Home » Auto der Zukunft » Gamechanger: Innovativer Druckausgleich für Batterien von Elektrofahrzeugen
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Für die Automobil­industrie birgt der Übergang zur E-Mobilität viele neue Herausforderungen – insbesondere Batterien stehen hier im Fokus. ­Freudenberg Sealing Technologies hat mit der Kombination von zwei Vliesstoffen in einem innovativen Druckausgleichsventil einen echten Gamechanger geschaffen, der Batterien in Elektroautos deutlich sicherer macht.

Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge, die mit einer Spannung von mehreren Hundert Volt betrieben werden, müssen gut geschützt sein. Die elektrischen Komponenten sind in einem dünnwandigen, aber stabilen Metallgehäuse untergebracht, damit sie nicht durch Spritzwasser oder Steinschlag beschädigt werden. Allerdings kann das Gehäuse nicht völlig hermetisch abgeschlossen werden, denn wenn ein Elektroauto z. B. die Alpen überquert oder bei starker Hitze gefahren wird, würde sich das Gehäuse aufgrund von Luftdruck- und Temperaturschwankungen verformen. 

Aus diesem Grund sind Batteriegehäuse von Elektrofahrzeugen mit mindestens einem Druckausgleichsventil ausgestattet – meist in Form einer mikroporösen Folie. Ein zweites Ventil dient als Sicherheitsmaßnahme: Es öffnet sich nur, wenn durch eine Fehlfunktion eine oder mehrere Batteriezellen beschädigt werden und die angesammelten Gase abgelassen werden müssen. 

Illustrationen: Freudenberg Sealing Technologies

Aus zwei mach eins

Das Druckausgleichselement DIAvent vereint gleich mehrere Funktionen in einem Bauteil: den Druckausgleich im Normalbetrieb, das schnelle und verlässliche Öffnen für eine Notentgasung im Worst-Case-Fall – dem thermischen Durchgehen einer Zelle – und das darauffolgende Schließen nach erfolgtem Druckausgleich. Damit sorgt das Element nicht nur für deutlich mehr Sicherheit, sondern ist darüber hinaus noch robuster als herkömmliche Lösungen. 

DIAvent vereint zwei Funktionen in einem Bauteil

Unter dem Namen „DIAvent“ hat Freudenberg Sealing Technologies eine Reihe intelligenter Ventile entwickelt, die beide Funktionen in einem einzigen Bauteil vereinen und so Elektrofahrzeuge zuverlässiger und wirtschaftlicher machen. -Die Produktlösungen reichen vom kombinierten Druckausgleich und der Not-entgasung bis hin zur wechselseitigen Entlüftung in einer öligen Umgebung. 

Die Kombination aus Druckausgleich im Normalbetrieb und Überdruckabbau mit Notentgasung ist technisch anspruchsvoll. Der Grund dafür: Unter üblichen Druckausgleichsbedingungen werden nur wenige Liter Luft pro Minute in beide Richtungen ausgetauscht. Aber im Notfall muss das gesamte Gas, das eine beschädigte Zelle abgibt, in wenigen Sekunden abgelassen werden können. Das verhindert, dass das Gehäuse aufgrund des starken Innendrucks, der ein Vielfaches des normalen Luftdrucks erreicht, platzt. Hier werden bislang vor allem Ventile eingesetzt, die sich kontrolliert selbst zerstören. 

Herausforderung: Batteriesysteme mit hoher Energiedichte

Der Trend zu Batteriesystemen mit immer höherer Energiedichte im Gehäuse erschwert die Zusammenführung der Funktionen. Denn eine hohe Energiedichte erhöht sowohl die Gasmenge, die schnell abgelassen werden muss, als auch die Geschwindigkeit des Druckausgleichs, der im Normalbetrieb erforderlich ist. Das DIAvent von Freudenberg löst den Widerspruch zwischen der Notwendigkeit einer hohen Luftdurchlässigkeit und gleichzeitig einer sehr hohen Wasserdichtigkeit auf: Im Notfall wird die Entgasung durch ein Schirmventil ermöglicht, das ringförmig um das Vlies angeordnet ist. Es öffnet sich zuverlässig, sobald der Druck im Gehäuse den Atmosphärendruck um mehr als 40 Millibar übersteigt und kann dann 92 Liter Gas pro Sekunde bei einem Druckunterschied von 300 Millibar ablassen. Ein großer Vorteil der Lösung ist, dass sich das Schirmventil im Anschluss schließt. Das erleichtert in der Praxis die sichere Entnahme beschädigter Batterien. Da es sich vollständig reversibel öffnet und schließt, kann es auch den Druckausgleich im Normalbetrieb unterstützen, z. B. wenn Batterien mit hoher Energiedichte schnellen Temperatur- und Druckschwankungen ausgesetzt sind.

Druckausgleich in Sekundenschnelle

Die Herausforderung für den Ernstfall: Druckausgleich in Sekundenschnelle, Fremdkörper in der Batteriezelle, interne und externe Kurzschlüsse, fehlerhaftes Überladen oder die Zerstörung der Batterie bei einem Unfall führen zur Freisetzung großer Mengen an Energie und Gasvolumen. Das entstehende Gas strömt dann direkt in das Batteriegehäuse.

Um den entstehenden Druck so schnell wie möglich abzubauen, haben Batteriegehäuse in der Regel eingebaute Berstscheiben als Sollbruchstellen, um das Gas schnell und kontrolliert abzulassen. Diese verhindern zwar, dass das Gehäuse beschädigt wird, aber die zerstörte Scheibe lässt nach der Notentgasung eine Öffnung nach außen. Das hat erhebliche Nachteile. Umgebungsluft kann nach dem Druckausgleich in die Batterie gesaugt werden und ein brennbares Gas-Luft-Gemisch erzeugen, das weitere exotherme Reaktionen im Inneren des heißen Batteriegehäuses verursachen kann.

Im Notfall viermal schneller

Anfang 2020 startete Freudenberg die erste Serienproduktion von „DIAvent“, dem Belüftungsventil speziell für Batteriesysteme mit hoher Energiedichte, das reguläre Gehäuseentlüftung und schnelle Notentgasung in einem einzigen Bauteil vereint. Nur ein Jahr später präsentierte der Zulieferer eine neue Generation des Ventils, das die Notentgasung viermal schneller macht. Selbst bei einem Überdruck von 300 Millibar im Gehäuse ermöglicht „DIAvent Highflow“ einen Durchfluss von 92 Litern pro Sekunde. 

DIAvent – die sichere und zuverlässige Lösung

Die DIAvent-Druckausgleichselemente von Freudenberg Sealing Technologies verändern die Branche nachhaltig. Sie sind nicht nur äußerst robust gegenüber mechanischer Beanspruchung, sondern schließen auch sofort die Membran, die bei einer Notentgasung geöffnet wird. Einerseits wird so eine mögliche Umweltverschmutzung verhindert. Zum anderen erhöht sich die Sicherheit für alle, die sich im Fahrzeug oder in unmittelbarer Nähe des Fahrzeugs aufhalten. Auch beim Transport des beschädigten und brandgefährdeten Batteriesystems kommt die neue, durch das Ventil gewonnene Sicherheit zum Tragen.

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