Donaldson® Filtration Solutions

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Von Jake Sanders, Product Development Manager, Donaldson Venting Solutions

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Mit der wachsenden Zahl an Elektro- und Hybridfahrzeugen gewinnen Lithium-Ionen-Batterien in der Automobilindustrie zunehmend an Bedeutung. Die wiederaufladbaren Batterien zeichnen sich durch eine hohe Energie pro Volumeneinheit aus und lassen sich für den Antrieb von Fahrzeugen effizient in Akkublöcken zusammenstellen. Im Gegensatz zu kleineren Lithium-Ionen-Batterien, wie sie in der Unterhaltungselektronik verwendet werden, benötigen Lithium-Ionen-Batterien für Fahrzeuge einen robusten Schutz gegen harte Umgebungsbedingungen, zusammen mit einer angemessenen Be- und Entlüftungslösung für Temperatur- und Druckschwankungen.

Die zweistufige Belüftung hat sich als effektiv erwiesen, um die Anforderungen von Fahrzeugbatterien zu erfüllen. In der ersten Stufe erfolgt der Druckausgleich, während gleichzeitig das Eindringen von Wasser und Verunreinigungen verhindert wird. In der zweiten Stufe wird das Belüftungselement bei einem schnellen Anstieg von Druck und Temperatur geöffnet, damit die sich ausdehnenden Gase entweichen können und Schäden an den übrigen Zellen vermieden werden. In den meisten Fällen kann eine einzige Belüftungsbaugruppe beide Funktionen erfüllen.

Abbildung 1: Das Akkupack eines Fahrzeugs kann Hunderte von Zellen enthalten.

Warum Be- und Entlüftung erforderlich ist

Bei Batteriegehäusen handelt es sich normalerweise um abgedichtete Metall- oder Kunststoffeinhausungen, die den Akku vor Staub, Abrieb und Feuchtigkeit, wie beispielsweise Regen, Schnee und Autowaschsprays, schützen sollen. Jedes dieser Elemente kann die Batteriezellen und elektronische Komponenten beschädigen, daher sorgt eine wirksame Einhausung dafür, dass diese potenziell schädlichen Materialien von der Batterie ferngehalten werden. Ein Akkupack für ein Elektrofahrzeug kann Hunderte von Zellen enthalten, die in verschiedenen Modulen untergebracht sind, siehe Abbildung 1.

Batteriegehäuse müssen jedoch nicht nur Verunreinigungen fernhalten, sondern auch Druckunterschiede zwischen dem Inneren des Gehäuses und der Umgebungsluft ausgleichen. Der Druckunterschied kann beim normalen Fahrzeugbetrieb aufgrund einer geänderten Umgebungstemperatur, der Wärmeentwicklung in Zellen und Änderungen des Umgebungsdrucks stark schwanken. So wie ein Fahrzeuginsasse bei der Durchquerung von bergigem Gelände einen Druck auf die Ohren verspürt, können Batteriegehäuse bei Höhenänderungen ähnlichen Druckschwankungen ausgesetzt sein.

Um das Brechen oder die Beschädigung des Schutzgehäuses zu verhindern, müssen Gehäuse be- und entlüftet werden, um den inneren und äußeren Druck auszugleichen und das Entweichen von Gasen zu ermöglichen, die bei einem schnellen Druckanstieg entstehen. Dies wird auch als „thermisches Durchgehen“ bezeichnet. Egal ob der Druckanstieg allmählich oder plötzlich erfolgt, er ist immer eine Belastung für Dichtungen und kann Undichtigkeiten und Explosionen nach sich ziehen.

