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E-Mobilität auf dem Prüfstand

Das Thema Elektromobilität hat volle Fahrt aufgenommen, davon ist Urs Gerspach, Geschäftsführer des Bereiches Mess- und Prüfsysteme beim Grazer Technologiekonzern AVL List GmbH, überzeugt. In diesem Geschäftsbereich werden jene Prüfstände entwickelt und hergestellt, auf denen viele Automobilhersteller ihre E-Autos von heute und morgen testen.

AVL hat bereits sehr früh, und zwar schon vor über 15 Jahren begonnen, neue Testsysteme für die Elektromobilität zu entwickeln. „Bereits damals war das Hybridfahrzeug Stand der Technik. Für diese Technologie wurden neue Testsysteme benötigt, um z.B. die Batterien, E-Motoren und Inverter am Prüfstand testen zu können“, erklärt Urs Gerspach. Der AVL-Geschäftsführer hat die globale Verantwortung für Messtechnikprodukte, Testsysteme, aber auch für die Installation und Inbetriebnahme der Prüfstände vor Ort bei den weltweiten Kunden.

Die Elektromobilität bringt viele neue Herausforderungen mit sich. Unter anderem gibt es derzeit keine einheitlichen Standards für die Batterien. Jeder Kunde hat seine eigenen Anforderungen an Kapazität und Leistung. Angefangen von der kleinsten Einheit, der Batteriezelle, bis hin zur Gesamtbatterie kommen unterschiedliche Testsysteme und Testprozeduren zum Einsatz. Ein Beispiel dafür sind Klimakammern, in denen die Batterien bei Temperaturen von minus 40 bis plus 80 Grad unter realen Fahrtestzyklen getestet werden können. Lade- und Entladezyklen unter extremen Temperaturen lassen die Batteriezellen schneller altern als bei normalen Temperaturen im Alltag, „Wir setzen die Batteriezellen extremen Bedingungen aus, um die Leistungsfähigkeit, aber auch die Sicherheit zu testen“, sagt Gerspach. Ein Testprogramm kann dabei mehrere Monate dauern.

Derzeit verwenden viele Automobilhersteller Lithium-Ionen-Batterien. Durch mechanische Beschädigungen der Zellen z.B. bei einem Unfall oder durch einen elektrischen Kurzschluss können Gase freigesetzt werden und die Batteriezellen können in Brand geraten. „Dazu haben wir Testsysteme entwickelt, die genau dieses Fehlverhalten simulieren und testen, aber in einem Brandfall auch effektiv löschen können. Neben dem Brandschutz sind allerdings sehr hohe Sicherheitsanforderungen zum Testen von Batterien notwendig, die wir einhalten müssen.“

In der Entwicklung der Elektromobilität herrscht aktuell eine extreme Dynamik. „Derzeit sind Fahrzeuge mit über 100 Kilowattstunden Speicherkapazität am Markt. Diese Kapazität wird sich in Zukunft aber deutlich steigern. Tesla setzt bis jetzt 400-Volt-Technik ein, Porsche 800 Volt und es gibt Hersteller, die bereits Elektroautos mit 1000-Volt-Technik entwickeln. Wir können unseren Kunden bereits Testsysteme bis 2000 Volt liefern. Solch hohe Spannungen sind heute für den Einsatz in stationären Batteriespeichern oder Lkws notwendig.“ Treiber für die Branche sei aber nach wie vor der elektrisch angetriebene Pkw. Die Batterien werden mittelfristig billiger werden, als sie es heute sind, so die Einschätzung von Gerspach. Darüber hinaus wird auch an neuen Materialien und Batteriebauformen geforscht wie der Feststoffbatterie, die die Brandgefahr deutlich senken wird.

Die wichtigsten Themen bei der Zunahme der Elektromobilität sind für den Geschäftsführer der Ausbau der Ladeinfrastruktur, die Erhöhung der derzeit verfügbaren Reichweite sowie eine Verkürzung der Ladezeiten. Um die Akzeptanz beim Endkunden zu steigern, wird es wichtig sein, umgehend Lösungen für diese technischen Herausforderungen anzubieten. Seitens der Fahrzeughersteller ist bereits ein Wettlauf im Gang, um Reichweiten von bis zu 1.000 Kilometern und Ladezeiten von deutlich unter 20 Minuten zu realisieren.

Ein wichtiges Tool in dieser rasanten Entwicklung ist der Einsatz von Simulationsumgebungen, die mittlerweile aus der Fahrzeugentwicklung nicht mehr wegzudenken sind. Auf den AVL-Prüfständen, in denen reale Hardware getestet wird, können wir in Kombination mit unserer AVL-Simulations­software die Realität sehr wirklichkeitsgetreu nachbilden. „Dabei steuern wir reale Hardwarekomponenten mit entsprechender Simulationssoftware an, um verschiedene Anforderungen zu testen“, schildert Gerspach.

