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Elektromobilität

Schutzklasse IP67 für Traktionsbatterien sicherstellen

| Autor/ Redakteur: Mark Blaufuß / Dipl.-Ing. (FH) Sandra Häuslein

Um Lithium-Ionen-Batterien in Elektrofahrzeugen vor Wassereintritt zu schützen, müssen deren Gehäuse die Schutzklasse IP67 erfüllen. Hier stellen wir Prüfmethoden vor, mit denen die Schutzklasse überprüft werden kann und erklären, welche Rolle verwendete Materialien dabei spielen.

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Die Schutzklasse IP67, die für viele elektronische Komponenten im Fahrzeug gilt, gibt vor, wann ein Bauteil die Anforderung an den Schutz gegen Wassereintritt erfüllt. Es ist allerdings nicht trivial, IP67 in eine sinnvolle Leckrate für die Prüfung im Fertigungsprozess zu übersetzen.
Die Schutzklasse IP67, die für viele elektronische Komponenten im Fahrzeug gilt, gibt vor, wann ein Bauteil die Anforderung an den Schutz gegen Wassereintritt erfüllt. Es ist allerdings nicht trivial, IP67 in eine sinnvolle Leckrate für die Prüfung im Fertigungsprozess zu übersetzen.
(Bild: gemeinfrei / CC0)

Die Zahl der Elektrofahrzeuge nimmt stetig zu und damit auch die Bedeutung der Traktionsbatterie. Bei deren Fertigung spielt die Qualitätssicherung eine zentrale Rolle. Denn die Käufer von E-Fahrzeugen erwarten sowohl Betriebssicherheit als auch Langlebigkeit. Ein allgegenwärtiger Feind von Lithium-Ionen-Antriebsbatterien im Straßenverkehr ist Wasser. Tritt dieses in die Batterie ein, droht ein Kurzschluss und damit Brandgefahr. Ein weiteres Bauteil, dessen Funktionssicherheit von der Wasserdichtheit seines Gehäuses abhängt, ist das Steuergerät der Batterie. Daher gilt für diese Komponenten die Schutzklasse IP67.

Es gestaltet sich allerdings nicht ganz einfach, IP67 in eine sinnvolle Leckrate für die Prüfung im Fertigungsprozess zu übersetzen. Zumal die erforderliche Grenzleckrate auch vom Gehäusematerial abhängt: Aluminium etwa ist weitaus kritischer als Kunststoff.

IP67: Funktionsfähigkeit nach halbstündigem Tauchbad

Eine eingehende Betrachtung verdeutlicht zwei Dinge. Erstens: Die für einen Schutz nach IP67 erforderlichen Grenzleckraten sind üblicherweise nur mit modernen Prüfgasmethoden zu testen. Zweitens: Das Gehäusematerial selbst hat einen deutlichen Einfluss auf die Dichtheitsanforderungen, weil sich Wassertropfen von manchen Materialien leichter ablösen – und so durch einen Leckkanal ins Gehäuse eindringen.

Batteriegehäuse für Lithium-Ionen-Akkus oder auch Gehäuse für die Batteriesteuerelektronik werden oft gemäß IP67 ausgelegt. Die Prüfung nach dieser Schutzklasse verlangt, dass nach einem Tauchbad von 30 Minuten in 1 m Tiefe das Bauteil seine völlige Funktionsfähigkeit bewahrt haben muss. In manchen Fällen bedeutet dies, dass keinerlei Wasser in das Bauteil eingedrungen sein darf. Anhand verschiedener Glaskapillaren mit definiertem Durchmesser und einer Länge von jeweils 10 mm lässt sich in einem Testaufbau ermitteln, bei welchem Durchmesser eines Leckkanals sich ein Tropfen gerade noch zeigt – ohne sich aber abzulösen. Der Differenzdruck beträgt dabei 0,1 bar (wie bei einem Gehäuse in 1 m Wassertiefe).

Die Tabelle zeigt Leckkanal-Durchmesser und die jeweilige Tropfenmenge des Wassers.
Die Tabelle zeigt Leckkanal-Durchmesser und die jeweilige Tropfenmenge des Wassers.
(Bild: Inficon)

Das Ergebnis: Während sich bei einem Glas-Leckkanal von 25 µm Durchmesser in einer halben Stunde noch drei Tropfen ablösen, formt sich bei einem Durchmesser von 20 µm zwar noch ein Tropfen, löst sich aber erst nach einem Zeitraum von mehr als 30 Minuten ab. Was solch ein Versuchsaufbau also zeigt: Wenn der Durchmesser eines Leckkanals aus Glas etwas weniger als 20 µm beträgt, ist der Wasserdruck von 0,1 bar mit den Kräften im Gleichgewicht, die das Wasser an der Oberfläche des Leckkanals haften lassen. Anders gesagt: Das Bauteil darf als völlig wasserdicht gelten. Möchte man diese Wasserdichtheit in einer Grenzleckrate ausdrücken, bewegt sich diese in der Größenordnung von 10-3 mbar∙l/s.