Die konkreten Auswirkungen eines Druckausgleichs lassen sich besser verstehen, wenn man einen Blick in das Innere der Lithium-Ionen-Batterie eines Fahrzeugs wirft. Ein typisches Akkupack besteht normalerweise aus zwei miteinander verbundenen Teilen, an deren Verbindungsstelle sich eine Dichtung befindet. Ohne ausreichende Belüftung des Gehäuses können Undichtigkeiten auftreten, wenn das Gehäuse mehrfach kleinen Druckunterschieden ausgesetzt ist. Da die Hersteller von Elektrofahrzeugen manchmal eine achtjährige Gewährleistung geben, wird von den Batteriegehäusen eine ebenso lange Lebensdauer erwartet. Die richtige Druckausgleichslösung reduziert Anzahl und Schwere der Druckunterschiede, denen die Dichtungen ausgesetzt sind, und verlängert so die Lebensdauer der Dichtungen und Gehäuse.

Abbildung 2: PTFE-Membranen, links in Rollenform und rechts in 5000-facher Vergrößerung durch ein Rasterelektronenmikroskop (SEM), bieten Eindringschutz und sind gleichzeitig gasdurchlässig.

Belüftung Stufe 1

Bei der ersten Stufe der Belüftung, auch als passive Belüftung bezeichnet, wird normalerweise ein Belüftungselement aus expandiertem Polytetrafluoroethylen (PTFE) verwendet, das für einen Druckausgleich sorgt und gleichzeitig verhindert, dass Verunreinigungen in das Gehäuse gelangen können. Expandierte PTFE-Membranen, wie in Abbildung 2 gezeigt, sehen für das bloße Auge undurchlässig aus und bieten Eindringschutz gegen Wasser, Staub, Lösungsmittel und andere Verunreinigungen. In der Membran befinden sich jedoch Öffnungen, die kleiner als ein Mikrometer und für Gase durchlässig sind, sodass ein Druckausgleich ermöglicht wird.

In Abhängigkeit von der Art der erwarteten Verunreinigungen können Belüftungselemente auf verschiedene Schutzgrade ausgelegt werden, von Fremdkörpern bis hin zu Feuchtigkeit. Ein typisches Batteriegehäuse kann so konzipiert werden, dass es Schutz vor Staub, Eintauchen und Hochdruckwasserstrahlen bietet und Wasser bei Drücken von bis zu 690 Millibar zurückhalten kann.

Die Reduzierung der Druckunterschiede in der ersten Belüftungsstufe wird in Abbildung 3 verdeutlicht. Ein Batteriegehäuse, dass einem Temperaturanstieg von 50 °C innerhalb von 60 Minuten ausgesetzt ist, was in etwa dem Szenario entspricht, dass ein Fahrzeug an einem kalten Tag gestartet und anschließend mit hoher Geschwindigkeit gefahren wird, wäre ohne Entlüftung einem Druckunterschied von bis zu 180 Millibar ausgesetzt. Ein Gehäuse mit einem Druckausgleichselement mit 50 mm Durchmesser hätte nur einen Druckunterschied von weniger als 10 Millibar auszuhalten.

Abbildung 3: Belüftung der Stufe 1 (passiv) kann Druckunterschiede erheblich senken.
 

Belüftung Stufe 2

Während in der ersten Stufe allmählich entstehende Druckunterschiede ausgeglichen werden, ist die Reaktion auf einen schnellen Druckanstieg im Falle eines „thermischen Durchgehens“ eventuell nicht möglich. Die Belüftung der zweiten Stufe, auch als aktive Belüftung bezeichnet, ist auf solche Situationen ausgelegt: das Belüftungselement wird vollständig geöffnet, um sich schnell ausdehnende Gase auf kontrollierte Weise abzugeben und weitere Schäden an den restlichen Zellen sowie eine unkontrollierte Explosion des Gehäuses zu verhindern.

Die Belüftung der zweiten Stufe erfolgt häufig mittels mechanischer Funktionen, die in der PTFE-Membran integriert sind, um ein schnelles Entlüften von Gasen zu ermöglichen, wenn sich das Gas in einer solchen Geschwindigkeit ausdehnt, die von dem PTFE-Material nicht passiv ausgeglichen werden kann. Im Wesentlichen verhindert das Druckausgleichselement, dass im Gehäuse ein Druck überschritten wird, der bei einem „thermischen Durchgehen“, d. h. bei der rapiden Entstehung von Gasen und hohen Temperaturen, ein katastrophales Versagen auslösen würde.

