E-Mobilität erhöht Probleme bei der Lecksuche

Das schnelle und unerwartete Wachstum der heutigen Produktion von Fahrzeugen mit alternativen Antriebssystemen stellt Automobilhersteller und ihre Fertigungspartner vor eine Vielzahl von Herausforderungen bei der Lecksuche, um die Fahrzeugqualität sicherzustellen.

Traktionsbatteriesysteme, die beispielsweise für batterieelektrische Fahrzeuge (BEVs) und Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge (PHEVs) hergestellt werden, müssen vor Wasser und Feuchtigkeit geschützt werden, die die Batterielebensdauer verkürzen oder Brände verursachen können. Auch für Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge (FCEVs) gelten besondere Lecktestanforderungen, insbesondere für Wasserstofftanks, Brennstoffzellen und die Batterien, die ihre Elektromotoren antreiben.

INFICON hat einen umfassenden 50-seitigen Leitfaden zur Dichtheitsprüfung von Elektro- und Brennstoffzellenfahrzeugen für Fertigungs- und Qualitätskontrollingenieure veröffentlicht. Der Leitfaden behandelt Lecksuchmethoden für eine Vielzahl von Anwendungen, darunter Batteriezellen, Batteriegehäuse, Elektromotoren, Motorkühlkreisläufe, Brennstoffzellen und Wasserstofftanks. Elektronische Komponenten, Steuermodule und ADAS-Sensoren werden ebenfalls behandelt.

Sicherheitsbedenken bei Elektrofahrzeugen wachsen mit den Verkaufszahlen

Nicht nur Pkw werden elektrisch fahren. Eine aktuelle Umfrage von McKinsey &Co. und dem Weltwirtschaftsforum sieht eine starke Verschiebung von Verbrennungsmotoren hin zu Elektroantrieben für Nutzfahrzeuge. Mit zunehmender EV-Produktion werden sich auch die Qualitätsbedenken vervielfachen.

Eine zuverlässige Dichtheitsprüfung ist während des gesamten Produktionsprozesses von entscheidender Bedeutung. EV-Batteriezellen, Batteriepakete, Batteriekühlkreisläufe, Elektromotoren und andere für EV-Anwendungen modifizierte Systeme erfordern alle Lecktests, um sowohl Qualität als auch Sicherheit zu gewährleisten. Die Dichtheitsprüfung stellt sicher, dass der Elektrolyt der Batteriezelle in jeder Phase der Batterieproduktion nicht ausläuft oder mit Wasser in Kontakt kommt. Es ist auch wichtig, die Unversehrtheit von Batteriemodulen und Batteriepaketgehäusen sicherzustellen. Wieso den? Batteriezellenelektrolyt ist leicht entzündlich und kann Fahrzeugbrände verursachen.

Schäden an Batteriezellen während des Transports zum Montagewerk eines OEM müssen ebenfalls berücksichtigt werden. Das „thermische Durchgehen“ einer einzelnen Batteriezelle kann dazu führen, dass der brennende Elektrolyt Temperaturen von bis zu 1.100 °C (2.012 °F) erreicht.

Lecktestmethoden für Batteriezellen

Autohersteller erwarten heute von einer Lithium-Ionen-Batterie eine Lebensdauer von bis zu 10 Jahren und mehr. Um eine längere Zelllebensdauer zu erreichen, müssen Leckraten für prismatische und zylindrische Batteriezellen in einem Bereich von 10-6 bis 10-8 mbar-l/s liegen. Pouch-Zellen müssen sowohl auf große oder sogenannte Groblecks als auch auf kleinste „kapillare“ Lecks getestet werden.

Neue Lecksuchsysteme auf Basis der Massenspektrometer-Technologie können jetzt auffangen Leckagen 1.000 Mal kleiner als bisher möglich. Ein INFICON ELT3000-Testgerät kann beispielsweise Lecks mit einem Durchmesser von nur wenigen Mikrometern identifizieren. Eine flexible Testkammer zur Vermeidung von Schäden an Pouch-Zellen wurde ebenfalls von INFICON entwickelt, um die Vakuumprüfung von Pouch-Zellen zu unterstützen.

