Verfahren für die Dichtheitsprüfung von Batterien für E-Autos

Die Batteriefertigung in Deutschland ist derzeit am Wachsen, Erfahrungen in der Serienprüfung von Batterien für Elektrofahrzeuge liegen bei vielen Herstellern häufig jedoch noch nicht vor. Demzufolge herrscht Unsicherheit im Hinblick darauf, welche Prüfmethode die richtige ist und was bei der Auswahl der jeweiligen Methode zu beachten ist. Dieser Beitrag beschreibt die unterschiedlichen Methoden und ihre Vor- und Nachteile sowie die finanziellen Auswirkungen der gewählten Prüfmethode auf die qualitätsbezogenen Kosten (Bild 1).

Testplanung und -entwicklung schon während der Produktentwicklung

Bild 2: Rückrufaktionen aufgrund von Qualitätsmängeln an Batterien sind seit 2010 stark angestiegen und schädigen den Ruf des Herstellers. JW Froehlich, KBA

Soll ein neu entwickeltes Produkt auf den Markt kommen, so muss dieses Produkt eine so hohe Qualität aufweisen, dass es nach Markteinführung keine Reklamationen gibt und die Produkthaftung nicht in Anspruch genommen werden muss. Nichts schädigt den Ruf eines Unternehmens mehr als mangelhafte Produkte oder Produktfehler, die Schäden an Leib und Leben verursachen. Bis das Vertrauen der Kunden nach einer Rückrufaktion wiederhergestellt ist, kann es sehr lange dauern, die finanziellen Folgen wirken sich massiv auf Umsatzentwicklung und Gewinn des Unternehmens aus – manchmal für Jahre. Aus Expertenbefragungen im Automobilbau ist bekannt, dass konzeptbedingte Fehler am Garantie- und Kulanzvolumen etwa 30 bis 40 Prozent ausmachen. So konstatiert das Kraftfahrt-Bundesamt seit Jahren eine steigende Anzahl an Rückrufaktionen (Bild 2).

Insofern sind Produktentwickler und Qualitätsingenieure gut beraten, im Produktentstehungsprozess bereits von Anfang an die geforderte Qualität des Produkts im Auge zu behalten. Dies umfasst auch die rechtzeitige Klärung möglicher Fertigungs- und Prüfverfahren, um später in der laufenden Produktion die Qualität des Produkts sicherstellen und prüfen zu können. Deshalb sollte die Test-planung und -entwicklung als Basis für die Verifizierung und Validierung definierter Produktmerkmale und -anforderungen bereits während des Entwicklungsprozesses erfolgen. Das Ziel der Testplanung besteht in der Vorbereitung belastbarer Produktfreigabeentscheidungen. Gleichzeitig besteht die Herausforderung, die Kosten für die Qualitätssicherung so gering wie möglich zu halten.

Verfahren der Dichtheitsprüfung

Tabelle 1: Ein Überblick über mögliche Mess- und Lokalisierungsverfahren von Leckagen. JW Froehlich

Im Rahmen der Testplanung gilt es zunächst, konkrete Prüfverfahren und Prüfparameter festzulegen. Diese Festlegung erfordert fundiertes Fachwissen, welche Prüfmethoden und -verfahren generell geeignet sind, die Dichtheit eines Produkts nachzuweisen. Steht fest, welches Prüfverfahren für das konkret zu testende Produkt zur Anwendung kommen soll, so besteht eine weitere Herausforderung darin, die Prüfparameter zu definieren sowie die zugehörigen Ausschussgrenzen. Bei der Festlegung der Ausschussgrenzen gilt es, den optimalen Wert zu finden. Sind die Grenzwerte zu eng definiert, besteht die Gefahr zu vieler Ausschussteile. Sind die Grenzwerte zu weit gefasst, ist das Produkt vielleicht dicht, aber möglicherweise nicht dicht genug für die spätere Anwendung (Bild 3).

