeutung. Durch das umfassende Zusammenspiel der hochtechnisierten Motoren mit der komplexen Steuerungselektronik können bereits leichte Abweichungen einer einzelnen Komponente vom Soll das gesamte System lahmlegen oder seine Leistung stark mindern. Aufgrund des starken Einflusses der Temperatur auf Leitfähigkeit, Materialeigenschaften und -ausdehnungen von Platinen und Verbundstoffen sowie die Leistung von Batterien, sind Umgebungssimulationen mit Temperiersystemen innerhalb von Prüfständen zwingend erforderlich.

Batterie als zentrale Komponente bei E-Autos

Das Unternehmen Averna Technologies Inc. ist Spezialist für kundenspezifische Automatisierung in der Prüf- und Messtechnik und beliefert u.a. Automobilzulieferer mit Automatisierungslösungen aus einer Hand. Die Komplettlösung „batterieinspektor“, die sich seit Jahren im 24/7-Betrieb bewährt, bietet ein batteriespezifisches, vielfältiges Spektrum an QS- und Safety-Funktionen. Der „batterieinspektor“ stellt sicher, dass leistungsstarke und sichere Batterien in zukunftsweisenden Smart Factorys hergestellt werden können. Für verschiedene Prüf- und Qualitätssicherungsfunktionen des Systems ist dabei eine präzise Temperierung von Flüssigkeiten entscheidend. So können beispielsweise bei Dauerlauftests möglichst reale Umgebungsbedingungen mit wechselnden Temperaturen simuliert werden.

Anforderungen an die Temperiertechnik

Die Averna-Kunden erwarten komplette Systemlösungen aus einer Hand. Mit dem „batterieinspektor“ lassen sich Batterien von E-Fahrzeugen unter realen Bedingungen auf ihre Qualität und Funktionalität prüfen. Für die umfassenden Prüfungen ist die Einstellung unterschiedlicher Temperaturen erforderlich. Averna, zu dieser Zeit noch ProNES, entschied sich angesichts des Funktionsumfangs für ein Temperiersystem von Julabo.

Als Temperiermedium wird ein Wasser-Glykol-Gemisch verwendet, welches in identischer Form im Kühlkreislauf der Fahrzeuge eingesetzt wird. Der Temperaturbereich bei den Prüfprozessen liegt standardmäßig in einem überschaubaren Bereich von 22,5 °C bis 45 °C. Darüber hinaus muss das Temperiersystem zu jeder Zeit genügend Leistung bereitstellen, um auch dynamische Temperaturschwankungen schnell und präzise ausgleichen zu können. Die Mindestanforderungen an das kompakte Temperiersystem sind 9 kW Heizleistung und 2 kW Kälteleistung sowie eine starke Pumpe, die den geforderten Druck von ca. 2 bar aufbringen kann.

Außerdem erfordert der Prüfstand passende Schnittstellen zum eingesetzten Temperiersystem von Julabo, um in die Prüfprozesse integrierbar zu sein. Zur Ansteuerung ist eine RS232- bzw. Ethernet-Schnittstelle für die Protokollierung gefordert.

Gleichzeitig erfordert das System ein separates, externes Reservoir als Puffer für das Temperiermedium. Dieser stellt bei optimaler Auslegung sicher, dass das Befüllen und Ausblasen der Prüflinge reibungslos erfolgt.

Lösungsansatz von Julabo

Der Prozessthermostat Presto A45t erfüllt die Basisanforderungen von Averna im Hinblick auf Leistungsdaten und Schnittstellen problemlos. Darüber hinaus modifizieren die Experten bei Julabo das Temperiersystem individuell für die Integration in den „batterieinspektor“.

Die Sonderlösung beinhaltet ein Spezialrack für den Presto A45t. In diesem ist das geforderte 60-Liter-Reservoir zum Befüllen und Ausblasen inkl. Niveauerfassung und den entsprechenden Anschlüssen positioniert. Außerdem sind Absperrventile zum zügigen Abkoppeln des Systems, ein Luftabscheider zur kontinuierlichen Entlüftung sowie ein manueller Bypass integriert. Durch den Bypass wird der Inhalt des Tanks konstant auf der Zieltemperatur gehalten, während die Prüflinge gewechselt werden. Somit entfallen unnötige Zeiten zum erneuten Aufheizen und Abkühlen. Dabei bildet das Spezialrack gemeinsam mit dem Presto A45t eine flexible und mobile Einheit.

Durch die optimale Integration des Prozessthermostats Presto A45t inklusive Spezialrack kann Averna seinen Kunden den vollautomatisierten „batterieinspektor“ aus einer Hand anbieten. Mittlerweile haben sich u. a. in den USA mehrere Prüfstände unter realen Bedingungen bei der Qualitätssicherung von Batterien bewährt.

Max Schultz, Projektleiter bei Averna, zieht ein positives Fazit aus der Zusammenarbeit mit Julabo: „Die Zusammenarbeit mit Julabo ist sehr professionell und zielführend. Wir sind froh, unsere Lösung mit diesem zuverlässigen Partner umsetzen zu können.“

Wichtigste Grundlage für die erfolgreiche Realisierung des Projekts war der offene, konstruktive Austausch in jeder Projektphase. So konnte Julabo in nur wenigen Monaten eine Sonderlösung entwickeln und bauen, die alle Anforderungen von Averna und deren Kunden erfüllt.

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