Lebensdaueruntersuchungen an der Chevy Volt-Batterie

Autoren: Julian Simpson und Sheelagh Kononenko
03 Aug 2010

Chevrolet beurteilt die Batterien von Elektrofahrzeugen mit Hilfe von Schwingungssimulation


Automobilindustrie | Fallstudie

Beschleunigte Lebensdauerprüfungen

Bild vergrößern

In der wettbewerbsgeprägten Automobilindustrie sind Hybridantriebe weltweit stark im Kommen. Diese Zukunftstechnologien erfordern Schwingprüfsysteme, mit denen sich beschleunigte Lebensdauerprüfungen an großen und voll funktionsfähigen Baugruppen effizient ausführen lassen.

Im 3000 m2 großen Batterieprüflabor von General Motors im Alternate Energy Center, Michigan, USA, werden Batteriezellen und -sätze für das Elektroauto Chevrolet Volt getestet. Dabei wird ein LDS Schwingprüfsystem für die Vorserienqualifikation von Elektrofahrzeugen und Funktionsprüfungen an einem kompletten T-förmigen Batterieblock verwendet, der auf der Unterseite des Autos montiert werden soll.

Der Chevrolet Volt mit eindrucksvoller Leistung

Bild vergrößern
Der T-förmige Batterieblock von GM kann bis zu 190 kg schwer sein

Der Chevrolet Volt ist ein Elektrofahrzeug, das von der Idee und Technologie her als Nachfolger des EV1 zu betrachten ist. Er verwendet ein Voltec-Antriebssystem mit verlängerter Reichweite und soll im November 2010 als 2011er-Modell auf den Markt kommen. Im Zentrum steht ein T-förmiger Batterieblock mit einem Gewicht von mehr als 190kg. Er ist wassergekühlt und besitzt eine Kapazität von ca. 400 Ampere bei 400 Volt. Die Batteriesätze werden im Labor unter extremen Bedingungen getestet (Hitze, Kälte, extreme Nässe und verschiedene Straßenzustände), um zu ermitteln, ob sie der Lebenserwartung des Autos entsprechen. Der Chevrolet Volt kann mit reinem Elektroantrieb 32 Meilen (51,5 km) fahren. Wenn die Batterie erschöpft ist, springt ein 1,4-Liter-Verbrennungsmotor als Generator ein und versorgt die Batterie mit Strom. Das verlängert die Reichweite mit Elektroantrieb bis auf 482 km.

Anthony (Tony) Cullen ist seit 20 Jahren bei GM tätig, hauptsächlich für die Milford Proving Ground Group. Seit dem Start des neuen Schwingprüflabors im zweiten Quartal des letzten Jahres, in dem die Batterie des GM-Volt getestet werden ist er mit an Bord. Heute ist er leitender Prüfingenieur für den Schwingungsbereich des Labors.

Tony Cullen erläutert: „Das Besondere an der Entwicklung des Volt ist der On-Board-Generator, der kinetische Energie zum Laden der Lithium-Ionen-Batterien nutzt. Mit einer vollen Aufladung kann ein Standard-Volt im Stadtverkehr 40 Meilen (64 km) fahren." Er fährt fort, „Wenn der Ladezustand der Batterie auf ein bestimmtes Niveau absinkt, wird der interne 1,4-Liter-Benzinmotor als Generator zugeschaltet. Dann versorgen Elektromotor und Generator das Fahrzeug mit Energie und das Ganze wird durch raffinierte Bordcomputersysteme automatisch gesteuert."

Das LDS Schwingprüfsystem

Bild vergrößern
Das LDS V8-640 System mit einem SPA-56K Verstärker. Prüfkapazität 55,6 kN mit rauschförmigen- und Sinussignalen, mit zwei Head Expandern und zwei Gleittischen in verschiedener Größe

Tony Cullen erläutert die Aufgaben seines Teams: „Die Hauptaufgabe des Schwingungslabors besteht darin, den Lebenszyklus der Batterie zu simulieren und damit ihre Haltbarkeit zu testen. Angestrebt wird eine Lebensdauer von zehn Jahren. Neben Schwingungstests werden auch zahlreiche andere Prüfungen ausgeführt, darunter zur thermischen und mechanischen Alterung. Die rauschförmige Schwingungsprüfung dauert 48 Stunden, das sind 48 Stunden Rauschen und Schockpulse als Eingangssignal. Die Eingangsdaten für den Shaker werden von einem Volt auf dem Testgelände von GM ermittelt. Die Batterie wird nacheinander jeweils 16 Stunden in Richtung der x-, y- und z-Achse getestet."

