Interdigitalsensor zur Messung von Leckagen bei Batteriebelüftungssystemen

Die Elektromobilität hat auch in Deutschland Fahrt aufgenommen: Nachdem sich schon 2020 die Neuzulassungen von PKW mit reinem Elektroantrieb gegenüber dem Vorjahr mehr als verdreifacht hatten, stiegen sie 2021 noch einmal um über 80 Prozent. Autobauer freuen sich über Aufträge, die Bundesregierung über sinkende CO2-Emissionen und Ingenieure über spannende Herausforderungen. In diesem Beitrag geht es um die Lösung eines physikalischen Problems.

Sicherheitsfaktor Batteriebelüftung
Lithium-Ionen-Batterien sind sicherheitskritische Komponenten in E-Fahrzeugen, denn Lithium ist ein sehr reaktionsfreudiges Metall. Bei der Reaktion mit Wasser entstehen unter großer Wärmeentwicklung ätzende Lithiumlauge sowie leicht entzündlicher Wasserstoff. Ein Eindringen von Wasser in die Batteriezellen muss daher unbedingt verhindert werden. Andererseits können die Batterien aber nicht hermetisch abgedichtet werden, da die Druckunterschiede zwischen Batterieinnerem und Batterieumgebung zu Gehäuseverformungen führen würden.
Um einen Druckausgleich durch Ausgasen der Batterie zu ermöglichen, kommen Belüftungssysteme zum Einsatz, deren Membranen einerseits einen ungehinderten Gasaustritt erlauben, andererseits aber eine sichere Barriere für Wasser und Partikel darstellen.

Herausforderung für die Qualitätssicherung
Weltmarktführer für Batteriebelüftungssysteme ist der Filterspezialist MANN+HUMMEL. Das in Familienbesitz befindliche Unternehmen produziert mit 22.000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern an über 80 Standorten Flüssigkeits- und Luftfiltersysteme und andere Lösungen für zahlreiche Branchen. Für den Einsatz in E-Fahrzeugbatterien entwickelte man bei MANN+HUMMEL ein innovatives Belüftungssystem, das auf einer neuartigen, elastischeren Membran basiert. Um bei der Fertigung sicherzustellen, dass die verbauten Membranen keine Leckagen aufweisen, bedurfte es allerdings auch eines neuen Prüfverfahrens.

Die bis dato verwendeten Membranen bestanden aus nicht leitfähigem Material und konnten mithilfe eines Prüfstroms leicht auf Undichtigkeit getestet werden – denn sobald Feuchtigkeit die Membran durchdrang, wurde diese leitend. Bei den neuen Membranen hingegen, deren Material selbst leitfähig ist, ist dies nicht möglich. Um diese Herausforderung für die Qualitätssicherung zu lösen, holte MANN+HUMMEL NewTec mit ins Boot.

Leitfähig oder nicht leitfähig?
Ausgehend von einer Analyse der physikalischen Gegebenheiten evaluierten die NewTec-Spezialisten zunächst verschiedene optische und elektrische Verfahren. Die schließlich entwickelte Lösung basiert auf einer Sensorstruktur mit kamm- oder fingerartig ineinander greifenden Elektroden (sog. „Interdigitalsensor“), die durch eine Isolationsschicht elektrisch von der Membran getrennt ist. Diese dünne Isolationsschicht wird in einem speziell entwickelten Verfahren auf die Membran aufgebracht. Sobald nun wegen einer Leckage auf der Sensorstruktur Feuchtigkeit entsteht, kann diese wieder – ähnlich wie bei den Membranen der vorhergehenden Generation – mittels Prüfstrom detektiert werden. Eine eingebaute Heizung verhindert dabei Fehlalarme: Geringe Feuchtigkeit, die nicht durch die Membran eingedrungen, sondern z. B. durch Kondensation entstanden ist, wird vor der Messung verdunstet.

Um MANN+HUMMEL ein einbaufertiges Qualitätssicherungssystem für die Membranproduktion zur Verfügung stellen zu können, entwickelte das NewTec-Team zudem eine Auswertelektronik und programmierte eine Software, die das Sensorsignal für eine externe speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) übersetzt. Für die funktionale Absicherung des Prüfsensors sorgen verschiedene Safety-Funktionen zur Überwachung der Funktionalität von Sensor, Leitungen und Software. Schließlich konstruierte NewTec noch ein passendes Gehäuse für Sensor und Auswertelektronik. Pünktlich zum Serienstart verfügte MANN+HUMMEL somit über eine sichere Prüftechnologie für die neuen Hochleistungsmembranen.