Der Alltag im Prüflabor – von EMV bis Lithium-Ionen-Akkus

| Redakteur: Hendrik Härter

Geschichte eines Prüflabors: Die Aufgaben der Prüfingenieure sind in den letzten 25 Jahren nicht weniger geworden. Langeweile kommt im Labor jedenfalls nicht auf.
Geschichte eines Prüflabors: Die Aufgaben der Prüfingenieure sind in den letzten 25 Jahren nicht weniger geworden. Langeweile kommt im Labor jedenfalls nicht auf. (Bild: Phoenix Testlab)

Phoenix Testlab muss als Prüflabor beim Prüflingstest auf alle Eventualitäten gerüstet sein. Sei es bei der Elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) oder dem Test von Lithium-Ionen-Akkus für die Elektromobilität. Klar ist auch, ein Prüfingenieur kennt keine Langeweile.

Wer heute Industrieprodukte entwickelt und verkaufen will, der muss sie ausgiebig testen und nachweisen, dass alle erforderlichen Grenzwerte eingehalten werden. Die Länder der Zielmärkte oder die OEMs verlangen dann oftmals einen unabhängigen Prüfbericht – sonst ist der Verkauf der Produkte nicht möglich. An dieser Stelle kommen dann die unabhängigen Testlabore ins Spiel. Geprüft werden viele physikalischen Größen: EMV-Phänomene, Funk sowie Umwelteinflüsse wie Vibration, Klima und Temperatur. Dass es dabei niemals langweilig wird, zeigen beispielsweise die aktuell immer wichtiger werdenden Lithium-Ionen-Akkus, die unter anderem für die Elektromobilität eingesetzt werden und ganz neue Anforderungen an die Labore und Ingenieure stellen. Über all die Jahre hat sich auch Phoenix Testlab in Blomberg sein Wissen und seine Prüflabore aufgebaut und stetig erweitert.

Doch zurück zu den Anfängen in den frühen 1990er Jahren: Phoenix Contact musste wie alle Hersteller von Industrieelektronik und Prozessautomation zu Beginn der 1990er Jahre seine Produkte auf die Elektromagnetische Verträglichkeit überprüfen. Allerdings war die Normensituation zu dieser Zeit, was Standards betraf, noch wenig bis kaum festgelegt. Das änderte sich erst nach und nach, gleichzeitig stieg der Aufwand für Messungen und Messgeräte enorm an.

Erstes Prüfobjekt: Eine Zapfsäule für eine Tankstelle

Das Unternehmen entschloss sich 1993 zum Bau eines eigenen Testzentrums für EMV-Prüfungen. Hier zeigte sich schon die Weitsicht der Entscheider: Die Prüfdienstleistungen des neuen Unternehmens sollten am freien Markt und somit auch für andere Hersteller verfügbar sein. Das war die Geburtsstunde der Phoenix EMV-Test als ein eigenständiges Unternehmen für EMV-Prüfungen. Zu Beginn waren es vier Mitarbeiter, die den Grundstein für den Erfolg des Testlabors legten. Heute arbeiten in Blomberg über 170 Mitarbeiter.

Einer der Gründerväter war Dr.-Ing. Holger Altmaier, ein studierter Nachrichtentechniker. Direkt nach seiner Promotion zum Thema „Störschutzfilter für EMV-Anwendungen“ stieg er bei Phoenix Contact als Entwicklungsleiter für Überspannungsschutz ein. Schließlich wurde er 1994 bei der damaligen Phoenix EMV-Test als Geschäftsführer bestellt. Noch im selben Jahr wurde das Unternehmen als EMV-Prüflabor nach dem damaligen Qualitätsstandard DIN EN 45001 von der heutigen Deutschen Akkreditierungsstelle akkreditiert. Der erste Prüfling war kein Phoenix Contact-Produkt, sondern: Eine Zapfsäule für Tankstellen. Damals konnte noch niemand ahnen, dass das Thema Mobilität das Unternehmen 25 Jahre später noch viel intensiver beschäftigen wird.