In der Praxis spielt auch die Länge eines möglichen Leckkanals eine Rolle, denn die Zahl der Tropfen verhält sich zu dessen Länge umgekehrt proportional. Durch einen Kanal mit einem Viertel der Länge dringen viermal mehr Tropfen.

Aluminium ist anspruchsvoller als Stahl oder Kunststoff

Wassertropfen lösen sich von Glas relativ schlecht ab, weil das Wasser an dessen Oberfläche gut haftet. An anderen Materialien wie etwa Stahl oder dem Kunststoff ABS haften Wassertropfen sogar noch etwas besser als an Glas. Bevor hier ein Leck dazu führt, dass Wasser unter einem Differenzdruck von 0,1 bar in ein Gehäuse eindringt, muss der Leckkanal-Durchmesser noch ein wenig größer sein. Daraus ergibt sich wiederum, dass auch die Anforderungen an die Grenzleckrate bei diesen Materialien geringfügig weniger strikt sind als bei Glas.

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Deutlich anders sieht dies allerdings bei Gehäusen aus Aluminium aus. Hier haftet der Wassertropfen nur bei einem sehr kleinen Leckdurchmesser noch am Material. Entsprechend ist ein Aluminiumgehäuse für völlige Wasserdichtheit im halbstündigen IP67-Szenario gegen eine hundertfach kleinere Grenzleckrate zu prüfen, im Bereich 10-5 mbar∙l/s.

Vollständige Funktionsfähigkeit nach Tauchprozess

Die Schutzklasse IP67 verlangt nach dem definierten Tauchprozess eine unveränderte, vollständige Funktionsfähigkeit. Was sie nicht ausdrücklich verlangt, ist, dass bei einem 30-minütigen Tauchbad mit 0,1 bar Druckdifferenz keinerlei Wasser in das Bauteil eindringt. Wenn ein Hersteller entscheidet, doch das Eindringen einiger Tropfen Wasser tolerieren zu können, weil es die Funktionstüchtigkeit der Komponente nicht beeinträchtigt, kann er für die Prüfung entsprechend andere, weniger kleine Leckraten wählen. Hat ein Bauteil zum Beispiel ein ABS- oder Stahlgehäuse mit Polymerdichtung, stellt schon eine Prüfung gegen eine Grenzleckrate von 2 ∙ 10-3 mbar∙l/s (ungefähr 0,1 sccm) sicher, dass nur vereinzelte Tropfen eindringen. Für völlige Wasserdichtheit wäre allerdings gegen 1 ∙ 10-3 mbar∙l/s (ungefähr 0,06 sccm) zu prüfen.

Druckabfall-Verfahren stößt an Grenzen

Leckraten in der Größenordnung von 10-3 mbar∙l/s (0,06 sccm) stellen in der Praxis die Grenze dessen dar, was sich mit einer herkömmlichen Druckabfallprüfung unter idealen Bedingungen gerade noch feststellen lässt. Für ihre Dichtheitsprüfung in der Fertigung greifen viele Hersteller darum nur bis zu Grenzleckraten von 10-2 mbar∙l/s (bzw. bis 1 sccm) und bei der Prüfung auf Groblecks zur tendenziell unzuverlässigeren Druckabfallprüfung. Denn gerade bei großen Bauteilvolumina wird die Messung der Druckveränderung schon durch kleinste Temperaturschwankungen während des Prüfprozesses stark beeinträchtigt. Dies lässt sich bei der Druckabfallprüfung nicht vollständig kompensieren – sie führt dann sehr leicht zu falsch positiven oder falsch negativen Ergebnissen. Darum bieten sich für alle Grenzleckraten im Bereich 10-3 mbar∙l/s oder kleiner eher die zuverlässigeren, prüfgasbasierten Methoden an. Die Wahl der konkreten Prüfmethode hängt auch davon ab, welche Druckdifferenz ein Bauteil verträgt. Viele Teile, die dazu ausgelegt sind, die Schutzklasse IP67 einzuhalten, widerstehen nur recht kleinen Druckdifferenzen von 0,1 oder 0,2 bar. Ansonsten würden das Bauteil oder seine Dichtungen beschädigt.

