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6 Lesen Sie mehr auf zukunftstechnologien.info Dieser Artikel ist in Zusammenarbeit mit FREUDENBERG SEALING TECHNOLOGIES entstanden. Gamechanger: Innovativer Druckausgleich für Batterien von Elektrofahrzeugen 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. Text Miriam Rauh 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. 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 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. Produktlösungen reichen vom kombinierten Druckausgleich und der Notentgasung 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, ILLUSTRATIONEN: FREUDENBERG SEALING TECHNOLOGIES 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. Mehr Informationen unter: fst.com/de/sealing/ produkte/spezialdichtungen/diavent
Lesen Sie mehr auf zukunftstechnologien.info 7 Chance für Halbleiter: Europa Die aktuelle Halbleiterkrise macht vielen Industrieunternehmen zu schaffen, insbesondere der Automobilindustrie. Wofür werden Halbleiter benötigt, was verursacht den Mangel und gibt es eine Lösung für das Problem? Text Miriam Rauh Halbleiter sind Bestandteile von Mikrochips, die unter anderem Assistenzsysteme und Airbags steuern, aber auch das Brems- oder Fahrverhalten von Antriebssystemen regeln. Ein Mangel an Halbleitern hat gravierende Auswirkungen auf viele Automobilunternehmen auf der ganzen Welt. Die Folge sind Stopps in Produktionen, Kurzarbeit für Mitarbeitende und Abstriche bei den verbauten Assistenzsystemen von Neuwagen. Silizium gilt aufgrund seiner guten technologischen Verarbeitbarkeit und seiner physikalischen Eigenschaften als idealer Halbleiter. Moderne Leistungshalbleiter, eine Schlüsseltechnologie für beispielsweise Elektromobilität, bestehen aus diesem Grund häufig aus Siliziumcarbid, SiC. Auch Galliumnitrit, GaN, kommt für Leistungshalbleiter zum Einsatz. Ursachen des Mangels Durch Digitalisierung und Mikroelektronik wächst der Halbleiterbedarf: Ende November 2021 prognostizierte die World Semiconductor Trade Statistics ein Wachstum von 25,5 Prozent für 2021 und weiteren 8,8 Prozent für 2022, getrieben vor allem durch den Bedarf in Europa und Asien. Die Eigenschaft der Halbleiter, ein Verfallsdatum zu haben und nicht beliebig lagerfähig zu sein, steigende Nachfrage sowie Versorgungsengpässe insbesondere durch geopolitische Spannungen haben zu Problemen beim Nachschub geführt. Während auf der einen Seite Rohstoffe knapper wurden, hat die Corona-Pandemie zusätzlich für Turbulenzen im Chipmarkt gesorgt. Corona-bedingte Ausfälle bei Automobilherstellern führten zu Reduktionen oder sogar Stornierungen von Halbleiterbestellungen, gleichzeitig wurden mehr Chips für die Kommunikationsund Unterhaltungselektronik geordert. Bedarf höher als Bestand Als im dritten Quartal 2020 die Automobilverkäufe weltweit anzogen, war der Bestand an komplexen Chips, wie sie für die Automobilindustrie benötigt werden, geringer als der Bedarf. Er konnte zudem nicht kurzfristig ausgeglichen werden, da zur Produktion Vorlaufzeiten von mehreren Monaten nötig sind. Millionen von Autos, die für 2021 geplant waren, wurden aus diesem Grund nicht gebaut. Laut Einschätzung der Unternehmensberatung AlixPartners wird diese Situation noch bis ins Jahr 2024 die Produktion bremsen. Dies liegt auch daran, dass Elektroautos, die in den kommenden Jahren verstärkt produziert werden, im Vergleich zu Verbrennermodellen einen deutlich höheren Bedarf an Chips pro Fahrzeug haben. Lösung in Sicht? Verschiedene Halbleiterhersteller haben bereits eine deutliche Aufstockung ihrer Produktion angekündigt, um der Halbleiterkrise entgegenzuwirken und die steigende Nachfrage zu befriedigen. Auch hohe Abhängigkeiten von Lieferketten und Zulieferern sollen reduziert werden. Dafür werden alternative Bezugsquellen geprüft und europäische Kompetenzen aufgebaut. Europa nimmt derzeit nur zehn Prozent des globalen Halbleitermarktes ein. Das Wachstumspotenzial ist hier besonders hoch. ANZEIGE POWER THE FUTURE ROHM GENERATION 4 SiC LEISTUNGSBAUELEMENTE Als Technologieführer trägt ROHM zur Verwirklichung einer nachhaltigen Gesellschaft bei, indem es sich auf die Entwicklung von emissionsarmen Technologien für Automobil- und Industrieanwendungen fokussiert – mit Power-Lösungen, die auf SiC-Technologie basieren. Mit einem firmeneigenen, vertikal integrierten Fertigungssystem bietet ROHM qualitativ hochwertige Produkte und eine stabile Versorgung des Marktes. Machen Sie den nächsten Entwicklungsschritt mit unseren SiC-Leistungsbauelementen der Generation 4: www.rohm.com/products/sic-power-devices
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