Hin und wieder brauchen auch Forscher frische Luft und Auslauf. Beim Team des Studiengangs Fahrzeugtechnik der FH Joanneum ist das Radfahren für diese Zwecke sehr beliebt, unter anderem auch auf Elektrobikes. „So ist die Idee für unser Forschungsprojekt entstanden“, sagt Dozent Martin Gossar. „Wir waren mit E-Bikes im Gelände unterwegs und haben uns die Frage gestellt, was die Belastungen des Fahrens abseits der Straße mit dem Akku macht.“
So einiges, wie sich bei genauerer Betrachtung herausstellte. Im Computertomografen wurde sichtbar, dass sich die Akku-Zellen innerhalb des Gehäuses aufgrund von Erschütterungen und Vibrationen zu verformen beginnen. Schäden, die von außen nicht sichtbar sind, aber über kurz oder lang die Leistungsfähigkeit des Akkus verringern – bis hin zu starken Schäden, die einen Brand während des Aufladens nach sich ziehen können. „Anders als E-Autos werden E-Bikes keinen regelmäßigen Inspektionen unterzogen. Niemand wartet oder kontrolliert die Akkus der Fahrräder, die auch keine eingebauten Überwachungssysteme haben wie ihre großen Brüder im Auto", sagt Gossar. Dieser Missstand wurde zum Ausgangspunkt für das Forschungsprojekt „VibraShock“.
„Wir erforschen, wie Stöße und Vibrationen bei verschiedenen Temperaturen die Alterung von Lithium-Ionen-Zellen und Hybrid-Superkondensatoren beeinflussen. Der Fokus liegt dabei auf Anwendungen im Off-Road-Segment“, sagt Projektleiter Bernhard Fuchs. Er unterrichtet ebenfalls am Studiengang für Fahrzeugtechnik, hat aber auch Kollegen aus der Luftfahrt und Elektronik ins Team geholt, die sich die selbe Forschungsfrage für die Akkus von Flugdrohnen stellen. Um die Alltagsbelastungen der Akkus in einer Laborumgebung simulieren zu können, setzen die Forscher einen sogenannten Schwingungsprüfstand ein: eine kraftvolle Rüttelplatte, die Vibrationen von bis zu 4000 Hertz erzeugen kann – also 4000 Mal in der Sekunde auf- und abschwingt.
Solche extremen Vibrationen kommen freilich nicht beim Alltagsradeln vor. „Wir bewegen uns da eher in einem Bereich von unter zehn Hertz. Aber der Schwingunsprüfstand hilft uns dabei, die Lastprofile, die wir mit unseren Rädern im Gelände aufgezeichnet haben, im Labor zu simulieren“, sagt Fuchs. Bis zu acht Stunden lang werden Test-Akkus auf dem „Shaker“, wie der Prüfstand im Fachjargon heißt, nach den Vorgaben der Forscher durchgerüttelt. Danach beginnt die eigentliche Feinarbeit: Mittels elektronischer Messmethoden stellt das Projektteam fest, welche Veränderungen die Erschütterungen und Vibrationen in den Lithium-Ionen-Zellen ausgelöst haben.
Bei diesen Messungen spielt auch die Temperatur des Akkus eine Rolle. „Wir haben bereits feststellen können, dass die Sonneneinstrahlung durch das schwarze Gehäuse der Akkus die Temperatur wesentlich erhöht. Im Winter steht das Rad bei Minusgraden in der Garage, im Sommer bei Plusgraden in der Sonne. Der Akku wird dabei extremen Temperaturzyklen ausgesetzt“, sagt Gossar. Um diese Temperaturschwankungen auch im Labor abzubilden, hat sich das Team einen besonderen Kniff ausgedacht: eine eigens konstruierte Klimakammer, die sich über den „Shaker“ samt Akku stülpen lässt. „Damit können wir den Versuchsaufbau bis minus zehn Grad Celsius abkühlen oder auf bis zu 100 Grad aufheizen, je nach Testszenario. Bei der Konstruktion der Klimakammer haben uns übrigens Studierende unterstützt“, sagt Fuchs.
Insgesamt zehn Mitglieder hat das Forschungsteam, gestartet wurde mit dem Projekt im Vorjahr. Vier Jahre insgesamt will man sich Zeit nehmen, um schlussendlich ein Diagnosesystem zu entwickeln, das direkt in Fahrrad-Akkus eingebaut werden kann und den Besitzer warnt, wenn die Batteriezellen beschädigt sind. „Das könnte eine App am Handy sein, die Alarm schlägt und dem Nutzer meldet, dass der Akku nicht mehr in Betrieb genommen werden sollte“, sagt Gossar, der sich vorstellen kann, das System bei Erfolg auch für elektrisch betriebene Werkzeuge wie Bohrer oder Schleifgeräte zu verwenden: „Gerade bei solchen Power-Tools entstehen die meisten Brände beim Laden.“