Beispielhaft wird hier für eine E-Batterie das Qualitätsmerkmal „Dichtheit gegenüber der Umwelt“ betrachtet. Gemäß der Norm 1779 wird die Dichtheit eines Objekts mittels Messung der Gasleckagerate bestimmt. Dabei wird die Dichtheit als Strömungsrate eines Fluids in ein Prüfobjekt oder aus einem Prüfobjekt heraus beschrieben. Alternativ erfolgt die Angabe der Dichtheit – bezogen auf ein Gas – als Änderung des Druckes mit der Zeit unter definierten Bedingungen. Demzufolge ist die Einheit der Leckagerate (oder kurz: Leckrate) dieselbe wie die des Gasdurchflusses, d.h. Pa·m³/s oder mbar·cm³/min. Eine Tabelle zur Umrechnung der Einheiten der Leckrate ist im Anhang B der Norm DIN EN 1779 zu finden. Die Leckrate ist demnach das entscheidende Kriterium zur Beurteilung der Dichtheit der E-Batterie.

Wie lässt sich die Leckrate bei E-Batterie erfassen

Doch wie lässt sich die Leckrate erfassen? Ein Blick in die Norm zeigt, welche Methoden und Verfahren grundsätzlich für die Dichtheitsprüfung geeignet sind (Tabelle 1).

Bei der Auswahl eines für die Dichtheitsprüfung der E-Batterie geeigneten Prüfverfahrens sind verschiedene Kriterien zu berücksichtigen, da nicht jedes Verfahren für ein Prüfobjekt dieser Größe geeignet ist. Bei der Testplanung gilt es daher, das zur Anwendung kommende Verfahren sorgfältig auszuwählen. Die Auswahl erfolgt unter Berücksichtigung folgender Prüfparameter, die eine hohe Bedeutung für die Messung haben:

• Prüfvolumen (hier: das innere Volumen der E-Batterie)
• Prüfzeit (die sich aus der Zeit für das Füllen, den Abgleich und das Messen zusammensetzt)
• Prüfdruck (das ist der Druck des Gases, mit dem das Prüfobjekt beaufschlagt wird)
• Grenzleckrate (das ist der maximale Wert der Leckrate, ab dem das Prüfobjekt als undicht gilt)

Erfassung des Gasstroms in das Prüfobjekt

Bild 3: Die Normenlandschaft für die Dichtheitsprüfung von Batterien für E-Fahrzeuge. JW Froehlich

Es gibt drei Vakuum-Verfahren, bei dem der leckageabhängige Gasstrom in das Prüfobjekt erfasst wird. Beim ersten Verfahren wird das sich in einer Prüfkammer befindliche Prüfobjekt evakuiert und an einen Detektor angeschlossen. Die Prüfkammer wird anschließend mit dem Prüfgas, normalerweise Helium, befüllt, der Gasstrom in das Prüfobjekt hinein mit Hilfe des Detektors erfasst. Dieses Verfahren scheidet für die Dichtheitsprüfung von E-Batterien aus, da die Prüfkammer sehr groß sein müsste, damit die Batterie überhaupt Platz darin findet. Zudem wären entsprechende Mengen an Helium erforderlich, um die Prüfkammer bis zu einer bestimmten Konzentration zu befüllen.

Beim zweiten Verfahren werden mögliche Leckstellen der evakuierten E-Batterie mit einer gasdichten Folie, die mit Prüfgas befüllt wird, abgedeckt. Der sich einstellende Gasstrom wird mit dem Detektor erfasst. Auch beim dritten Verfahren wird die Batterie ebenfalls evakuiert und an den Detektor angeschlossen. Danach wird die mögliche Leckstelle mit dem Prüfgas besprüht, wobei die Gefahr besteht, dass der Prüfer vorhandene Leckagen übersieht und damit auch nicht erkennt.