EMV-Prüfungen waren ein komplett neues Feld, weshalb die vier Mitarbeiter in dieser Zeit viel über das Prüfen und Testen lernen mussten. Die Vielzahl unterschiedlicher Prüflinge mit komplexen Eigenheiten, Gewichten und Maßen, Funktionen und vieles mehr machen noch heute den Reiz der Arbeit als Prüfingenieur aus. Damals war vieles noch nicht bekannt und auch nicht durch Normen geregelt – Prüfabläufe mussten in Pionierarbeit erarbeitet werden – oftmals in enger Zusammenarbeit mit den Kunden. Allein in den Jahren von 1994 bis 1996 wurden im Akkord über 16.000 Produkte getestet. Dazu stand unter anderem eine Absorber-Kammer zur Verfügung. In den ersten Jahren hat sich das Testlabor auf Industrie-Elektronikkunden fokussiert; sowohl überregional aber auch international. EMV-Laborleiter Dietmar Pelz erinnert sich: „Kunden wurden von Anfang an fest in den Testablauf mit einbezogen. Denn nur der Entwickler kennt sein Produkt am besten.“

Mit einem effektiven Vertrieb neue Kunden gewinnen

Im Jahr 1995 wurde Phoenix EMV-Test zudem als eine Zuständige Stelle für die EMV-Richtlinie 89/336/EG akkreditiert. Doch die EMV und ihre Auswirkungen sind nicht das einzige Problem für die Produktentwickler. Ebenfalls relevant sind die elektrische Sicherheit und die vielen verschiedenen Umweltgrößen, denen das Produkt im späteren Einsatz ausgeliefert sein wird: Vibrationen, Temperaturschwankungen und Korrosion. So hat das Testlabor im Jahr 1997 sein Angebot um genau diese Prüfungen erweitert. Und mit dem Erfolg kam auch der Wettbewerb.

Viel hat man investiert und viel über das Testen gelernt. Doch bereits das Jahr 1996 war für alle Beteiligten nicht einfach, es waren wirtschaftlich schwierige Zeiten. Ein effektiver Vertrieb musste her, um neue Kunden zu akquirieren. Ein neuer Vertriebsleiter stieß hinzu, der über viel technische Erfahrung verfügte. Einerseits um mit den Kunden auf einer Augenhöhe sprechen zu können und um andererseits auch die Bedürfnisse der Kunden in praktische Lösungen im Labor umsetzen zu können. Der Erfolg stellte sich schnell ein und Phoenix EMV-Test war wieder auf dem richtigen Weg – auf dem Weg zu wachsen.

Dem rasant gewachsenen Dienstleistungsspektrum wurde der Name Phoenix EMV-Test nicht mehr gerecht. Kurzerhand firmierte man sich daher 1998 in die bis heute bekannte Marke Phoenix Testlab um. Im Jahr 1998 erweiterte man auch das Angebot für die regulatorische Zulassung von funktechnischen Einrichtungen in Europa. Heute wickelt Phoenix Testlab für seine Kunden nahezu alle relevanten Prüfdienstleistungen interdisziplinär aus einer Hand an einem Standort ab.

Neubau 2004: Das Umweltsimulationslabor nimmt seinen Betrieb auf.
Neubau 2004: Das Umweltsimulationslabor nimmt seinen Betrieb auf. (Bild: Phoenix)

Automobilbauer lassen ihre Komponenten testen

Im Jahr 2000 eröffnete sich für Phoenix Testlab ein völlig neuer Markt: der Automobilbau. So prüften die Ingenieure erstmals Airbags auf ihre Funktion. Weitere Produkte sollten schnell folgen. Mit der Inbetriebnahme eines eigenen Prüflabors für Umweltsimulationen wurden hier die Weichen für die Zukunft gestellt: Der Umfang an Umweltsimulationsprüfungen vor allem für den Automotive-Sektor stieg rasant an. Entstanden ist ein integriertes Prüflabor, das ein sehr breites Spektrum unterschiedlichster Tests unter einem Dach durchführen kann.

