E‑mobiliteit creëert nieuwe lekkagedetectie-uitdagingen voor voertuigveiligheid

De huidige snelle en onverwachte groei in de productie van voertuigen met alternatieve aandrijvingssystemen geeft automakers en hun productiepartners een breed scala aan lekkagedetectie-uitdagingen om voertuigkwaliteit te waarborgen.

Tractiebatterijsystemen geproduceerd voor Battery Electric Vehicles (BEVs) en Plug-In Hybrid Electric Vehicles (PHEVs), moeten bijvoorbeeld beschermd worden tegen water en vocht die de batterijlevensduur kunnen verminderen of branden kunnen veroorzaken. Fuel-cell Electric Vehicles (FCEVs) hebben ook unieke lektestvereisten, met name voor waterstoftanks, brandstofcellen en de batterijen hun electromotoren aandrijven.

INFICON heeft een uitgebreide 50-pagina gids gepubliceerd over lektesten voor elektrische en brandstofcel-voertuigen voor productie- en kwaliteitscontrole-ingenieurs. De gids bespreekt lekkagedetectiemethoden voor een breed scala aan toepassingen, inclusief batterijcellen, batterijbehuizingen, electromotoren, motorkoelcircuits, brandstofcellen en waterstoftanks. Elektronische componenten, besturingsmodules en ADAS-sensoren worden ook behandeld.

EV-veiligheidszorgen groeien met verkoop

Het zijn niet alleen personenauto's die elektrisch zullen gaan. Een recent onderzoek van McKinsey & Co. en het World Economic Forum ziet een grote verschuiving van verbrandingsmotoren naar elektrische aandrijvingssystemen voor commerciële voertuigen. Naarmate EV-productie toeneemt, zullen kwaliteitszorgen ook vermenigvuldigen.

Betrouwbare lektesten zijn cruciaal doorheen het productieproces. EV-batterijcellen, batterijpakketten, batterijkoelcircuits, electromotoren en andere systemen aangepast voor EV-toepassingen vereisen allemaal lektesten om zowel kwaliteit als veiligheid te verzekeren. Lektesten zorgen ervoor dat batterijcel-elektrolyt niet lekt of in contact komt met water tijdens elke fase van batterijproductie. Het is ook belangrijk om de integriteit van batterijmodules en batterijpakketbehuizingen te verzekeren. Waarom? Batterijcel-elektrolyt is brandbaar en kan voertuigbranden veroorzaken.

Schade aan batterijcellen tijdens transport naar een OEM-assemblagefabriek moet ook overwogen worden. De "thermale ontlading" van een enkele batterijcel kan brandend elektrolyt laten bereiken temperaturen tot 1.100°C (2.012°F).

Lektestmethoden voor batterijcellen

Tegenwoordig verwachten automakers dat een lithium-ion batterij een levensduur heeft van tot 10 jaar of meer. Om uitgebreide cellenlevensduur te bereiken, moeten lektempo's voor prismatische en cilindrische batterijcellen binnen een bereik van 10^-6 tot 10^-8 mbar·l/s vallen. Pouch-cellen moeten getest worden op grote of zogenaamde grove lekken, alsook op extreem kleine "capillaire" lekken.

Nieuwe lekkagedetectiesystemen gebaseerd op massaspectrometer-technologie zijn nu in staat lekken 1.000 keer kleiner te detecteren dan voorheen mogelijk. Een INFICON ELT3000 testapparaat kan bijvoorbeeld lekken identificeren met een diameter van slechts een paar micron. Een flexibele testkamer ontworpen om schade aan pouch-cellen te voorkomen, is ook ontwikkeld door INFICON om vacuümtesten van pouch-cellen te ondersteunen.

Lektesten voor batterijpakketbehuizingen

Batterijpakketbehuizingen vereisen specifieke lekkagedetectievereisten omdat ze batterijmodules en cellen beschermen tegen water. Afhankelijk van waar ze zich bevinden, moeten behuizingen voldoen aan IP67 of IP69K beschermingsklasseeisen. Behuizingen voor elektrische componenten zoals lithium-ion batterijen, stroombeheereenheden, electromotoren en elektronische modules zijn vaak ontworpen volgens IP67. (Testen volgens IP67 vereist dat een component volledig functioneel is na onderdompeling in water op een diepte van 1 m gedurende 30 minuten.)

De snelste en meest nauwkeurige manier om componenten op de productielijn te testen, is testen op helium tracergas in een vacuümkamer. Een andere optie voor het testen van zowel gemonteerde als niet-gemonteerde behuizingen is een accumulatiestest, wat langere cyclus tijden vereist.

Als een fabrikant de integriteit van pakkingen of zegels op een al gemonteerd batterijpakket wil testen, is vacuümtesten geen optie. Drukverschillen met dit type testen kunnen pakkingen beschadigen of al geïnstalleerde condensatoren vernietigen. Als alternatief wordt tracergas-gebaseerde "sniffer" lekkagedetectie aanbevolen voor batterijpakketten en gemonteerde behuizingen.

FCEVs en hun componenten

Lektesten voor FCEVs die waterstoftechnologie gebruiken, is ook onmisbaar niet alleen voor hun waterstoftanks, maar ook voor de brandstofcellen en batterijpakketten die stroom leveren aan hun electromotoren. FCEVs en BEVs delen een aantal componenten met vergelijkbare lekkagedetectievereisten. Beide worden aangedreven door electromotoren aangedreven door lithium-ion batterijen, hoewel FCEV-batterijen veel kleiner zijn en minder opslagcapaciteit hebben.

FCEVs genereren hun eigen elektriciteit en hun brandstofcel-stapels; hoge- en lage-temperatuur koelcircuits; en waterstoftanks, leidingen en recirculatie-systemen moeten allemaal lekgetest worden.

Sensoren en elektrische aandrijfmotoren

Of het nu een BEV of FCEV is, de sensoren, besturingsmodules en elektrische aandrijfmotoren van een voertuig vereisen allemaal een vorm van lektesten. Water is de primaire vijand van elk voertuig's elektrische componenten. Water- en vochtdichtheid zijn daarom kritisch belangrijk, met name voor autonome of Advanced Driver Autonomous Systems (ADAS).

Voertuigsensoren worden vaak getest met minder gevoelige, sterk temperatuurafhankelijke drukvaltests. ADAS-fabrikanten volgen echter een zero-defect strategie die 1.000 keer betrouwbaarder is dan een Six Sigma-benadering die 3,4 fouten per miljoen gevallen toelaat. Sensoren gebruikt voor radar- en LiDAR-technologieën moeten niet alleen waterdicht zijn, ze moeten ook gasdicht zijn – volledig afgedicht van vocht.

Bewerkt uit informatie geleverd door INFICON.

INFICON's e-book is ontworpen voor productieingenieurs en kwaliteitscontrolemanagers, alsook voor engineering-studenten. Gratis te downloaden.