Die Schwingungsprüfungen erfolgen auch in einer Klimakammer, in der die Temperatur von – 30°C bis +78°C variieren kann. Alle 16-Stunden-Tests in den einzelnen Achsrichtungen werden unter streng kontrollierten Bedingungen für Temperatur und Feuchte ausgeführt.

GM forderte ein leistungsfähiges und vielseitiges System, das sich leicht an verschiedene Prüfanforderungen mit schwerer Nutzlast in verschiedenen Achsrichtungen anpassen lässt. Das LDS Schwingprüfsystem erfüllt perfekt die Forderungen an ein hochbelastbares System für beschleunigte Haltbarkeitsprüfungen zum Simulieren der Lebensdauer des Autos. Dies umfasst mehrere Tage lange Dauertests bei sehr hohen Schwingungspegeln und extremen Temperaturen.


"Mit dem LDS-System dauert es in der Regel weniger als zwei Stunden, die Orientierung des Gleittisches zu ändern"
Tony Cullen, Leitender Prüfingenieur, GM


Tony Cullen beschreibt das System folgendermaßen: „Zu den größten Vorteilen des Schwingprüfsystems gehört, dass es in der Regel weniger als zwei Stunden dauert, den Gleittisch aus der horizontalen in eine vertikale Position zu bringen. Die Ausrichtung ist ein kritischer Faktor. Die Prüfprofile in Richtung der horizontalen und senkrechten Achsen sind geringfügig verschieden." Der Head Expander und das Zubehör werden 15 cm von der Armatur entfernt mittels Luftkissen zwischen dem Führungsrahmen des Head Expanders und dem Basisgestell des Shakers angehoben. Anschließend muss der Prüfgegenstand verschoben, der Shaker gedreht und am Gleittisch befestigt werden. Bei normaler Vorgehensweise müsste man am Head Expander und Rahmen alle Bolzen entfernen, den Head Expander samt Führungseinrichtung vollständig abbauen und für die neue Konfiguration wieder aufbauen.

Die Zukunft

Bild vergrößern
Das Innere eines OPEL Ampera

Das Engagement von GM für die Hybridtechnologie erstreckt sich auch auf seine Tochtergesellschaft Opel und deren Produktion des Elektroautos Ampera in Europa. Der Ampera-Prototyp wurde in Michigan gebaut und seine Batterie im Alternate Energy Center getestet. Man hofft, den Ampera 2011 auf den europäischen Märkten anbieten zu können.

Darüber hinaus plant GM, als erster US-amerikanischer Autohersteller Elektromotoren zu konstruieren und herzustellen, und zwar in Form einer Schlüsseltechnologie für Hybrid- und Elektrofahrzeuge, die 2013 in Two-Mode-Hybriden (betrieben mit Verbrennungsmotor, Elektromotor oder einer Kombination aus beiden) zur Anwendung kommen wird.

In einer Pressemitteilung von 2010 erklärte GM, dass der Schritt zu Two-Mode-Hybridfahrzeugen „Kosten senken und die Leistung, Qualität, Zuverlässigkeit und Herstellbarkeit von Elektromotoren verbessern" wird.

Tom Stevens, Vizevorstandsvorsitzender bei GM und verantwortlich für globale Produktoperationen, ergänzte: „In Zukunft könnten Elektromotoren für GM dieselbe Bedeutung erlangen wie die heutigen Verbrennungsmotoren. Wenn wir Elektromotoren im eigenen Haus konstruieren und herstellen, können wir im Zuge dieser Entwicklung die Energie der Batterien effizienter nutzen und damit potenziell Kosten und Gewicht reduzieren – zwei wesentliche Herausforderungen für die heutigen Batterien."



Lesen Sie über Neuigkeiten aus Ihrer Branche...

  
Wir unterstützen unsere Kunden bei Schall- und Schwingungsmessungen und helfen ihnen so bei der Verbesserung ihrer Produkte und der Umwelt.

Copyright © Brüel & Kjaer. Alle Rechte vorbehalten. Impressum Datenschutz Rechtliche Hinweise