Die automatisierte Roboter-Schnüffellecksuche

Ist beispielsweise ein Battery Pack bereits zusammengebaut und der Hersteller möchte die Integrität der Dichtungen testen, verbietet sich ein zu hoher Differenzdruck, denn er könnte die Dichtungen beschädigen. Darum ist hier unter anderem die prüfgasgasbasierte Roboterschnüffellecksuche empfehlenswert. Dabei wird im Bauteil ein Prüfgasüberdruck von nur 0,1 bar erzeugt, und ein Roboterarm führt den Prüfgassensor automatisch an den Dichtungen des Battery Packs entlang, um gegebenenfalls austretendes Prüfgas zu detektieren. Nun hat man es in diesem Fall mit einem Materialmix zu tun. Denn in diesem Szenario besteht ein etwaiger Leckkanal auf seiner einen Seite aus dem Gehäusematerial, meist Aluminium, und auf seiner anderen Seite aus dem Polymer der Dichtung. Entsprechend sollte man auch die Grenzleckrate, gegen die die Dichtung zu prüfen ist, zwischen den materialtypischen Leckraten mitteln. Für dieses Prüfszenario wäre also eine Grenzleckrate im Bereich 10-4 mbar∙l/s ausreichend (auch wenn das reine Aluminiummaterial eine Prüfung gegen 10-5 bar∙l/s erfordern würde). Eine weitere Option für eine integrale Dichtheitsprüfung des bestückten und versiegelten Battery Packs stellt die Akkumulationsprüfung dar. Dabei ermittelt man in einer simplen Akkumulationskammer, ob Prüfgas aus dem Innern des Prüfteils austritt. Ventilatoren sorgen dafür, dass sich austretendes Prüfgas in der Kammer verteilt und sich darin akkumuliert, um dann vom stationären Sensor detektiert zu werden.

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Vakuum-Methode mit kürzesten Taktzeiten

Andere Bauteile sind Druckdifferenzen gegenüber natürlich deutlich robuster als ein fertiges Battery Pack. Ein noch nicht bestücktes Gussgehäuse aus Aluminium etwa hält auch hohen Druckdifferenzen stand. Für eine Vorprüfung der Dichtheit eines solchen Aluminiumgehäuses bietet sich darum eine Helium-Dichtheitsprüfung in der Vakuumkammer an. Neben ihrer Empfindlichkeit ist der große Vorzug der Vakuummethode ihre hohe Geschwindigkeit: Sie gestattet besonders kurze Taktzeiten in der Fertigungslinie. Das Prüfteil wird bei der Vakuummethode zuerst evakuiert und dann unter einem Druck von 1 bar mit dem Prüfgas Helium befüllt. Um das Prüfteil herum erzeugt man in der Vakuumkammer dann ein Vakuum. So lässt sich austretendes Helium sofort nachweisen. Alternativ arbeitet man sogar mit einem Druck von bis zu 6 bar, reduziert dann aber die Helium-Konzentration auf 15 %.

In jedem Fall ist bei der Vakuummethode die Druckdifferenz so groß, dass sich die Grenzleckrate, gegen die geprüft werden muss, vergrößert – ungefähr um den Faktor 10. Für die völlige Wasserdichtheit eines Aluminiumgehäuses prüft man in der Vakuumkammer also nicht gegen eine Grenzleckrate im Bereich von 10-5 mbar∙l/s, sondern von 10-4 mbar∙l/s. Der grundsätzliche Zusammenhang zwischen den Eigenschaften des Materials im Hinblick auf das Haftvermögen gegenüber Wasser und der entsprechend zu prüfenden Grenzleckrate bleibt aber auch bei der Vakuumprüfung unverändert wirksam: Stahl und Kunststoffe sind am Unkritischsten und Aluminium besonders anspruchsvoll.

Wie strikt muss die Dichtheitsprüfung sein?

Die Schutzklasse IP67, die den Schutz gegen das Eindringen von Wasser in ein Bauteil regelt, legt die Verantwortung letztlich in die Hände des Herstellers. Es ist an ihm, zu entscheiden, wie strikt seine Dichtheitsprüfung sein muss, damit seine Komponente nach einem halbstündigen Wasserbad bei einem Differenzdruck von 0,1 bar noch voll funktionsfähig ist. Will ein Hersteller etwaige Probleme durch einen Wassereintritt völlig ausschließen oder zumindest auf sehr wenige Wassertropfen begrenzen, führt an prüfgasbasierten Methoden letztlich kein Weg vorbei. Entscheidend dafür, welche konkrete Prüfgasmethode infrage kommt, ist, welchen Differenzdruck das Bauteil verträgt. Für die Vorprüfung von Gehäusen bietet sich die sehr schnelle und genaue Heliumprüfung in der Vakuumkammer an. Die Grenzleckrate schließlich, gegen die eine Komponente geprüft werden muss, hängt entscheidend davon ab, aus welchem Material sie gefertigt ist. Gerade das im Fahrzeugbau immer beliebtere Aluminium stellt hier besonders hohe Anforderungen.

* Mark Blaufuß ist Application Engineer Alternative Drive Trains bei der Inficon GmbH.

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