Im Bereich der E-Mobilität wird der Fokus heute auch auf das Emulieren (d.h. hier wird ein Ergebnis nachgeahmt) gelegt. „Wenn zum Beispiel in einer frühen Entwicklungsphase der E-Motor noch nicht zur Verfügung steht, wird dieser durch unser Testsystem einfach per Software nachgeahmt (emuliert). Wir können damit bereits das Gesamtsystem Fahrzeug mit Batterie und Inverter, aber ohne E-Motor am Prüfstand testen. Mit unseren AVL-Testsystemen kann man natürlich auch die Batterie und im Endeffekt fast alle Komponenten eines E-Fahrzeugs emulieren bzw. nachahmen. Dies hilft Kosten und Zeit in der Entwicklung zu sparen, da unsere Kunden die Erprobung des E-Fahrzeuges nicht mehr auf der Straße durchführen, sondern auf den Prüfstand verlegen“.

Eine besondere Herausforderung stellt bei Simulationen die interne Zellchemie der Batterie dar. „Es gibt Kunden, die 10.000 Batteriezellen in einem Labor testen. Da wird die Prüftechnik schon sehr anspruchsvoll.“ Ziel ist es, die Daten für ein genaues simuliertes Modell der Batteriechemie zu sammeln. „Dafür braucht es sehr viel Gehirnschmalz und ein sehr gutes Verständnis der Zellchemie, aber auch hier machen wir sehr große Fortschritte mit unserer Simulationssoftware.“ Trotzdem können selbst die besten Simulationen nach Ansicht von Gerspach den realen Test nicht hundertprozentig ersetzen. „Das Testing wird nie verschwinden.“

Bei Nutzfahrzeugen wird es eher auf den Einsatz von Brennstoffzellen und damit auf Wasserstoff als Treibstoff hinauslaufen“, ist Gerspach überzeugt. „Auch dafür liefert AVL die Testsysteme.“ Die Entwicklung bei Batterien sei derzeit weiter als jene der Brennstoffzellen, aber es werde schnell aufgeholt.

Das Nachtanken wäre mit Wasserstoff deutlich einfacher zu lösen als mit Akkus. „Leider ist der Wirkungsgrad bei Brennstoffzellen nicht sehr hoch. Das spielt allerdings dann keine große Rolle mehr, wenn zur Wasserstofferzeugung grüne Überschussenergie verwendet wird.“ Auch bei der Brennstoffzellen-Technologie besteht noch großer Forschungsbedarf. „Wir reden da über ein hochkomplexes Aggregat, bei dem erhebliches Entwicklungspotenzial vorhanden ist. Die Hersteller beschäftigen sich jedenfalls mit der Materie – wir bauen gerade für verschiedene Fahrzeughersteller Brennstoffzellen-Prüfstände in aller Welt“.

Die Business Units im Geschäftsbereich von Herrn Gerspach beschäftigen sich nicht nur mit Elektromobilität. Eines der zahlreichen weiteren Geschäftsfelder sind Messsysteme für die zukünftige neue Abgasgesetzgebung, die strengere Grenzwerte für CO2- und Partikel-Emissionen festlegen wird. In relativ naher Zukunft werden in dieser neuen EU-Gesetzgebung Partikel mit einem Durchmesser von zehn Nanometern als Grenzwert festgelegt. „Wir bei AVL haben schon jetzt Messgeräte entwickelt, die so kleine Partikel detektieren können.“

Wichtig sei auch die möglichst genaue Messung des CO2-Ausstoßes von Verbrennungsmotoren. „Je präziser die Messung, umso besser ist das für die Hersteller“, so Gerspach. Dabei gehe es nicht nur um die Einhaltung von Umweltnormen, sondern auch um den Kraftstoffverbrauch. „Wir bieten In-Vehicle-Messsysteme an. Diese stellen fest, was tatsächlich aus dem Auspuff herauskommt – im realen Fahrbetrieb.“

Der Verbrennungsmotor wird uns noch eine Zeit lang begleiten: „Allerdings in zunehmendem Maße in Form eines Hybridantriebs.“ AVL baut deshalb bestehende Prüfstände bei den Herstellern um, damit Hybridfahrzeuge darauf getestet werden können. „Es gibt aber Kunden, die reine Elektro-Prüfstände anfordern. Manche unserer Kunden kommen zu uns mit der Anforderung, bestehende Verbrennungsmotoren-Prüffelder komplett auf Elektrifizierungs-Testsysteme umzurüsten.“

Nicht nur die Hersteller von Serienfahrzeugen zählen zu den Kunden der AVL, sondern auch fast alle Kunden aus dem Motorsportbereich. Dort wird unter anderem die gesamte Formel 1 mit AVL Prüfständen für die hochmodernen Rennmotoren ausgestattet. „Wir liefern gerade ein komplett neues Prüffeld an Red Bull Powertrains. Das Formel-1-Team will jetzt selbst Motoren entwickeln, nachdem der bisherige Partner Honda in diesem Bereich aussteigt. „Wir sind stolz darauf, wenn unsere Kunden uns versichern, dass AVL die weltbesten Rennsportprüfstände liefert, und die Formel 1 ist nun einmal die Königsklasse“, freut sich Gerspach.

 

Fotocredit: AVL, Toni Muhr

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