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Jul 11, 2023

Vorgeschlagene Standards und Methoden zur Dichtheitsprüfung von Lithium

Lithium-Ionen-Batteriesysteme sind aufgrund ihrer hohen Energiedichte und geringen Entladeraten eine Energiequelle für eine Vielzahl von Anwendungen in Elektrofahrzeugen. Akkupacks, egal ob aus prismatischem,

Lithium-Ionen-Batteriesysteme sind aufgrund ihrer hohen Energiedichte und geringen Entladeraten eine Energiequelle für eine Vielzahl von Anwendungen in Elektrofahrzeugen. Batteriepacks, unabhängig davon, ob sie aus prismatischen, zylindrischen oder Pouch-Zellen bestehen, werden durch gängige Wärmemanagementsysteme im Automobilbereich gekühlt.

Die schnelle Erkennung von Undichtigkeiten im Kühlsystem von Batteriepaketen während des Produktionsbetriebs ist für die Einhaltung notwendiger Sicherheits- und Lebensdaueranforderungen von entscheidender Bedeutung. Derzeit gibt es jedoch keine Industriestandards zur Messung der Leckraten sowohl für Kühlsysteme auf Glykol- als auch auf Kältemittelbasis.

In diesem Artikel wird erläutert, wie Leckagen in Wasser-Glykol-Kühlkreisläufen durch die Erkennung von austretendem Prüfgas als Indikator für Ethylenglykol-Leckagen zuverlässig und quantitativ erkannt werden können und wie die Prüfgas-Leckraten mit der Flüssigkeitsleckage der Kühlflüssigkeit korrelieren. Einflussgrößen wie Leckagekanaldurchmesser, Druckdifferenz und Viskosität werden berücksichtigt und Go/No-Go-Leckraten beschrieben.

In dieser Arbeit werden die Dichtheitsanforderungen betrachtet, die in einem Kühlmittelkreislauf erforderlich sind, der nicht mit reinem Wasser, sondern mit einem Gemisch aus Wasser und Glykol betrieben wird. Zwei typische Automobilanwendungen sind hier die Kühlung des Motorblocks bei einem Verbrennungsmotor und der Kühlkreislauf in einem Traktionsbatteriekasten zur Kühlung der Batteriezellen.

Die Anforderung an die Dichtheit des Kühlmittelkreislaufs im Motorblock wird als weniger kritisch definiert als die Anforderung an den Kühlkreislauf des Traktionsbatteriegehäuses. Im Anwendungsfall des zu kühlenden Motorblocks darf der Kühlmittelverlust vor einem eventuell erforderlichen Nachfüllen bestimmte Grenzwerte nicht überschreiten. Bei der Anwendung zur Kühlung eines Batteriegehäuses werden die Anforderungen wesentlich kritischer definiert. Dabei gilt es Schäden oder Kurzschlüsse an den Batteriezellen zu verhindern. Austretendes Kühlmittel aus dem Kühlkreislauf kann einen Batteriebrand verursachen.

Unabhängig von der in der jeweiligen Anwendung geforderten Dichtheit hinsichtlich des Flüssigkeitsverlustes muss eine Anforderung an die Dichtheit bei der Dichtheitsprüfung mit Prüfgas definiert werden. In dieser Arbeit wird der kleinste akzeptable Querschnitt oder Durchmesser eines Leckagekanals für das Kühlmittel Glykol abgeleitet und der Leckratenwert angegeben, der für die Testgas-Leckageprüfung zuzuordnen ist. Gegenüber den Anforderungen an IP67 sind im Anwendungsfall eines Kühlmittelkreislaufs drei wesentliche Unterschiede zu beachten.

Im Kühlmittelkreislauf herrschen im Betriebszustand Überdrücke von bis zu 5 bar, während die Anforderungen für IP67 in der Regel eine wirksame Kraft am Leckagekanal berücksichtigen, die einer Druckdifferenz von 1100 mbar gegenüber 1000 mbar entspricht. Mit zunehmender Druckdifferenz am Leckagekanal steigt die Leckagerate bei gleicher Leckagekanalgeometrie entsprechend an und es tritt deutlich mehr Medium aus als unter den IP67-Prüfbedingungen und somit müssen Anforderungen an Prüfkriterien zur Prüfung eines Kühlmittelkreislaufs strenger definiert werden.

