E-Mobilität treibt neue Leckdetektions-Herausforderungen für Fahrzeugsicherheit

Das heutige rasante und unerwartete Wachstum in der Produktion von Fahrzeugen mit alternativen Antriebssystemen stellt Autohersteller und ihre Fertigungspartner vor eine breite Palette an Leckdetektions-Herausforderungen, um Fahrzeugqualität zu sichern.

Traktionsbatteriesysteme für Batterie-Elektrofahrzeuge (BEV) und Plug-in-Hybride (PHEV) müssen beispielsweise vor Wasser und Feuchtigkeit geschützt werden, die Batterielebensdauer verkürzen oder Brände verursachen können. Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge (FCEV) haben ebenfalls einzigartige Lecktest-Anforderungen, besonders für Wasserstofftanks, Brennstoffzellen und die Batterien, die ihre Elektromotoren antreiben.

INFICON hat einen umfassenden 50-seitigen Leitfaden zum Lecktest von Elektro- und Brennstoffzellenfahrzeugen für Fertigungs- und Qualitätsingenieure veröffentlicht. Der Leitfaden behandelt Leckdetektionsmethoden für vielfältige Anwendungen: Batteriezellen, Batteriegehäuse, Elektromotoren, Motorkühlkreisläufe, Brennstoffzellen und Wasserstofftanks. Auch elektronische Komponenten, Steuergeräte und ADAS-Sensoren werden abgedeckt.

EV-Sicherheitsbedenken wachsen mit Verkäufen

Nicht nur Pkw werden elektrisch. Eine aktuelle Umfrage von McKinsey & Co. und dem Weltwirtschaftsforum sieht einen großen Shift von Verbrennungsmotoren zu elektrischen Antrieben bei Nutzfahrzeugen. Mit steigender EV-Produktion vervielfachen sich Qualitätsbedenken.

Zuverlässiger Lecktest ist kritisch durch den gesamten Produktionsprozess. EV-Batteriezellen, Batteriepacks, Batteriekühlkreisläufe, Elektromotoren und andere für EV-Anwendungen modifizierte Systeme erfordern Lecktests, um Qualität und Sicherheit zu gewährleisten. Lecktests stellen sicher, dass Batteriezellen-Elektrolyt nicht austritt oder während jeder Stufe der Batterieproduktion mit Wasser in Kontakt kommt. Auch die Integrität von Batteriemodulen und Batteriepack-Gehäusen muss sichergestellt werden. Warum? Batteriezellen-Elektrolyt ist hochentzündlich und kann Fahrzeugbrände verursachen.

Schäden an Batteriezellen während des Transports zum OEM-Montagewerk müssen ebenfalls berücksichtigt werden. Der „thermische Durchgang“ einer einzelnen Batteriezelle kann brennenden Elektrolyt auf Temperaturen bis 1.100 °C (2.012 °F) bringen.

Lecktestmethoden für Batteriezellen

Heute erwarten Autohersteller, dass eine Lithium-Ionen-Batterie eine Lebensdauer von bis zu 10 Jahren oder mehr hat. Um verlängerte Zellenlebensdauer zu erreichen, müssen Leckraten für prismatische und zylindrische Batteriezellen in einem Bereich von 10⁻⁶ bis 10⁻⁸ mbar·l/s liegen. Beutelzellen (Pouch Cells) müssen auf große oder sogenannte Groblecks sowie auf extrem kleine „kapillare“ Lecks getestet werden.

Neue Leckdetektionssysteme basierend auf Massenspektrometer-Technologie können nun Lecks 1.000-mal kleiner als bisher möglich erfassen. Ein INFICON ELT3000 Testgerät kann beispielsweise Lecks mit einem Durchmesser von nur wenigen Mikrometern identifizieren. Eine flexible Testkammer, die Schäden an Beutelzellen verhindert, wurde von INFICON entwickelt, um Vakuumtests an Beutelzellen zu unterstützen.

Lecktest für Batteriepack-Gehäuse

Batteriepack-Gehäuse erfordern spezifische Leckdetektionsanforderungen, da sie Batteriemodule und -zellen vor Wasser schützen. Je nach Position müssen Gehäuse IP67- oder IP69K-Schutzklassen erfüllen. Gehäuse für elektrische Komponenten wie Lithium-Ionen-Batterien, Leistungsteile, Elektromotoren und Elektronikmodule werden oft nach IP67 ausgelegt. (Test nach IP67 erfordert, dass ein Bauteil nach 30-minütigem Eintauchen in 1 m Wassertiefe voll funktionsfähig bleibt.)

Der schnellste und präziseste Weg, Komponenten am Band zu testen, ist Helium-Spurgas in einer Vakuumkammer zu prüfen. Eine Alternative für sowohl montierte als auch unmontierte Gehäuse ist ein Anreicherungstest, der längere Zykluszeiten erfordert.

Will ein Hersteller die Integrität von Dichtungen oder Dichtungen an einem bereits montierten Batteriepack testen, ist Vakuumtest keine Option. Druckunterschiede bei diesem Test könnten Dichtungen beschädigen oder bereits installierte Kondensatoren zerstören. Als Alternative wird spurengasbasiertes „Schnüffel“-Leckdetektionsverfahren für Batteriepacks und montierte Gehäuse empfohlen.

FCEVs und ihre Komponenten

Lecktests für FCEVs mit Wasserstofftechnologie sind unverzichtbar – nicht nur für ihre Wasserstofftanks, sondern auch für Brennstoffzellen und Batteriepacks, die ihre Elektromotoren mit Strom versorgen. FCEVs und BEVs teilen diverse Komponenten mit ähnlichen Leckdetektionsanforderungen. Beide werden von Elektromotoren angetrieben, die von Lithium-Ionen-Batterien gespeist werden, wobei FCEV-Batterien deutlich kleiner und mit weniger Speicherkapazität sind.

FCEVs erzeugen jedoch ihre eigene elektrische Energie und ihre Brennstoffzellenstapel; Hoch- und Tieftemperatur-Kühlkreisläufe; und Wasserstofftanks, Leitungen und Rezirkulationssysteme müssen alle leckgetestet werden.

Sensoren und Elektroantriebsmotoren

Ob BEV oder FCEV – Sensoren, Steuergeräte und Elektroantriebsmotoren eines Fahrzeugs erfordern alle irgendeine Form von Lecktest. Wasser ist der Hauptfeind aller Fahrzeugelektronik. Wasser- und Feuchtigkeitsdichtigkeit sind daher kritisch wichtig, besonders für autonome oder Advanced Driver Assistance Systems (ADAS).

Fahrzeugsensoren werden oft mit weniger empfindlichen, stark temperaturabhängigen Druckabfalltests geprüft. 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 für Radar- und LiDAR-Technologien müssen nicht nur wasserdicht, sondern auch gasdicht sein –完全 abgedichtet gegen Feuchtigkeit.

Redigiert nach Informationen von INFICON.

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