Elektromobilität Sicher elektrisch unterwegs – auch bei Hochwasser

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Frühzeitig wurde bei der Akkuentwicklung für Elektrofahrzeuge an einen Schutzmechanismus zur Notentgasung gedacht, auch bei Hochwasser. Überdruckventile bieten jedoch nur einen geringen Schutz bei zunehmenden Sicherheitsanforderungen und steigender Leistungsfähigkeit der Lithium-Ionen-Akkus. Ein neuartiges Sicherungselement liefert zahlreiche Vorteile für Notentgasung und Druckausgleich.

Die Bilder aus den Hochwassergebieten 2021 in Rheinland-Pfalz und Nordrhein-Westfalen sind in unseren Köpfen noch immer aktuell. Während man hierzulande vom Jahrhunderthochwasser und Ausnahmesituationen spricht, gehören Starkregen und Überschwemmungen in Monsunregengebieten zum Alltag. Gebäude stehen teilweise bis zum Dachgeschoss im Wasser – und so auch alles, was sich in den Häusern und Garagen befindet. Bei Autos mit Verbrennungsmotor entsteht meist kein großer Schaden. Lediglich Heizung und Akku müssen ausgetauscht werden, dann läuft alles wieder. Doch was passiert mit modernen Akkuzellen, die in Energiespeichern, Elektrofahrzeugen und E-Bikes verbaut sind?

Elektrofahrzeuge nutzen in erster Linie Lithium-Ionen-Akkus als Energiequelle, die an Ladestationen mit Strom „betankt“ werden. Sicherheit hat bei Lithium-Ionen-Akkus oberste Priorität. Auf den ersten Blick nicht sichtbar gibt es bei den Akkugehäusen eine in die Außenhülle eingebaute Notvorrichtung, die eine, zwei oder mehr Funktionen kombiniert. Doch was passiert, wenn Elektrofahrzeuge längere Zeit extrem hohem Wasserdruck ausgesetzt sind – etwa in einer gefluteten Tiefgarage? Zunächst die gute Nachricht: Die Steuerung der Akkus stoppt jedwede Bewegung von Elektronen, es kommt zum Stillstand. Doch halten die Akkus, besser gesagt das Gehäuse, auch dem Wasserdruck stand?

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Lithium-Ionen-Akkus: normalerweise bis zu einem Meter Wassertiefe sicher

Es ist wichtig zu wissen, dass die Notvorrichtungen nicht verhindern, dass Akkuzellen thermisch angeregt werden. Sie unterbinden jedoch, dass Druckwellen eine plötzliche Verformung des Gehäuses verursachen. Normalerweise sind Elektrofahrzeuge bis zu einem Meter Wassertiefe sicher, mehr ist bei den in der Schutzklasse IPx7 vorgeschriebenen Tests nicht erforderlich. Grundsätzlich ist bei Lithium-Ionen-Akkus ein Notentgasungs- bzw. Berstelement zwingend, das im Notfall bei einem drohenden thermischen Durchgehen für Entspannung sorgt.

Dieses Element deckt eine Vielzahl von Funktionen ab: Druckausgleich zum Ausgleich von Innen- und Außendruckunterschieden bei Bergauf- und Bergabfahrten; Schließen der Entgasungsöffnung, damit kein Sauerstoff in die interne Verbrennungsquelle gelangt; Wiederöffnen zur Druckentlastung für weitere Vorkommnisse und Bersten, wenn es beim Öffnen einer Entgasungseinheit zu einem kritischen Zustand kommt.

Im Test: PTFE- gegen Ventikon-Membran

Können Wassertiefen von mehr als einem Meter nun kritisch für diese Notvorrichtung werden? Die Hochwasserkatastrophe im letzten Jahr wirft Fragen auf, was etwa passiert, wenn ein Elektrofahrzeug in einer überfluteten Tiefgarage steht – ein WEP (Wassereintrittsdruck) von über zehn Metern ist durchaus möglich, Wassereintauchzeiten von mehreren Tagen sind denkbar. Zugfestigkeit und Kriechverhalten des Materials spielen dabei eine bedeutende Rolle.