Erfassung des Gasstroms aus dem Prüfobjekt

In diesem Feld existieren sieben Prüfverfahren. Beim ersten Verfahren wird das Prüfobjekt zuerst evakuiert und anschließend mit gasförmigem Ammoniak gefüllt. Auf mögliche Leckstellen wird Farbe aufgetragen, die auf austretendes Ammoniak mit einem Farbumschlag reagiert. Auf diese Weise ist zwar eine Lokalisation einer Leckage möglich, nicht aber deren quantitative Erfassung. Beim zweiten Verfahren wird das Prüfobjekt mit Prüfgas befüllt und in eine Vakuumglocke verbracht, die anschließend evakuiert und an den Gasdetektor angeschlossen wird. Es ist einleuchtend, dass dieses Verfahren für eine E-Batterie allein schon aufgrund ihrer Größe nicht geeignet ist. Selbst wenn eine kleine Vakuumglocke zum Einsatz kommt, mit der die zu untersuchenden Stellen auf Dichtheit geprüft werden, besteht die Herausforderung in der Abdichtung der Vakuumglocke. Das dritte Verfahren erfordert einen zweiseitigen Zugang zum Prüfobjekt, wobei auf der einen Seite des Prüfobjekts die Vakuumglocke angebracht und die andere Seite mit Prüfgas besprüht wird. Für die Dichtheitsprüfung einer E-Batterie ist das Verfahren ebenfalls nicht praktikabel.

Weitere Verfahren nutzen jeweils eine Prüfkammer sowie einen Prüfgasdetektor. All diesen Verfahren ist gemeinsam, dass das Prüfobjekt mit dem Prüfgas – meist Helium – unter Druck gesetzt wird. Der angeschlossene Prüfgasdetektor erfasst das durch die Leckstellen austretende Prüfgas. Die Schnüffelprüfung benötigt keine Prüfkammer. Das Prüfobjekt wird hierbei bis zu einem bestimmten Druck mit Helium befüllt und eine Schnüffelsonde detektiert das aus möglicherweise vorhandenen Leckstellen austretende Helium. Die Empfindlichkeit der Messung hängt stark von der Entfernung der Schnüffelspitze zum Prüfobjekt und von der Geschwindigkeit ab, mit der die Schnüffelspitze am Prüfobjekt vorbeigeführt wird. Einen zentralen Einfluss darauf hat der Prüfer, der die Schnüffelprüfung durchführt. Der Prüfereinfluss lässt sich eliminieren, wenn ein Roboter die Schnüffelspitze an potenziellen Leckstellen vorbeiführt.

Lecklokalisierung sowie Druck- und Strömungsmessung

Bild 4: Schematische Darstellung eines Batteriegehäuses. Jede Verschraubung stellt eine potenzielle Leckstelle dar. JW Froehlich

Für die Lokalisierung von Leckstellen kommen unterschiedliche Blasennachweisverfahren zum Einsatz, bei denen der Prüfling in eine Flüssigkeit eingetaucht oder damit besprüht wird. Eines dieser Verfahren findet im Vakuum statt.

Bei der Druckabfallprüfung wird das Prüfobjekt mit Druckluft beaufschlagt und der Druckabfall über eine bestimmte Zeit gemessen. Die Herausforderung bei diesem Verfahren besteht darin, die Prüfbedingungen konstant zu halten, da sich z.B. schon ein Temperaturgradient im Prüfobjekt auf die Messergebnisse auswirken kann. Die Druckanstiegsprüfung funktioniert genau anders herum: das Prüfobjekt wird evakuiert und der Druckanstieg im Inneren über eine gewisse Zeit erfasst. Für den Druckänderungstest wird eine Prüfkammer benötigt, weshalb aufgrund der Größe des Prüflings dieses Verfahren nicht praktikabel ist für den Batterietest. Die Strömungsmessung arbeitet mit einer Druckdifferenz, wobei der Gasfluss, der nötig ist, um diese Druckdifferenz konstant zu halten, ein Maß für die Dichtheit ist.