Die erwähnten ersten Tests betrafen das komplette Lenkrad: neben dem Airbag auch die Schalter. Wieder hieß es, viel über die zu testenden Bauteile zu lernen. Beispielsweise ist ein reger Austausch mit den Herstellern der Schalter entstanden. Viele Komponenten mussten auch unter Funktion getestet werden – das bedeutete beispielsweise Schalter zu drücken, zu drehen oder zu kippen, während der Prüfling in der Klimakammer lag. Für diese Prüflingsansteuerung und Auswertung der Daten ist seither eine eigene Abteilung bei Phoenix Testlab verantwortlich: das Monitoring-&-Bench-Design. Individuell auf den Prüfling und die Prüfung zugeschnittene Steuer- und Analysesysteme liefern verlässliche Daten, ohne die Prüfung zu stören.

Im Jahr 2001 erfolgt die Anerkennung als Telecommunication Certification Body, TCB und CAB EMC für die USA.
Im Jahr 2001 erfolgt die Anerkennung als Telecommunication Certification Body, TCB und CAB EMC für die USA. (Bild: Phoenix)

Den nächsten bedeutenden Sprung machte Phoenix Testlab 2001 mit der Anerkennung als Telekommunikation Certification Body (TCB) und CAB EMC für die USA von der heutigen BNetzA. Nicht nur die Zahl der Tests ist angestiegen. Deshalb war es wieder an der Zeit zu wachsen: Die Geschäftsfläche wuchs jetzt um ganze 1700 m².

Lithium-Ionen-Akkus und ihr aufwendiger Test

Schließlich wurde das EMV-Labor im Jahr 2005 für Prüfungen von Fahrzeugkomponenten durch den damaligen Automobilhersteller Daimler-Chrysler anerkannt. Zu diesem Zeitpunkt sind bei Phoenix Testlab 55 Mitarbeiter und zwei Auszubildende beschäftigt. Im selben Jahr kam auch ein weiterer wichtiger Prüfling aus dem Automobilumfeld hinzu: die Lithium-Ionen-Batterie. Phoenix Testlab gelang es als eines der ersten Labore überhaupt, Lithium-Ionen-Starterbatterien einer Schwingprüfung zu unterziehen. Begonnen haben die Test damals in einem Container. Der Grund hierfür ist einfach: Batterien sind komplexe elektrochemische Systeme und bergen immer die Gefahr einer Havarie. Aus Sicherheitsgründen wurden daher diese Prüfungen in spezielle Container ausgelagert, die individuell an die technischen Anforderungen der Kunden angepasst wurden. Dieses Konzept hat sich bewährt und wurde daher auch 2011 beim Ausbau des Batterielabors weiterverfolgt.

Im Jahr 2005 wurde das EMV-Labor durch Daimler-Chrysler zum Testen von Fahrzeugkomponenten anerkannt.
Im Jahr 2005 wurde das EMV-Labor durch Daimler-Chrysler zum Testen von Fahrzeugkomponenten anerkannt. (Bild: Phoenix Testlab)

Die enormen Ausmaße und auch die Gewichte der zu testenden Lithium-Ionen-Systeme sind bemerkenswert. Die Testobjekte reichten vom handlichen Batteriemodul bis zum kompletten Batteriesystem. So kann eine Batterie schnell auf ein Gewicht von über einer Tonne kommen, wenn sie eine entsprechende Ladekapazität für Reichweite bieten soll.

Klimatische und dynamische Zyklen beim Batterietest

Ebenfalls bemerkenswert sind die klimatischen und dynamischen Zyklen. Hier gehört die Lebensdauerprüfung zum angebotenen Testportfolio. Das Herz eines solchen Batterietestlabors ist der zentrale Regelraum. Hier laufen alle test- und sicherheitsrelevanten Daten über den CAN-Bus zusammen. Sicherheit hat beim Batterietest oberste Priorität. So sind die Container mehrfach mit Gas-Sensoren ausgerüstet. Das Ergebnis war das seinerzeit modernste Batterieprüflabor für Großbatterien für die Elektromobilität, das bis heute Maßstäbe in der Branche setzt.