Darüber hinaus erhöht sich im Betrieb die Temperatur im Kühlmittelkreislauf deutlich, was sich wiederum auf die Viskosität des Mediums auswirkt. Mit zunehmender Temperatur nimmt die Viskosität ab, was wiederum die Leckagerate erhöht.

Durch den Temperaturunterschied von Raumtemperatur zur Betriebstemperatur im Kühlmittelkreislauf verändert sich die Viskosität um bis zu einer Größenordnung, was die Leckagerate entsprechend erhöht.

Drittens beeinflusst die Eigenschaft der Oberflächenspannung oder des Benetzungswinkels der Flüssigkeit in einem Leckagekanal und seiner Wand die Kanalgeometrie sowohl des Leckagestroms, der aufgrund einer Verstopfung des Leckagekanals verhindert werden kann. Daher muss bei der Festlegung der Ausschussgrenzen für die Dichtheitsprüfung die Eigenschaft des verwendeten flüssigen Mediums berücksichtigt werden.

Die Verstopfung eines Leckkanals durch eine Flüssigkeit, z. B. ein Wasser-Glykol-Gemisch, hängt hauptsächlich von der Oberflächenspannung (σ), dem Kontaktwinkel (θ) zwischen dem Festkörpermaterial und der Flüssigkeit und dem maximalen Überdruck (S ).

Der Leckagekanalradius, bei dem eine Flüssigkeit nicht mehr aus einem Leckagekanal austreten kann, ist im Anhang beschrieben. Mit Gleichung (1) kann der Leckkanalradius berechnet werden, bei dem der Leckkanal aufgrund von Kapillarkräften durch die Flüssigkeit blockiert wird und verhindert, dass die Flüssigkeit aus dem Rohr austritt.

Wo:

p = Druck im Inneren des Flüssigkeitstropfens

σ = Oberflächenspannung der Flüssigkeit

θ = Kontaktwinkel Theta

r = Radius des Leckkanals

Bei einem Kühlsystem variiert der maximale Überdruck (p) je nach Kühlsystem typischerweise zwischen 2,5 und 5 bar Überdruck. Die Oberflächenspannung (σ) von reinem Wasser und Ethylenglykol wird mit 72,7·10-3 N/m und 48,0·10-3 N/m angegeben.

In unseren Experimenten werden Glaskapillaren verwendet, da nur Glaskapillaren in einem derart kleinen Innendurchmesserbereich erhältlich sind. In unserem vorherigen SAE-Artikel wurde ein Kontaktwinkel für Glaskapillaren von 25° für reines destilliertes Wasser verwendet.

In diesem Artikel werden jedoch die Benetzungseigenschaften verschiedener Flüssigkeiten beschrieben: reines destilliertes Wasser, ein Wasser-Ethylenglykol-Gemisch und reines Ethylenglykol. Daher verwenden wir einen etwas anderen Kontaktwinkel für Glas und ersetzen den Kontaktwinkel von Quarz. Anstelle eines Kontaktwinkels für Glas von 25° haben wir den Kontaktwinkel für Quarz von 29° verwendet, da Glas einen Quarzanteil von 80 Prozent hat.

Mithilfe dieser Gleichung kann der Leckkanalradius berechnet werden, bei dem der Leckkanal aus Glas (Quarz) theoretisch durch die Verwendung von reinem destilliertem Wasser und reinem Ethylenglykol blockiert wird.

Abbildung 1 zeigt die Ergebnisse des blockierten Leckkanaldurchmessers bei verschiedenen Überdrücken eines Kühlsystems unter Verwendung der abgeleiteten Oberflächenspannung und Kontaktwinkel für reines destilliertes Wasser und reines Ethylenglykol.

Der Kontaktwinkel (θ) zwischen dem Feststoffmaterial, der Flüssigkeitsüberdruck (p) und die Oberflächenspannung (σ) der Flüssigkeit beeinflussen das Sperrverhalten eines Leckagekanals. So hängt der Lochdurchmesser, ab dem ein Leckagekanal mit einer Flüssigkeit verstopft wird, im Wesentlichen vom verwendeten Material, der Oberflächenspannung der Kühlflüssigkeit und dem Überdruck des Kühlsystems ab.

