EV/HEV-Batterien erfordern sorgfältige Dichtheitsprüfungen

Die Schnüffellecksucher

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Vorprüfung an den Gehäusen noch nicht befüllter prismatischer Zellen in einer Vakuumkammer: Hier wird ermittelt, mit welcher Leckrate Helium-Prüfgas aus den Zellen in das Vakuum austritt Bild: Inficon
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Mit Elektrofahrzeugen kommen auf Automobilhersteller und -zulieferer neue Herausforderungen in Sachen Qualitätssicherung zu. Die Anforderungen an die Dichtheit von Traktionsbatterien und ihrer Komponenten sind hoch. Entsprechend bedeutsam werden geeignete Dichtheitsprüfmethoden in der industriellen Fertigung.

Drei unterschiedliche Bauformen für Batteriezellen gibt es: Rundzellen (auch als Typ 18650 bekannt) und prismatische Zellen weisen beide ein stabiles Gehäuse auf, während die sogenannten Pouch-Zellen ein flexibles Gehäuse haben. Bei prismatischen Zellen können sogar Vorprüfungen vor der eigentlichen Versiegelung sinnvoll sein. Aber allen drei Bauformen ist gemeinsam, dass die mit Elektrolyt gefüllten Batteriezellen nach ihrer Versiegelung auf Dichtheit geprüft werden müssen, um das Eindringen von Luftfeuchtigkeit auszuschließen.

Die dafür erforderlichen Grenzleckraten liegen im Bereich von 10–5 bis 10–6 mbar∙l/s. Ältere Verfahren wie Wasserbad, Lecksuchspray oder Druckabfallmessung sind für diese Anforderungen ungeeignet. Sinnvoll ist hier eine integrale Prüfgasmethode: in einer Vakuumkammer mit Helium als Prüfgas. Diese Art der Qualitätssicherung lässt sich bequem realisieren, wenn der Elektrolytfüllung bereits eine kleine Menge Helium – etwa 5 % – zugegeben werden kann, weil dann jeder Prüfling das Prüfgas bereits enthält.

Viele Hersteller von Batteriezellen führen aber bereits an den Gehäusen der Zellen Dichtheitsprüfungen durch. Die festen Gehäuse von prismatischen und Rundzellen werden dazu evakuiert, um wieder mit 100 % Helium befüllt und versiegelt zu werden. Man platziert die Zelle in einer Vakuumprüfkammer, evakuiert die Kammer und misst dann, wie viel Helium in einem gegebenen Zeitraum aus der Zelle austritt. Anschließend an diese Ermittlung der Leckrate lässt sich das Helium aus der Zelle zurückgewinnen. Für diesen Gehäusetest arbeitet man meist mit einer Grenzleckrate von 10–5 mbar∙l/s. Es ist auch möglich, die Heliumkonzentration zu reduzieren – vorausgesetzt man mischt das Prüfgas entweder mit trockener Luft oder mit Stickstoff. Für Vortests an den beutelartigen Gehäusen von Pouchzellen fährt man meist mit einer Helium-Schnüffelspitze an den Siegelnähten der Zelle entlang.

Auch in den anschließenden Wertschöpfungsprozessen sind Dichtheitsprüfungen erforderlich: Sowohl Batteriemodule als auch -packs sind normalerweise mit mehreren Kühlkanälen versehen, die entweder mit einem Wasser-Glykol-Gemisch oder mit Kältemittel aus der Klimaanlage des Fahrzeugs versorgt werden. Im Regelfall wird auch die Leistungselektronik, die den Batteriebetrieb im Fahrzeug steuert, auf eine der beiden Weisen gekühlt. Die Dichtheit dieser Systeme ist kritisch, weil die Kühlung der Batterien langfristig gewährleistet sein muss und ein Austreten des Kühlmediums zu Kurzschlüssen führen könnte. Bei einer Kühlung mit einem Wasser-Glykol-Gemisch wird üblicherweise gegen eine Grenzleckrate von 10–3 mbar∙l/s geprüft, bei Kältemittelkreisläufen gegen eine Leckrate im Bereich von 10–5 mbar∙l/s. Schließlich gilt es noch, die Integrität des Batteriepack-Gehäuses gemäß Schutzklasse IP67 zu prüfen. Die entsprechende Wasserdichtheit ist nach einer Prüfung gegen ungefähr 10–3 mbar∙l/s gegeben.

Um den Kühlkreislauf von Batteriepacks zu prüfen, ist es nicht unbedingt nötig, Helium als Prüfgas zu verwenden. Oft ist eine Prüfung mit Formiergas, eine Mischung aus 95 % Stickstoff und 5 % Wasserstoff, wirtschaftlich sinnvoller. Als eigentliches Prüfgas dienen die im Gemisch enthaltenen 5 % Wasserstoff. Für die Dichtheitsprüfung der Kühlkreisläufe von Batteriepacks empfiehlt es sich, die Kreisläufe zunächst zu evakuieren und dann mit Formiergas zu befüllen. Anschließend lassen sich alle Schweißnähte und Lötstellen daraufhin überprüfen, ob dort Formiergas bzw. Wasserstoff austritt.

Die Schnüffelspitze des Wasserstoff-Lecksuchgeräts kann in der Vor- und Kleinserienproduktion manuell über die potenziellen Leckstellen geführt werden. In der Großserienfertigung empfiehlt sich dagegen ein automatisiertes Verfahren. Verwendet man ein Helium-Schnüffellecksuchgerät wie den Protec P3000(XL) von Inficon mit der Schnüffelspitze an einem Roboterarm, ist eine genaue und zuverlässige Lecksuche auch aus größerem Abstand möglich. Auch die Lage etwaiger Leckstellen für eine eventuelle Nacharbeit wird so exakt bestimmt. Wenn statt einer Kühlflüssigkeit aus Wasser und Glykol ein Kältemittel zum Einsatz kommt, können Leckstellen sogar direkt nachgewiesen und genau lokalisiert werden, ohne vorherige Evakuierung und Befüllung mit Formiergas. Denn es gibt Schnüffellecksuchgeräte, die einfach die gängigen Kältemittel als Prüfgas verwenden können: sei es R134a, R1234yf oder CO2.

Bei der Prüfung von Batteriegehäusen hängt das Verfahren nicht zuletzt davon ab, wie groß das Batteriepack ist. Für große Gehäuse ist eine Schnüffellecksuche die Methode der Wahl. Bei kleinen Stückzahlen kann dies manuell, mit Formiergas erfolgen. Bei der Serienfertigung größerer Gehäuse empfiehlt sich wiederum eine automatisierte Helium-Schnüffellecksuche mit dem Roboterarm. Ist das Prüfteil allerdings nur klein oder mittelgroß, kann ein Akkumulationstest eine sinnvolle Alternative sein. Während ein einzelner Schnüffeltest ungefähr 2 bis 5 min beansprucht, liegen die Taktzeiten beim Akkumulationstest bei nur 1 bis 2 min. ■


Die Autorin

Sandra Seitz

Market Manager

Automotive Leak Detection Tools

Inficon

www.inficon.com



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