KEM Konstruktion Connected mobile Machines & Mobility (CMM) 2020

Bild: Zwick Roell
Um auch Wasserstoff als Energieträger
verwenden zu können, ist eine
möglichst hohe spezifische Energiedichte
im Speicher- und Verteilungssystem
unabdingbar. Diese
wird durch die Kompression von
gasförmigem Wasserstoff erreicht
Zwick Roell bietet mit dem Nanoindenter ZHN eine effiziente Lösung für
die Untersuchung der mechanischen Eigenschaften dünner Schichten an
Bild: Zwick Roell
seitigen Klebeband versehen. Die zugeschnittene Elektrode wird
zwischen den Platten eingelegt und anschließend durch eine definierte
Vorkraft mit Haftbändern fest verklebt. Um die Haftfestigkeit
zu ermitteln, erfolgt anschließend der Abzugversuch bis zum Abriss
der Beschichtung vom Stromsammler. Beim Zugversuch löst sich
die Elektrode impulsartig vom Substrat, was eine hohe zeitliche Auflösung
bedingt. Die Mess-, Steuer- und Regelelektronik Test Control
des Unternehmens bietet eine Messwerterfassungsrate von 2000
Hz und kann diese Kraftspitzen präzise erfassen und darstellen. Aus
den gemessenen Daten lassen sich wertvolle Informationen über
die mechanische Stabilität der Elektrodenbeschichtung, insbesondere
der Adhäsion zum Stromsammler gewinnen. So entsteht ein
schlüssiger Zusammenhang zwischen verwendeten Materialien,
Prozessparametern sowie elektrochemischen Vorgängen in der
Batterie und der resultierenden Qualität der Anbindung. Neben der
Haftfestigkeit zählen auch die Elastizitätskennwerte der Beschichtungen
zu den relevanten Größen. Die Untersuchung der mechanischen
Eigenschaften dünner Schichten war bislang aber zeitaufwendig
und kostenintensiv. Das Unternehmen bietet mit dem Nanoindenter
ZHN eine effiziente Lösung an. Die Prüfungen mit Kräften bis
2 N und Endringtiefen kleiner 0,2 μm folgen der Norm ISO 14557-1.
Bei der Nanoindentation zur Bestimmung der Eindringhärte nach
DIN 14577 wird meist eine Berkovich-Pyramide langsam und mit
konstanter Geschwindigkeit in die Oberfläche gedrückt. Beim Erreichen
der maximalen Prüfkraft wird diese bis zu 30 s konstant gehalten
und dann wieder auf Null reduziert. Das Resultat ist eine Eindringkurve
mit unterschiedlichem Belastungs- und Entlastungsverlauf.
Daraus lassen sich sowohl plastische als auch elastische Kenngrößen
wie Eindring- und Elastizitätsmodul bestimmen.
Tests an Batteriemodulen und -packs
Lithium-Ionen-Zellen, ob zylindrische, prismatische oder Pouch-
Zellen, sind in sogenannten Modulen zusammengefasst und elektrisch
verbunden. Aus mehreren verbundenen Modulen entsteht so
ein Batteriepack. Je kleiner die Module, umso flexibler können diese
im Fahrzeug angeordnet werden. Qualität und Anzahl der Module
bestimmen die Leistung und die verfügbare Energie der Batterie.
Dadurch ist es möglich eine Batterie auf Fahrzeugtyp und -größe anzupassen.
Im Strukturverbund des Batteriepacks müssen die empfindlichen
Zellen permanent konditioniert und geschützt werden.
Diese Aufgaben übernimmt das Batterie Management System, das
die Zellen elektrisch koppelt und regelt. Zusätzlich gibt es ein Thermomanagement,
das die Zellen im optimalen thermischen Zustand
hält und bei Bedarf kühlt oder heizt, um die optimale Betriebstemperatur
der Zellen zu sicheren. Der Strukturverbund übernimmt
auch den mechanischen Schutz der Zellen, so dass im Crashfall mechanische
Beeinflussung von außen wie etwa eindringende Metallteile,
Quetschen oder externes Feuer möglichst auf Null gesenkt
wird. Um dies zu gewährleisten ist es notwendig verschiedene mechanische
Prüfungen durchzuführen. Dazu gehören unter anderem
Quetsch-, Biege-, Eindring- und Torsionsprüfungen an kompletten
Packgehäusen Modulare mechanische Prüflastrahmen in unterschiedlichen
Ausführungen ermöglichen die Prüfung unterschiedlichster
Batteriepack-Größen als auch unterschiedlichster Prüfkräfte.
Ein typisches Prüfsystem für solche Prüfungen ist eine 600-kN-Prüfmaschine
von Zwick Roell mit einer zwei Meter breiten Aufspannplatte
zum Fixieren von Batteriepacks. Eine verschiebbare Krafteinleitungseinheit
ermöglicht die Druckprüfung an verschiedenen kritischen
Stellen des Batteriepacks.
Werkstoffverhalten unter einer
Hochdruck- Wasserstoffatmosphäre
Um auch Wasserstoff zukünftig als kommerziellen Energieträger
verwenden zu können, ist eine möglichst hohe spezifische Energiedichte
im Speicher- und Verteilungssystem unabdingbar. Diese wird
durch die Kompression von gasförmigem Wasserstoff erreicht.
Aktuell wird seitens der Automobilindustrie zunehmend die Hochdruckspeicherung
mit Drücken von 70 MPa (700 bar) favorisiert. In
Verdichtern und Verbindungsleitungen der Wasserstoffinfrastruktur
treten noch höhere Drücke auf. Die in diesem Bereich zum Einsatz
kommenden Werkstoffe sind neben den Belastungen durch Temperatur
und Druck gleichzeitig der Einwirkung von Wasserstoff ausgesetzt.
Um einen sicheren Betrieb der Komponenten zu gewährleisten,
müssen die Bauteile ausreichend dimensioniert und die dafür
erforderlichen Kenndaten ermittelt werden. Dazu wird eine servo -
hydraulische Prüfmaschine der Ulmer für Prüfkräfte bis 100 kN um
einen Wasserstoffdruckbehälter bis 100 MPa erweitert, der auch zusätzliche
Prüfungen in einem Temperaturbereich von -85 bis +150 °C
ermöglicht. Mit diesem Prüfsystem lassen sich quasistatische Zugversuche
sowie Ermüdungs- und Bruchmechanikversuche an primär
metallischen Werkstoffen durchführen. Als Medien können Wasserstoff
in verschiedenen Reinheitsgraden sowie Referenzmedien eingesetzt
werden. Zur Peripherie der Anlage gehört ein Druckkompressor
zur Aufbereitung des Wasserstoffs, ein ausgeklügeltes
Kühlsystem sowie eine Heizeinrichtung.
jg
www.zwickroell.com
Details zu den Prüflösungen von Zwick Roell für die
Automobilindustrie:
hier.pro/LvdVB
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