Getestet werden nicht nur die OEMs oder ihre Tochterunternehmen für Batterietechnik. Hinzu kommen auch die etablierten Systemlieferanten, die auf dem Markt aktiv sind. Außerdem bekommt Phoenix Testlab auch Anfragen von kleinen Start-up-Unternehmen, die ihre Batterie-Neuentwicklungen testen müssen. Dabei sind die Batterien in ganz unterschiedlichen Entwicklungsphasen: von den ersten Entwürfen über die A-, B- und C-Muster bis kurz vor dem SOP. Also von Beginn der Entwicklung bis wenige Wochen vor der endgültigen Produktabnahme. Geändert haben sich auch die Leistungen der Batterieprüflinge: Lagen die Spannungen in den Anfangsjahren 2011 noch bei unter 400 V, so sind die aktuellen Prüfstände inzwischen für Spannungen bis 1 kV und einen Strom von 1800 A ausgelegt.

Im Jahr 2011 entsteht ein neues Labor zum Testen von Lithium-Ionen-Batterien und -Modulen.
Im Jahr 2011 entsteht ein neues Labor zum Testen von Lithium-Ionen-Batterien und -Modulen. (Bild: Phoenix)

So ein Batterietest ist aufwendig: Dazu gehört eine moderne Salz- und Staubprüfkammer, die in Eigenregie aufgebaut wurde. Ebenso ist ein Tauchbecken für Batterien mit einer Tauchtiefe von einem Meter entstanden sowie ein automatisierter Temperaturschock-Tester. Hinzugekommen ist ein Neubau mit einer Vibrationsanlage für Großteile von bis zu zwei Tonnen, worauf auch Batterien getestet werden können. Hier sind dann auch Temperatur- und Klimakammern zu finden. Doch was passiert, wenn die Lithium-Zelle brennt? Über diese Frage tauschten sich die Prüfingenieure von Testlab und das Netzwerk Feuerwehr schon in den ersten Planungen intensiv aus. Erfahrungswerte gab es noch keine und so hieß es wieder, gemeinsam zu lernen.

Wie wird ein brennender Lithium-Akku gelöscht?

Obwohl Phoenix Testlab keine sogenannten Abuse-Tests (bei diesem Test wird der Prüfling gezielt zerstört wie durch das Einschlagen eines Nagels) durchführt, bleibt auch bei herkömmlichen Stresstests immer ein Restrisiko für eine Havarie. Als schließlich eine Batteriezelle brannte und die örtliche Feuerwehr von Blomberg zum Löschen beordert wurde, stellte sich die Frage, ob durch den Einsatz von Wasser zwar das Gebäude gerettet, aber der Prüfstand zerstört werden würde. Gerettet wurde schließlich sowohl der Prüfstand als auch das Gebäude selbst. Es hatte sich herausgestellt, dass zum Löschen einer Lithium-Zelle ein sehr feiner Wassernebel am effektivsten ist. Durch die große Oberfläche wird die Zelle sehr stark gekühlt. Heute werden brennende Zellen und Batterien in ein salzhaltiges Wasserbad getaucht. Das sogenannte Abklingbecken trägt seinen Namen nicht ohne Grund, denn das Prinzip ist ähnlich wie bei den Brennstäben in einem Atomkraftwerk.

Übung: Die örtliche Feuerwehr von Blomberg übt regelmäßig auf dem Gelände von Phoenix Testlab.
Übung: Die örtliche Feuerwehr von Blomberg übt regelmäßig auf dem Gelände von Phoenix Testlab. (Bild: Phoenix)

Regelmäßige Trainings zusammen mit der Feuerwehr sorgen dafür, dass bei einem Batteriebrand sofort die richtigen Maßnahmen ergriffen werden. Dank der intensiven Zusammenarbeit zwischen Prüflabor und Feuerwehr sind wertvolle Erkenntnisse bezüglich der Gefährlichkeit von Lithium-Ionen-Zellen und den daraus resultierenden Maßnahmen entstanden. Die Technologie der Zellen und Batterien hat sich außerdem in den letzten Jahren extrem verbessert, so dass Havarien beim Test äußerst selten geworden sind.

Die komplexen Lithium-Ionen-Batterien zu testen ist die eine Seite. Der Aufwand für Beratung und Betreuung entweder direkt beim Kunden oder in den Räumlichkeiten von Phoenix Testlab in Blomberg ist die andere. Dazu müssen die Mitarbeiter immer auf den aktuellen Stand von Forschung und Entwicklung bleiben. Aber ganz wichtig ist auch, dass die mentalen Eigenschaften der Mitarbeiter gefestigt sind. Sind sie doch dem Spannungsfeld Kunde und dessen hohen Erwartungen ausgeliefert. Die Maschinen und Anlagen sind komplex und die Menschen machen einen Großteil des Geschäfts von Phoenix Testlab aus. Viele Testaufbauten sind ganz individuell und auf den jeweiligen Kunden abgestimmt. Hier heißt es kreativ zu sein. Die Prüfvorrichtungen werden von den Mitarbeitern selbst gebaut.