In einer Testvorrichtung haben wir untersucht, welche Materialien geeignet sind, um auch Wassersäulen von mehr als einem Meter über einen längeren Zeitraum zu überstehen. Eine Wassersäule von einem Meter entspricht hier einem Luftdruck von 100 Millibar. Verglichen wurde eine Standard-PTFE-Membran mit einer neuartigen Ventikon-Membran namens Ventikon von Konzelmann. Beide Membranen sind hydrophob und semipermeabel mit ähnlichen Eigenschaften, was die Luftdurchlässigkeit betrifft. 100 Millibar sind für beide Membrantypen kein Problem. Bei 200 Millibar zeichnet sich ein anderes Bild: Die PTFE-Membrane bildet schnell Wassertropfen und wird ab einem Druck von 200 mbar (zwei Meter Wassersäule) wasserdurchlässig und wenn die Wassersäule weiter steigt zu einem offenen Wasserhahn. Die Ventikon-Membran dagegen zeigt keine Reaktion und erweist sich als geeignet für Wassertiefen von über vier Metern (400 Millibar). Und auch Dauertests in zwei Meter Wassertiefe ergaben, dass die Ventikon-Membranen nach Wochen immer noch keine Einbußen in der Funktionsfähigkeit aufwiesen.

Große Unterschiede unter dem Mikroskop

Aufschluss über die unterschiedlichen Eigenschaften beider Membrantypen ergeben Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen (REM-Aufnahmen) und eine Analyse der unterschiedlichen Oberflächen: Die PTFE-Membran sieht eher wie ein gepresster Wollknäuel mit unterschiedlich großen Öffnungen aus, die allerdings durch die Struktur nicht durchgängig sind. Bei der Ventikon-Membran haben wir dagegen eine geordnete Struktur. Die REM-Bilder verdeutlichen auch die Materialdicke: PTFE mit ca. 150 µm und Ventikon mit einem Drittel der Dicke unterscheiden sich grundlegend. Während die ungeordnete Struktur der PTFE-Membran dafür Sorge trägt, dass Wassertropfen schon bei niedrigen Drucken einen Weg durch das Labyrinth finden, ergibt sich aus der geordneten Struktur bei der Membran aus Ventikon mit ihrem kleineren Lochdurchmesser (<1 µm) und damit kleiner als ein Wassertropfen (>0,5 mm) eine wesentlich höhere Wasserwiderstandskraft.

Ein Vergleich der Zugfestigkeit zeigt auch, dass die von Ventikon deutlich höher ist als die von PTFE. Ventikon hat bei Raumtemperatur eine Zugfestigkeit von über 20 N/mm2, während PTFE bei 3 N/mm2 dauerhaft verformt wird. Daraus lassen sich ebenfalls Rückschlüsse auf die Toleranzen für Temperaturbereiche ziehen – Ventikon-Membranen haben auch bei Temperaturschwankungen eine viel geringere Toleranz, als vergleichbare Produkte aus PTFE. Diese liegt über dem Temperaturbereich von -40 Grad Celsius bis +80 Grad Celsius bei plus/minus 50 Millibar. Dadurch ist sichergestellt, dass eine Notentgasung auch bei grenzwertigen Temperaturen funktioniert und die Fahrzeuginsassen entsprechend sicher sind.

Speziell geeignet für immersionsgekühlte Lithium-Ionen-Akkus

Besonders vorteilhaft erweist sich die Ventikon-Membran von Konzelmann und das zugehörige Sicherungselement K-Berstring bei den aktuell im Trend liegenden immersionsgekühlten Lithium-Ionen-Akkus. Diese sind mit Unterdruck befüllt und öffnen bei einem geringen Überdruck, wodurch eine Asymmetrie zwischen dem inneren Unterdruck und dem äußeren Berstdruck entsteht. Dafür ist der K-Berstring mit einer gasdichten Membran besser geeignet als mechanische Systeme. Zwar können mechanische Lösungen wie eine Berstscheibe (rupture disc) oder ein beweglicher Zylinder diesen asymmetrischen Druck grundsätzlich abfangen, sie lassen sich allerdings nicht auf einen individuellen Berstdruck einstellen. Dabei wird betrachtet, dass die Öffnungsfläche des Spaltes einer mechanischen Lösung gleich ist zum Querschnitt unserer Lösung.

