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Fünf Designüberlegungen bei der Auswahl einer optimierten Batterieentlüftungslösung

Von Shane Campbell, Produktmanager bei Donaldson

Die sich stets weiterentwickelnden Designtrends und Standards der Automobilindustrie beeinflussen das Aussehen, die Langlebigkeit und die Leistung neuer Elektrofahrzeugmodelle – das reicht bis hin zum Design der Entlüftungssysteme für Batteriepacks. Mit der steigenden Nachfrage bei Verbrauchern nach Elektrofahrzeugen steigt auch die Bedarf an innovativen Batterien, die mehr Leistung und eine größere Reichweite bieten.

Da Batterien immer komplexer werden, ist die Notwendigkeit, sie vor Witterungseinflüssen zu schützen, noch nie so groß gewesen wie heute. Ingenieure von Batteriepacks kennen sich mit Fahrzeuganwendungen aus und tragen durch die Kombination mit der richtigen Entlüftungstechnologie zur Verbesserung der Leistung von Elektrofahrzeugen bei.

Nachfolgend sind fünf wichtige Überlegungen aufgeführt, die Donaldson bei der Entwicklung einer Lösung zur Maximierung der Leistung von Fahrzeugbatterien berücksichtigt: 

1. Bereitstellung eines Druckausgleichs
Das Hinzufügen von zweistufigen Batterieentlüftungen reduziert den Druckaufbau im Batteriepacks bei Temperaturschwankungen. Die Berechnungen gehen von einem freien Luftvolumen von 20 Litern und einer Temperaturänderung von 45°C über 12 Minuten aus.

Temperatur- und Höhenunterschiede können zu Druckschwankungen innerhalb eines Batteriepackgehäuses führen. Durch die Lüftungsöffnungen kann die Luft in das Gehäuse ein- und ausströmen, was zum Druckausgleich beiträgt. Ein höherer Luftdurchsatz ermöglicht einen schnelleren Ausgleich und niedrigere Maximaldruckdifferenzen. Wenn sich in einem laufenden System Druck aufbaut, wird die schwächste Stelle gefunden. Eine richtig konstruierte Entlüftung nimmt den Druck von den empfindlichen Komponenten im Fahrzeug und trägt dazu bei, dass ein ordnungsgemäßer Luftstrom erhalten bleibt.

Auch die Geschwindigkeit der Druckveränderung muss berücksichtigt werden. Druckveränderungen werden häufig durch Temperaturänderungen im Inneren des Batteriepacks aufgrund von Umgebungsbedingungen, Ladung und Entladung verursacht. Mit zunehmender Druckänderungsrate wird ein höherer Luftstrom benötigt.

Um schwankende Druckveränderungen bewältigen zu können, müssen die Größe und Anzahl der Entlüftungsöffnungen, die Art der Membran, die Luftstromeigenschaften und die äußeren Bedingungen zu Beginn der Entwicklung berücksichtigt werden. Der Einsatz der richtigen Art und Anzahl von Batterieentlüftungen kann dazu beitragen, den Innendruck des Batteriepacks bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen zu steuern.

2. Ingenieur für den Schutz vor Eindringen

Die Anforderungen an den Luftstrom sind zwar entscheidend für die Kontrolle des Drucks im Batteriepack, aber auch der Schutz vor eindringenden Verunreinigungen ist ein wichtiger zu berücksichtigender Aspekt. Ein wichtiger Parameter in der Entwurfs- und Testphase ist die IP-Schutzart (Ingress Protection, zu Dt.: Schutz vor Eindringen) die angibt, wie gut ein Gehäuse gegen Fremdkörper und Feuchtigkeit abgedichtet ist.

Zu den typischen Verunreinigungen, gegen die eine Batterieentlüftung schützen muss, gehören Wasser (Spritzwasser und Untertauchen), Öl, Staub und Sandpartikel. Bei den zweistufigen Batterieentlüftungen von Donaldson kommen ein einzigartiges Gehäusedesign und die Tetratex™ ePTFE-Membran, ein firmeneigenes Filtrationsmedium, zum Einsatz, um einen außergewöhnlichen Schutz des Batteriepacks zu gewährleisten.

Wenn der Schutz vor Eindringen erhöht wird, kann sich der Luftstrom zur Notentgasung verringern, sodass geeignete Entlüftungslösungen das optimale Gleichgewicht zwischen Schutz vor Eindringen und Entgasungsluftstrom finden müssen.

Beim Tetratex™-Medium von Donaldson handelt es sich um eine Membran aus expandiertem Polytetrafluorethylen (ePTFE), die Schutz vor Temperatur- und Druckschwankungen, Feuchtigkeit und anderen schädlichen Verunreinigungen bietet.
Seine einzigartige mikroporöse Struktur ist von Natur aus hydrophob und eine der effektivsten Lösungen für Entlüftungsmedien in der Branche. Folgende Dinge zählen zu den Vorteilen: Hoher Partikelabscheidegrad, außergewöhnliche Durchflussraten, Druckausgleich, Wasser- und Ölabweisung, Feuchtigkeitsregulierung und minimale Kondensation
3. Berücksichtigung von Grenzfällen

Batteriepacks und Gehäuse von Elektrofahrzeugen wurden entwickelt, um unerwartete Grenzfälle zu bewältigen, d. h. Ereignisse, die bei extremen Betriebsparametern auftreten. Auch wenn Grenzfälle selten vorkommen, ist es wichtig, dass eine Entlüftungslösung optimiert wird, um das Risiko für Schäden am Batteriepack zu verringern sowie den Ausfall von Komponenten oder kostspielige Reparaturen zu verhindern.