Ist der Radius des Leckkanals größer als der berechnete Radius, tritt Flüssigkeit aus und es hat sich ein Leckkanal gebildet. Ist der Radius des Leckkanals kleiner oder gleich dem berechneten Radius, wird der Leckkanal aufgrund der Kapillarkraft durch die Flüssigkeit blockiert und es tritt keine Flüssigkeit aus. Somit ist das Kühlsystem dicht, wenn der Radius des Leckkanals kleiner oder gleich diesem berechneten Radius ist.

Zur Simulation eines undichten Kühlsystems wurde ein spezieller Versuchsaufbau entwickelt, bei dem Glaskapillaren mit einer Länge von 30 mm und unterschiedlichen Innendurchmessern adaptiert wurden. Mit diesem Testaufbau ist es möglich, die Anzahl der Flüssigkeitstropfen aus unterschiedlichen Leckkanaldurchmessern zu zählen.

Der in Abbildung 2 dargestellte Versuchsaufbau besteht aus einem Flüssigkeitsreservoir, einer Wasserpumpe, mehreren Edelstahlrohren und -adaptern, einem Schauglas mit einem Schaufelrad im Inneren, einem Manometer, fünf Glaskapillarschlitzen, einem Druckregler und mehreren Kunststoffteilen Rohre zur Verbindung der einzelnen Komponenten.

Durch Reduzierung der Durchflussmenge am Druckregler stellte sich eine Druckdifferenz zur Atmosphäre von 1 bar, 2 bar, 3,5 bar und 5 bar ein, die am Manometer in der Mitte der Adapterkonstruktion abgelesen werden konnte. Die verschiedenen Kühlmittelzusammensetzungen sind destilliertes Wasser, eine 1:1-Lösung aus destilliertem Wasser und Ethylenglykol (EG) und 99-prozentiges Ethylenglykol.

Mit der Zeit bilden sich während des Experiments unterschiedlich viele Tropfen an den Enden der Glaskapillaren aus. Diese Tropfen tropfen ab einer bestimmten Größe ab. Die Anzahl der tropfenden Tropfen gibt Aufschluss über die Leckage an den verschiedenen Kapillardurchmessern und den verschiedenen Drücken.

Wir haben Experimente durchgeführt, um festzustellen, ob die Theorie mit der Praxis übereinstimmt, wenn unter Druck stehende Flüssigkeit durch verschiedene Öffnungen ausgedrückt wird. Es wurden sowohl destilliertes Wasser als auch eine Mischung aus Wasser und Wasser/Ethylenglykol verwendet, da es sich dabei um typische Kfz-Kühlmittel handelt. Da Wasser/Ethylenglykol eine andere Viskosität als destilliertes Wasser hat, gingen wir theoretisch davon aus, dass Druck und Innendurchmesser der Testkapillaren zu erheblichen Unterschieden führen würden.

Im ersten Experiment wurde die Anzahl der Tropfen untersucht, die während einer Stunde im System mit destilliertem Wasser als Kühlmittel bei verschiedenen Betriebsdrücken und 20 °C von einer Glaskapillare abtropfen. Man erkennt, dass der Systemdruck ebenso wie der Innendurchmesser der Kapillaren einen wesentlichen Einfluss auf die Anzahl der Tropfen hat.

Auffällig ist auch, dass bei der 5μm-Kapillare während der Messzeit kein Tropfen abfällt und kein sichtbarer Tropfen aus der Kapillarspitze austritt. Bei der 10μm-Kapillare tropft bei einem Überdruck von 5 bar gegenüber der Atmosphäre während der Messzeit nur ein Tropfen ab. Bei 2 bar und 3,5 bar Überdruck bildet sich an der Kapillarspitze ein Tropfen, der jedoch nicht abtropft.

Die Anzahl der Tropfen als Funktion des Überdrucks weist einen guten linearen Zusammenhang auf, wie er aus dem Hagen-Poiseuille-Gesetz für Flüssigkeiten zu erwarten ist. In einem zweiten Experiment wurde das Tropfverhalten der verschiedenen Kapillaren mit einer Lösung aus destilliertem Wasser und Ethylenglykol im Mischungsverhältnis eins zu eins bei verschiedenen Betriebsdrücken bei 20 °C untersucht. Es ist zu erkennen, dass die Anzahl der Tropfen im Gegensatz zur vorherigen Messung mit reinem destilliertem Wasser deutlich abgenommen hat.