Was für luftgekühlte Lithium-Ionen Akkus gilt

Mit dem K-Berstring und den verschiedenen Ventikon-Membranen können sowohl Druckausgleich, Druckausgleich und Bersten als auch nur Bersten realisiert werden. So können Berstdruck und Druckausgleich individuell an die Anforderungen des Akkus angepasst werden.

Ein Druckausgleich ist immer notwendig, egal welche Akkuchemie verwendet wird. Allein durch Temperaturunterschiede entstehen Druckunterschiede zwischen innen und außen, etwa, wenn man an heißen Tagen in eine Waschstraße fährt. Gleiches gilt für Steigungen und Gefälle. Ein Extrem stellt aber sicherlich der Transport per Luftfracht dar – insbesondere der Sinkflug hat hier einen signifikanten Einfluss auf den Druckausgleich. Daher sind Druckausgleichselemente immer wichtig, damit die Dichtungen des Akkugehäuses nicht zu stark belastet werden. Der oben beschriebene Berstring mit einem großen Berstbereich löst bereits bei einem niedrigen Druck ab 50 Millibar aus, genauso wie bei größeren bis zu 2000 Millibar.

Produktentwicklungen schneller realisieren

Die REM-Aufnahmen sind aber auch für eine weitere Betrachtung von Bedeutung, nämlich bei dem sogenannten End-of-Line-Test (EOL). Mit einer wollknäuelartigen Membran sind solche Tests komplizierter: Entweder wird mit einer Wassersäule über einen Zeitraum von 30 Minuten stichprobenartig geprüft, oder man verwendet Flüssigkeiten, die das Produkt kontaminieren, was zu einer Nachbereitung führt, wenn man Korrosion verhindern will. Aber wie testet man nun das Ergebnis nach der Nacharbeit? Materialien, die nicht kontaktfrei geprüft werden können, sind immer kritisch für Sicherheitselemente. Die Ventikon-Membran hingegen kann schnell und einfach mit einer Druckdifferenzmethode geprüft werden. Außerdem kann eine optische Prüfung erfolgen und das Bild einem Datamatrixcode (DMC) zugeordnet werden.

Da das Sicherungselement wie ein Baukastensystem konzipiert ist, lässt sich dasselbe Design mit unterschiedlichen Membranen individuell an verschiedene Produktanforderungen anpassen. Indem Struktur- und Strömungssimulation mit Tests verbunden werden, sind Produktentwicklungen in kürzester Zeit möglich. Für die Vorhersage und Validierung der Funktionen kommen sogenannte ROBB-Prüfkörper (Rupture, Opening, Bursting and Breathing) zum Einsatz und werden getestet. Diese Tests werden mit den Simulationsergebnissen verglichen und an das kundenspezifische Produkt angepasst.

Sichere E-Mobilität in Hochwasser- und Monsunregengebieten

Dieser Ansatz reduziert die Vorentwicklungszeit auf wenige Tage, indem die Funktion definiert und die Basis für die Produktrealisierung geschaffen wird. Dies ermöglicht eine vereinfachte Produktion und Konstruktion gegenüber herkömmlichen Lösungen bei gleichzeitig reduzierten Kosten. Das Design ist ein extrem sicheres Sicherungselement, das sich durch eine deutlich erhöhte Wasserbeständigkeit auszeichnet und so Elektromobilität in Hochwasser- und Monsunregengebieten sicherer macht und zudem auch für immersionsgekühlte Akkus geeignet ist.

* Dr. André Konzelmann ist Head of eMobility bei der Konzelmann GmbH,

* Volker Buchmann Business Developer eMobility, beide bei der Konzelmann GmbH.

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