Verhinderung eines thermischen Durchgehens in Batterien

Die größte Gefahr für Batterien ist das thermische Durchgehen, bei dem die erzeugte Wärme die Verlustleistung übersteigt und eine Reihe exothermer Reaktionen auslöst. Dies kann zu Bränden und einem Totalausfall der Batterie führen und andere Fahrzeugkomponenten beeinträchtigen. Um ein thermisches Durchgehen zu verhindern und einzudämmen, umfasst das Batteriedesign Kompressionspolster, Modulgehäuse und Batteriegehäuse. Zwischen den Zellen werden Kompressionspolster angebracht, um eine Wärmeausbreitung zu verhindern, während Modulgehäuse Zellen gruppieren, um ein thermisches Durchgehen innerhalb der Module einzudämmen. Schließlich sind diese Module in einem Batteriegehäuse untergebracht, um die anderen Teile des Fahrzeugs vor thermischem Durchgehen zu schützen.

Design des Batteriegehäuses

Batteriegehäuse für Elektrofahrzeuge variieren je nach Batterietyp, Kühlanforderungen, Modulverteilung und Anwendung erheblich in Design, Form und Größe. Im Allgemeinen besteht ein Modulgehäuse aus:

1. Ein Basisgehäuse,

2. Ein Außengehäuse,

3. Eine Verbindungsplatte, die interne und externe Komponenten verbindet,

4. Ein Auslassventil für den Druckausgleich oder die Gasfreisetzung bei thermischem Durchgehen.

Materialauswahl für Batteriegehäuse

Für Batteriegehäuse verwendete Materialien müssen eine hohe thermische Leistung, gute mechanische Eigenschaften und ein geringes Gewicht aufweisen. Traditionell werden Aluminium und Stahl wegen ihrer Hitzebeständigkeit und Eignung für die Massenproduktion bevorzugt. Allerdings kann die Masse von Metallmaterialien nicht gut kontrolliert werden, insbesondere bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen, bei denen eine geringere Fahrzeugmasse eine höhere Energiedichte und eine größere Reichweite bedeutet. Derzeit können Batterien bis zu 50 % der Gesamtmasse eines Fahrzeugs ausmachen.

Kompositmaterialien

Verbundwerkstoffe bieten eine leichte Alternative und können Metalle in vielerlei Hinsicht übertreffen, obwohl sie komplexer und kostspieliger sind. Beispielsweise ersetzte ein für Motorsportkunden entwickeltes kohlenstofffaserverstärktes Polymergehäuse ein Aluminiumgehäuse mit einem Gewicht von 6,7 kg (14,8 lbs) durch ein Verbundgehäuse mit einem Gewicht von nur 616 g (1,35 lbs), wodurch eine Gewichtsreduzierung von 91 % erreicht wurde. Aufgrund ihrer hohen thermischen und mechanischen Leistung wurden Duroplast-Prepregs aus Kohlefaser verwendet. Kohlefaser sorgt für Festigkeit und Steifigkeit, während hochwertige Harzsysteme wie Epoxidharz vorimprägniert sind. Manuelle Auflegeprozesse, lange Aushärtezeiten und die Abhängigkeit von Autoklaven schränken jedoch die Produktion von Prepreg-Batteriegehäusen ein.

Ein weiterer Vorteil von Verbundwerkstoffen ist die Möglichkeit, die Faserausrichtung zu optimieren, um den spezifischen Belastungsanforderungen jedes Batteriegehäuses gerecht zu werden. Die Finite-Elemente-Analyse (FEA) wird im Designprozess häufig eingesetzt, um die Faserrichtung und die erforderliche Anzahl von Schichten zu bestimmen und so eine hohe Steifigkeit und Festigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht sicherzustellen. Die isotropen Eigenschaften von Metall bieten immer noch Vorteile und werden häufig bei Schraubverbindungen eingesetzt, um zusätzliche Festigkeit und Steifigkeit zu bieten. Software wie Hypermesh und Optistruct simulieren die anisotropen Verbundmaterialien von Batteriegehäusen.

Elektrische Isolierung

Ein weiterer Gesichtspunkt bei der Entwicklung von Batteriegehäusen ist die elektrische Isolierung. Da Kohlefaser leitfähig ist, werden Glasfaserschichten in das Laminat integriert, um bestimmte elektronische Komponenten zu isolieren.

Zertifizierung

Um die thermische Leistung von Batterien und Gehäusen sicherzustellen, müssen sie für die Zertifizierung verschiedene Sicherheitstests und Standards bestehen. Der erste Standard ist UN38.8, der die Sicherheit von Lithiumbatterien während des Transports durch acht Tests gewährleistet, darunter Höhensimulation, thermische Tests, Vibration, Schock, externer Kurzschluss, Stoß und Quetschung, Überladung und Zwangsentladung. Batterien müssen außerdem gemäß ECE R100 REV2 zertifiziert werden, das die notwendigen Tests für Lithiumbatterien beschreibt, die in vierrädrigen Elektrofahrzeugen zum Transport von Personen oder Gütern eingebaut sind. In der Luftfahrt müssen andere Standards wie DO311A und DO160G berücksichtigt werden.

Batteriethermische Simulation

Bei Batteriegehäusen müssen Verbundwerkstoffe die UL94-Entflammbarkeitssicherheitsstandards erfüllen und mehrere Oberflächen-, vertikale und horizontale Brenntests umfassen. Das Material wird über einen bestimmten Zeitraum hinweg mehrmals mit kontrollierten Flammen beflammt. Die Brenndauer des Materials sowie Anzeichen von Durchbrennen oder brennenden Tropfen bestimmen, ob es die UL94-Bewertungen V0, V1 oder V2 erfüllt. Je schneller die Flamme von selbst erlischt, desto höher ist die Widerstandsfähigkeit des Materials, wobei V0 die höchste Bewertung ist und innerhalb von 10 Sekunden erlischt, ohne dass brennende Tropfen entstehen.