Batterien: Warum wasserdicht nicht gleich wasserdicht ist

In einigen Fällen gibt es eindeutige Vorschriften über die maximal tolerable Leckrate – etwa bei den (oft umweltschädlichen) Kältemitteln in Klimaanlagen. Mitunter wollen vereinfachende Tabellen zeigen, welche Grenzleckraten für welches Medium anzuwenden sind. Leider kann aber für ein und dasselbe Medium nicht immer dieselbe Spezifikation gelten. Anders gesagt: Wasserdicht muss nicht immer wasserdicht bedeuten. Es ist ein Unterschied, ob ein simpler Wischwasserbehälter auf Dichtheit zu prüfen ist oder ob ein Kühlmittelverlust letztlich zum Eindringen von Wasser in die Elektrik oder Elektronik einer Traktionsbatterie führen kann.

Kühlung von Verbrennungsmotor oder Antriebsbatterie

Bei jedem Bauteil gilt es also, eine maximal zulässige Leckagerate für das jeweilige Anwendungsszenario festzulegen. Aus dieser tolerierbaren Leckagerate lässt sich dann eine Grenzleckrate für den Dichtheitstest mit Prüfgas ableiten. In manchen Szenarien kann eine geringe Menge an austretender Flüssigkeit tolerabel sein, während in anderen keinerlei Tropfen aus einem Kühlkreislauf austreten dürfen.

Früher war generell von Wasserdichtheit die Rede, wenn eine Komponente eine Helium-Grenzleckrate von 10^-3 mbar l/s einhielt. Aber die neuralgischen Kühlkreisläufe einer Lithium-Ionen-Antriebsbatterie werden heute meist gegen zehn- bis hundertfach kleinere Leckraten im Bereich von 10^-4 bis 10^-5 mbar l/s geprüft. Denn hier gilt es, strikt zu vermeiden, dass austretendes Kühlmittel mit der Elektronik der Traktionsbatterie in Berührung kommt und eine Kurzschluss- und Feuergefahr auslöst.

Gegen welche Grenzleckrate genau geprüft werden sollte, ist letztlich immer auch vom Betriebsdruck im Kühlsystem abhängig. Der Betriebsdruck ist deswegen so bedeutend, weil die Leckagerate einer Flüssigkeit nicht linear zum Druck steigt, sondern im Quadrat: q~p². Weitere Faktoren, die bei der Definition der Grenzleckrate berücksichtigt werden müssen, sind die typischen Betriebstemperaturen des Systems, die eingesetzten Materialkombinationen und natürlich etwaige gesetzliche Vorschriften.

Leckdurchmesser, Betriebsdrücke und Leckraten

Der Zusammenhang zwischen Druck und Leckageraten lässt sich auch experimentell zeigen. Dazu kann beispielsweise geprüft werden, wie Wasser aus Glaskapillaren von 30 mm Länge, aber mit unterschiedlichen Durchmessern und bei unterschiedlichem Überdruck austritt. Bei einem Leckdurchmesser von 15 µm tritt bei einem Überdruck von 2 bar ein Tropfen pro Stunde aus. Dies entspricht einer Heliumleckrate von 8,45 × 10^-4 mbar l/s. Bei 3,5 bar Überdruck dringen bereits zwei Tropfen pro Stunde durch den Leckkanal (die Leckrate steigt auf 2,03 × 10^-3 mbar l/s), und bei 5 bar Überdruck gelangen in jeder Stunde drei Tropfen durch das Leck (bei einer Leckrate von 3,70 × 10^-3 mbar l/s). Damit in dieser Versuchsanordnung mit Überdrücken zwischen 2 und 5 bar keinerlei Tropfen mehr durch die Kapillare dringen, darf deren Durchmesser nur noch rund 5 µm betragen. Werden diese Ergebnisse aus dem Kapillarenversuch umgerechnet auf eine typische Wandstärke – also auf einen Leckkanal von 2 mm Länge –, ergeben sich bei einem Leckdurchmesser von 5 µm und bei Überdrücken im Bereich zwischen 2 und 5 bar Heliumleckraten in der Größenordnung von 10^-4 mbar l/s.

Blasen- und Druckabfall-Prüfungen nicht zuverlässig genug

Für Traktionsbatterien und die einzelnen Battery Packs, aus denen sie zusammengesetzt sind, folgt daraus: Die Grenzleckraten für die Dichtheitsprüfung an den Kühlkreisläufen in ihrem Innern müssen wenigstens im Bereich 10^-4 mbar l/s definiert werden. Ansonsten bestünde aufgrund des Kurzschlussrisikos Feuergefahr. Zudem könnte ein Überhitzen der Batterie während des Betriebs oder beim Ladevorgang ihre Lebensdauer deutlich verkürzen. Bei Leckraten in der Größenordnung von 10^-4 mbar l/s oder kleiner stoßen Verfahren wie die krude Blasenprüfung oder die temperaturanfällige Druckabfallprüfung an klare Grenzen. In diesen Regionen liefern nur noch prüfgasbasierte Methoden zuverlässige Ergebnisse.

Prüfgasbasierte Methoden sind unverzichtbar

Hier kommen darum Verfahren wie die Akkumulationsmethode oder die Vakuumprüfung infrage. Auch eine (wahlweise robotergestützte) Schnüffellecksuche kann sinnvoll sein, um Lecks genau zu lokalisieren. Vorzüge der etwas aufwendigeren Vakuummethode sind der sehr hohe Durchsatz in der Produktionslinie und die besonders hohe Empfindlichkeit: In einer Vakuumkammer sind problemlos sogar kleinste Helium-Leckraten im Bereich von 10-8 mbar l/s detektierbar.

Unabhängig vom gewählten Prüfgasverfahren ist es immer sinnvoll, das Prüfteil oder das Kühlsystem zu evakuieren, bevor es mit dem Prüfgas befüllt wird. Denn aus einer Kühlmittelleitung, die nicht vollständig mit Prüfgas befüllt ist, wird es auch nicht aus allen möglichen Leckstellen austreten können, sondern – im ungünstigsten Fall – nur die noch enthaltene Luft. Entsprechend bleiben Lecks dann unerkannt.

Oft lohnt auch die Erwägung, bei den Dichtheitstests mit verdünntem Prüfgas zu arbeiten. Gegen welche Leckrate genau zu prüfen ist, hängt dann wiederum vom Verdünnungsgrad ab. In vielen Szenarien kann auch schon die Wahl des Prüfgases Kosten reduzieren. Denn die Akkumulationsmethode und die Schnüffellecksuche lassen sich in den relevanten Leckratenbereichen von 10^-4 bis 10^-5 mbar l/s statt mit teurerem Helium auch auf Wasserstoffbasis realisieren: mit einem unbrennbaren Gemisch aus fünf Prozent Wasserstoff und 95 Prozent Stickstoff – dem handelsüblichen Formiergas. (neu)