Dichtheitsprüfung für Akkugehäuse

Gehäuse von Batteriepacks erfordern besondere Leckerkennungsanforderungen, da sie Batteriemodule und -zellen vor Wasser schützen. Je nach Standort müssen Gehäuse die Anforderungen der Schutzklasse IP67 oder IP69K erfüllen. Gehäuse für elektrische Komponenten wie Lithium-Ionen-Batterien, Leistungssteuereinheiten, Elektromotoren und Elektronikmodule sind oft nach IP67 ausgeführt. (Die Prüfung nach IP67 setzt voraus, dass eine Komponente nach 30-minütigem Eintauchen in Wasser in 1 m Tiefe voll funktionsfähig ist.)

Die schnellste und genaueste Methode zum Testen von Komponenten in der Produktionslinie ist die Prüfung auf Helium-Spürgas in einer Vakuumkammer. Eine weitere Möglichkeit, sowohl bestückte als auch unbestückte Gehäuse zu testen, ist ein Akkumulationstest, der längere Zykluszeiten erfordert.

Wenn ein Hersteller die Unversehrtheit von Dichtungen oder Siegeln an einem bereits zusammengebauten Batteriepaket testen möchte, ist eine Vakuumprüfung keine Option. Druckunterschiede bei dieser Art der Prüfung können Dichtungen beschädigen oder bereits installierte Kondensatoren zerstören. Alternativ wird für Batteriepacks und bestückte Gehäuse eine spurengasbasierte „Schnüffel“-Lecksuche empfohlen.

FCEVs und ihre Komponenten

Dichtheitsprüfungen für FCEVs mit Wasserstofftechnologie sind nicht nur für ihre Wasserstofftanks, sondern auch für die Brennstoffzellen und Batteriepakete, die ihre Elektromotoren mit Strom versorgen, unverzichtbar. FCEVs und BEVs teilen sich eine Reihe von Komponenten mit ähnlichen Leckerkennungsanforderungen. Beide werden von Elektromotoren angetrieben, die von Lithium-Ionen-Batterien gespeist werden, obwohl FCEV-Batterien viel kleiner sind und weniger Speicherkapazität haben.

FCEVs erzeugen jedoch ihre eigene elektrische Energie und ihre Brennstoffzellen-Stacks; Hoch- und Niedertemperaturkühlkreisläufe; und Wasserstofftanks, -leitungen und -rückführungssysteme müssen alle auf Dichtheit geprüft werden.

Sensoren und elektrische Antriebsmotoren

Ob es sich um ein BEV oder ein FCEV handelt, die Sensoren, Steuermodule und elektrischen Antriebsmotoren eines Fahrzeugs erfordern alle eine Art Dichtheitsprüfung. Wasser ist der Hauptfeind der elektrischen Komponenten jedes Fahrzeugs. Wasser- und Feuchtigkeitsdichtheit sind daher von entscheidender Bedeutung, insbesondere für autonome oder Advanced Driver Autonomous Systems (ADAS).

Fahrzeugsensoren werden oft mit weniger empfindlichen, stark temperaturabhängigen Druckabfalltests getestet. ADAS-Hersteller verfolgen jedoch eine Null-Fehler-Strategie, die 1.000-mal zuverlässiger ist als ein Six-Sigma-Ansatz, der 3,4 Fehler pro Million Fälle toleriert. Sensoren, die für Radar- und LiDAR-Technologien verwendet werden, müssen nicht nur wasserdicht, sondern auch gasdicht sein – vollständig gegen Feuchtigkeit abgedichtet.

Bearbeitet von Informationen, die von INFICON bereitgestellt wurden.

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