Dabei fiel innerhalb der Messzeit von 60 Minuten bei jedem Druckunterschied kein Tropfen aus der 10μm-Kapillare. Bei der 5μm-Kapillare konnte visuell keine Tropfenbildung festgestellt werden. Überträgt man die Messergebnisse in ein doppelt logarithmisch skaliertes Diagramm (Abbildungen 3a und b), lässt sich in guter Näherung auch die Abhängigkeit der Fallgeschwindigkeit von der vierten Potenz des Radius erkennen, ebenso wie der Einfluss des Drucks im System ist in der Theorie beschrieben.

Wasser hat eine besonders niedrige dynamische Viskosität von 1,002 mPa/s und reines Ethylenglykol hat eine hohe dynamische Viskosität von 19,83 mPa/s bei einer Temperatur von 20 °C. Eine Wasser-Ethylenglykol-Lösung von 1:1 (50 Volumenprozent destilliertes Wasser). und 50 Prozent Ethylenglykol) hat eine dynamische Viskosität von 4,1 mPa/s.

Die Messungen zeigen sehr deutlich, dass die gezählte Flüssigkeitströpfchen- bzw. Flüssigkeitsaustrittsrate linear von der Druckdifferenz abhängt, wobei der Druck stets dem Atmosphärendruck entspricht. Dieser lineare Zusammenhang ist in Abbildung 4 sehr deutlich zu erkennen. Darüber hinaus ist in der Grafik gut zu erkennen, dass die Größe der Leckrate mit zunehmender Viskosität der Flüssigkeit abnimmt. Die Leckrate ist bei Glykol um den Faktor 10 und bei der 50/50 Wasser-Glykol-Mischung um den Faktor 2,3 geringer als bei reinem Wasser, bei sonst gleichen Parametern.

Mit zunehmendem Betriebsdruck des Kühlmittels im Kühlkreislauf nimmt die Menge der austretenden Flüssigkeit linear zu. Die Temperatur beeinflusst die Leckagerate, da die Viskosität des Kühlmittels mit steigender Temperatur abnimmt. Beispielsweise erhöht sich die Leckagerate für Glykol als Kühlmittel um den Faktor fünf, wenn die Betriebstemperatur von 20 °C auf 80 °C steigt. Dies gilt über lange Zeiträume hinweg. Bei längeren Zeiträumen bedeuten bereits wenige Verlusttropfen im Minuten- oder Stundenbereich einen erheblichen Kühlmittelverlust im Laufe eines Jahres und sollten entsprechend vermieden werden.

Allerdings hat im Kühlkreislauf eines Verbrennungsmotors unter Betriebsbedingungen, insbesondere bei hohen Betriebstemperaturen, der Verlust einiger Tropfen Kühlmittel aufgrund der Verdunstungsrate keine schädlichen Auswirkungen auf die unmittelbare Umgebung.

Das Gleiche gilt leider nicht für Batteriezellen, Module und Packs. Die schädliche Wirkung bereits kleiner Flüssigkeitsmengen, Tröpfchen oder wasserhaltiger Dämpfe ist für jedes Traktionsbatteriemodul oder -paket weitaus gefährlicher. Dort kann das flüssige Kühlmittel oder der Wasserdampf Batteriezellen zerstören oder einen Kurzschluss erzeugen. Die Dichtheitsprüfung von Kühlkreisläufen von Traktionsbatteriepaketen und für Brennstoffzellen muss mit höherer Zuverlässigkeit durchgeführt werden als Prüfungen von Kühlsystemen von Verbrennungsmotoren.

Die entsprechenden Grenzleckraten für solche Leckagekanäle werden in der Arbeit dargestellt; Die hier angegebenen Leckraten für die Gasvorprüfung liegen um eine Größenordnung deutlich unter der Nachweisgrenze klassischer Prüfmethoden wie Druckabfall- oder Massenstrom-Leckprüfung. Beim Einsatz moderner Prüfgasverfahren mit Formiergas oder Helium als Prüfgas ist jedoch eine zuverlässige Erkennung kritischer Leckraten möglich.

Dieser Artikel wurde von Marc Blaufuß, Anwendungsingenieur, Leak Detection Tools, und Daniel Wetzig, Forschungsleiter, beide bei Inficon GmbH (Köln, Deutschland) verfasst. Dieser Artikel ist eine komprimierte und bearbeitete Version des SAE Technical Paper 2022-01-0716. Weitere Informationen finden Sie hier.

Dieser Artikel erschien erstmals in der Dezemberausgabe 2022 des Battery & Electrification Technology Magazine.

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