Mögliche Leckstellen bei Batterien

Konstruktionsbedingt ergeben sich bei einer Batterie mehr oder weniger mögliche Leckstellen, besonders kritisch sind Verschraubungen (Bild 4), Schweißnähte, Klebestellen und Dichtungen. Zusammengefasst lässt sich feststellen, dass sich die Schnüffelprüfung, die Druckabfallprüfung, die Druckanstiegsprüfung und die Strömungsmessung für die Dichtheitsprüfung einer E-Batterie besonders gut eignen, da sich der Aufwand für den Prüfaufbau in Grenzen hält. Die Schnüffelprüfung lokalisiert die Leckstelle und die anderen Verfahren messen die Leckage.

Was die Qualitätssicherung von E-Batterien kostet

Im Folgenden stehen beispielhaft die Kosten für die Dichtheitsprüfung mittel Schnüffler und Druckabfallprüfung im Fokus. Gemäß der Prüfnorm ist mit der Schnüffelprüfung eine Leckrate von bis zu 10^-7 Pa·m³/s (= 10^-6 mbar·l/s, Virendichtheit) nachweisbar, mit der Druckabfallprüfung – abhängig vom Prüfvolumen, von der Prüfzeit und der Ausrüstung – eine Leckrate bis zu 10^-5 Pa·m³/s (= 10^-4 mbar·l/s, Bakteriendichtheit). Für die Schnüffelprüfung ist jedoch Helium notwendig, das in der Bereitstellung deutlich teurer ist als Druckluft. Für ein bestimmtes Qualitätsmerkmal setzen sich die Prüfkosten aus den folgenden Teilen zusammen: Prüfkosten für das Qualitätsmerkmal, Nutzungszeit für Prüfmittel, Abschreibungskostensatz, Instandhaltung- und Reparaturkostensatz, Kostensatz für Hilfsstoffe, Arbeitsschutzmittel, geringwertige und schnell verschleißende Arbeitsmittel, Flächennutzungszeit, Energiekosten, Arbeitszeit und Kosten für das Prüfpersonal.

Abgesehen von den höheren Investitionskosten, die für die Einrichtung einer Prüfstation für die Schnüffelprüfung anfallen (Heliumschnüffler, Roboter für das automatisierte Abfahren aller potenziellen Leckstellen, etc.), fallen insbesondere die Kosten für Hilfsstoffe ins Gewicht. Helium ist ein Edelgas, dessen Preis in den vergangenen Jahren massiv angestiegen ist und in den kommenden Jahren aufgrund der wachsenden Nachfrage (besonders aus dem Gesundheitswesen) weiter ansteigen wird. Die technische Ausstattung (Kompressor etc.) für die Erzeugung von Druckluft für die Dichtheitsprüfung mit Druckluft ist in den meisten Industrieunternehmen sowieso schon vorhanden, die Investitionskosten lassen sich damit anteilig berücksichtigen. Ins Gewicht fallen die Energiekosten für den Betrieb der Pressluftanlage.

Viele Industrieunternehmen nutzen heute schon die bei der Drucklufterzeugung entstehende Abwärme, so dass Druckluft sehr kosten- und energieeffizient herstellbar ist. Das Helium für die Schnüffelprüfung ist im Großhandel für Industriegase zu beschaffen, wobei aktuell für 30 m³ Helium bei einem Druck von 6 bar etwas mehr als 6.000 Euro anfallen. Im Vergleich dazu würde die Erzeugung der gleichen Menge an Druckluft mit Berücksichtigung der Strompreise in 2021 weniger als einen Euro kosten.

Natürlich gilt es, die Kosten auf eine einzelne Prüfung herunterzurechnen, doch dieser erste, grobe Vergleich zeigt, dass das Schnüffelverfahren allein bezogen auf die Kosten für Hilfsstoffe ungleich teurer ist als das Druckabfallverfahren. Dies gilt auch insbesondere dann, wenn die jeweiligen Investitionskosten betrachtet werden, die für die Schnüffelprüfung auch deutlich höher ausfallen. Weiterhin wirkt sich bei der Schnüffelprüfung die deutlich längere Prüfzeit auf die Höhe der Prüfkosten aus.

(na)

(na)