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Abbildung 4 zeigt, wie durch eine Kombination aus passiver und aktiver Belüftung ein Gehäusebruch verhindert wird. Ein Gehäuse, das bei einem Druck von 1.500 Millibar auseinander brechen würde, könnte mit einem aktiven Belüftungselement ausgestattet werden, das sich bei 500 Millibar öffnet. Das kombinierte System würde die Druckdifferenz auf etwa 750 Millibar senken, weit unter der Differenz, bei der es zu einem Brechen des Gehäuses kommen würde. Ohne Lüftung würde das Gehäuse schnell auseinander brechen.

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Abbildung 4: Eine Belüftung der Stufe 2 (aktiv) kann in Verbindung mit passiver Belüftung ein Gehäuse vor einem Bruch bewahren.
 

Um ein Belüftungselement der Stufe 2 einzubauen, müssen Designer berücksichtigen, mit welcher Geschwindigkeit Gase freigesetzt werden und bei welchem Druck sich das Belüftungselement vollständig öffnen soll. Das Element muss so konstruiert sein, dass es den Druck unter dem Explosionsdruck hält. Dieser entspricht im Grunde dem Höchstdruck, den das Gehäuse aushalten kann, bevor es bricht.

Eine weitere Überlegung beim Design ist der Druck, bei dem es zu einer plastischen Verformung des Gehäuses kommen kann – eine irreversible Formänderung. Dadurch entsteht am Gehäuse ein nicht erstrebenswerter Schaden, der jedoch nicht unbedingt die Sicherheit beeinträchtigt. Bei Metallgehäusen kann eine plastische Verformung bereits bei Drücken auftreten, die weit unter dem Explosionsdruck liegen. Bei Kunststoffgehäusen tritt eine plastische Verformung erst bei einem Druck auf, der näher am Explosionsdruck liegt. Entsprechend sollten für die Konzeption des richtigen Belüftungssystems die unterschiedlichen Gehäusematerialien berücksichtigt werden.

Bei „thermischem Durchgehen“ muss die Batterie gewartet und/oder ausgetauscht werden. Der Schwerpunkt einer Belüftung der Stufe 2 liegt nicht auf einer langen Lebensdauer der Batterie, sondern auf Sicherheit. Gase müssen abgeführt werden, um die Wärmeentwicklung zu reduzieren und für eine allmähliche Diffusion schädlicher Chemikalien zu sorgen, damit eine mögliche Explosion aufgrund der Ansammlung hoher Konzentrationen und umherfliegender Partikel vermieden wird.

Zusammenfassung/Fazit

Angesichts der wichtigen Rolle, die Lithium-Ionen-Batterien als Hauptantrieb für Elektrofahrzeuge spielen, gewinnt eine gute Be- und Entlüftungslösung immer mehr an Bedeutung. Richtig konzipierte Be- und Entlüftungssysteme bieten Schutz vor Verunreinigungen und sorgen für den Druckausgleich unter normalen Betriebsbedingungen, wodurch eine längere Lebensdauer der Gehäuse und Batterien erzielt wird. In dem seltenen Fall, dass die Batterie in Brand gerät und der Schutz vor Feuchtigkeit und Schmutz zweitrangig wird, muss das Belüftungssystem auch in der Lage sein, für eine sofortige Druckentlastung zu sorgen, um eine mögliche Explosion und sonstige katastrophale Folgen zu vermeiden. Die Verwendung zweistufiger Belüftungssysteme ist der Schlüssel zur Erfüllung vieler verschiedener Belüftungsanforderungen in der Automobilindustrie.


Über den Autor

Jake Sanders ist Manager für Produktentwicklung für das Venting Solutions-Team der Donaldson Company. Sanders hat einen Bachelor in Maschinenbau von der University of Minnesota und einen MBA von der University of St Thomas. Seit zwölf Jahren ist er für Donaldson Venting Solutions im Bereich Automobil, mobile Elektronik, Medizin, Sensoren, Festplatten und Halbleiter-Filtration sowie Be- und Entlüftungslösungen tätig,

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