Funkzulassungen und Tochtergesellschaft in Taiwan

Neben den wichtigen Batterieprüfungen hat man sich bei Phoenix Testlab auf die Funkzulassung spezialisiert. Mit der Zunahme von Embedded-Elektronik und den damit immer komplexeren Produkten zusammen mit den entsprechenden Funktionen muss hier ausgiebig getestet werden. Hinzu kommen immer wieder neue Normen und Richtlinien. Als Wachstumstreiber seien hier vor allem die Themen 5G, Industrie 4.0 und M2M-Kommunikation genannt.

Für die weltweit vertriebenen regulatorischen Zulassungen gründete Phoenix Testlab im Jahr 2015 eine Tochtergesellschaft in Taiwan: Die Phoenix Testlab Taiwan Ltd. mit Geschäftsführer Dr. Alan Lane. Darüber hinaus hat Phoenix Testlab ein eigenes Expertenteam, welches von Blomberg aus die weltweite Zulassung von Produkten für seine Kunden koordiniert. Das Gesamtpaket von der Prüfung bis hin zur weltweiten Zulassung kann somit an einem Standort durchgeführt werden.

Über eine schwindende Auftragslage können sich die Prüfer von Phoenix Testlab am Standort in Blomberg aktuell nicht beklagen: Seit gut fünf Jahren ist die Auslastungsquote der Prüflabore dank der großen Nachfrage aus der Wirtschaft auf einem hohen Niveau. Die Transformation hin zur Elektromobilität ist noch lange nicht abgeschlossen. Außerdem lässt sich noch nicht abzuschätzen, ob der Lithium-Ionen-Akku oder Wasserstoff als die dominante Antriebstechnik gewinnen wird. Eines ist jedoch bereits heute sicher: Der Peak bei der Elektromobilität wird von den Experten erst für das Jahr 2025 erwartet.

Wie wird das Labor der Zukunft aussehen? Auch dazu macht man sich bei Phoenix Testlab Gedanken. Das sogenannte digitale Prüflabor 4.0 entlastet den Mitarbeiter und der Kunde hat jederzeit Zugriff auf den aktuellen Fortschritt der Prüfungen sowie auf sämtliche Ergebnisse seines Prüflings. Dazu sind allerdings Investitionen in Software-Entwicklung unausweichlich. Ein Trend, den aktuell viele Unternehmen der High-Tech-Branche erleben. Informatiker geben einem Unternehmen wie Phoenix Testlab neue Möglichkeiten, mit seinen Kunden zu kommunizieren. Allerdings wirft das auch Fragen bei der Geheimhaltung und dem Prototypenschutz auf. Hier sind es gerade die Automobilhersteller, die auf eine ausgeklügelte IT-Sicherheit pochen. Die Daten müssen vom Prüfingenieur bis zum Kunden vollständig und jederzeit zur Verfügung stehen. Künftig wandern die Prüfergebnisse von der lokalen Datenbank in die gesicherte Cloud.

Phoenix Testlab sieht sich als Wegbereiter neuer Produkte

Schließlich sieht sich Phoenix Testlab selbst nicht als Prüflabor, sondern als ein Wegbereiter für ein neues Produkt. Beraterfunktionen sind nicht möglich, aber die Prüfingenieure können Hinweise auf die aktuelle Normenlage geben und den Kunden qualifizieren. Damit sind sie in der Lage, physikalische Phänomene zu erkennen und ihr Produkt einzuschätzen. Phoenix Testlab bietet daher schon seit Jahren ausführliche Weiterbildungsangebote an – von eher theoretischen Themen (Normenänderungen) bis hin zu praktischen Prüfungen in den eigenen Laboren. Eine Aufgabe also, die wohl noch lange für Arbeit bei Phoenix Testlab sorgen wird.

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