Nachfolgend sind einige Grenzfälle aufgeführt, anhand derer Donaldson seine Produkte getestet hat:

  • Schnellladen mit Gleichstrom (DC) – Dieser Ladevorgang ist wesentlich schneller als bei herkömmlichen Ladestationen und erzeugt zusätzliche Wärme und Druck auf die Batterie des Elektrofahrzeugs.
  • Bergrennen – Beim Wettkampfsport „Bergrennen“ kommt es zu einem plötzlichen Höhenunterschied, wodurch sich Druck und Temperatur in der Fahrzeugbatterie erhöhen.
  • Waten durch Gewässer – Wenn Sie abseits der Straße durch einen Bach fahren, kann ein warmes Batteriepack einen Temperaturschock erleiden und ein schnell auftretendes Vakuum durch das kühle Wasser verursachen.
  • Lufttransport – Ein Fahrzeug, das in einem Flugzeug transportiert wird, wird durch die Druckveränderungen aufgrund der Höhenunterschiede beeinträchtigt.
  • Steinschlag – Steine oder sonstiges hartes Geröll, die auf den Unterboden eines Fahrzeugs treffen, können einen Druckanstieg im Inneren des Batteriepacks verursachen.

Das Testverfahren von Donaldson beinhaltet auch eine umfassende Fehlermöglichkeits- und -einflussanalyse. Bei dieser Analyse werden der Schweregrad und die Häufigkeit möglicher Grenzfälle untersucht und in einem Validierungsplan erfasst.

Darüber hinaus arbeitet Donaldson mit seinen Kunden zusammen, um nachzuvollziehen, welchen extremen Bedingungen ihre Fahrzeuge ausgesetzt sein können und welche Anforderungen erforderlich sind, um die Fahrleistung bei einem plötzlichen Grenzfall aufrechtzuerhalten.

4. Entschärfen von Notentgasungsereignissen

Wie auch bei den Grenzfällen konstruiert Donaldson seine Entlüftungslösungen für Batterien so, dass sie bei Notentgasungen, z. B. bei thermischem Durchgehen, den Druck im Batteriepack kontrollieren, wenn der Druck auf ein bedenkliches Niveau ansteigt und das Gas sofort aus dem Pack abgelassen werden muss.

Die zweistufigen Entlüftungslösungen von Donaldson sind darauf ausgelegt, diese eskalierten Situationen zu bewältigen. In einem solchen Fall öffnet sich die zweite Stufe vollständig, damit die schnell expandierenden Gase kontrolliert entweichen können. Dieser Mechanismus trägt dazu bei, weitere Schäden an den Batteriezellen oder am Gehäuse des Packs zu verhindern.

5. Durchführung einer Validierung über den gesamten Temperaturbereich

Donaldson entwickelt die Entlüftungssysteme für Batteriepacks so, dass sie bei verschiedenen Betriebstemperaturen funktionieren. Das Ingenieursteam von Donaldson führt häufig Tests bei einer ganzen Reihe von Extremtemperaturen durch, um herauszufinden, wie die Entlüftungen mit Berstdruck, Notentgasung, Druckzyklus, Wärmezyklus, Heißlagerung, Thermoschock und Vibration umgehen.

Zweistufige Entlüftungslösungen
Die Batterieentlüftungssysteme von Donaldson unterstützen den Schutz von Fahrzeugbatterien bei und verlängern die Lebensdauer der Batterien.

Die zweistufige Entlüftung trägt zur Optimierung des Designs der Elektrofahrzeugbatterie bei. Die erste Stufe dient dem Druckausgleich und verhindert das Eindringen von Wasser und Verunreinigungen. Die Entlüftung der zweiten Stufe öffnet sich bei schnellem Druck- und Hitzeaufbau vollständig, damit sich ausdehnende Gase entweichen können und weitere Schäden an den verbleibenden Zellen vermieden werden. In den meisten Fällen kann eine einzelne Entlüftungseinheit beide Funktionen erfüllen.

Die zweistufigen Entlüftungslösungen von Donaldson bieten Abdichtung und Schutz, Druckausgleich, effektive Be- und Entlüftung sowie eine Minderung von Gasen im Falle eines thermischen Durchgehens.

Donaldson hat bereits mehr als eine Milliarde Entlüftungslösungen geliefert, die zum Schutz vor Druckschwankungen, Flüssigkeiten und schädlichen Verunreinigungen beitragen. Von Entlüftungsöffnungen für Automobilbatterien über Außenbeleuchtung bis hin zu Hörgeräten – die differenzierten Lösungen von Donaldson tragen dazu bei, den Bedarf an kritischen Komponenten zu decken und unterstützen industrielle Fertigungsprozesse in einer Vielzahl von Branchen, einschließlich des schnell wachsenden Marktes für Elektro- und Hybridfahrzeuge.

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