Die faltbare Dichtung beseitigt Probleme bei der Abdichtung des Akkupacks

Jul 06, 2023

Amir Yazdani und Andreas Proksch untersuchen, wie die neue Faltdichtung von Dätwyler die Herausforderungen bestehender Technologie meistert

Sicherheit und Effizienz stehen heute im Fokus der Entwickler von Batteriesystemen. Batterien für neue Mobilitätslösungen stellen im Vergleich zu Batterien für Verbrennungsmotoren (ICE) neue Herausforderungen dar. Probleme wie thermisches Durchgehen und Korrosion von Batteriekomponenten könnten zu Situationen führen, die die Insassen gefährden oder die Lebensdauer der Batterie erheblich verkürzen. Um diese Risiken zu mindern, ist die ordnungsgemäße Abdichtung der Batterie in ihrem Gehäuse von entscheidender Bedeutung, da die Abdichtung die erste Verteidigungslinie gegen unerwünschte negative Einflüsse darstellt. Die Batterie muss ordnungsgemäß abgedichtet sein, um das Eindringen von Staub und Feuchtigkeit zu verhindern. Bei der elektrischen Erdung des Deckels muss auch die elektrische Leitfähigkeit der Dichtung berücksichtigt werden.

Zur Abdichtung von Batteriegehäusen sind die gängigen Dichtungen, meist auf Basis von Klebstoffen und Silikonelastomeren, üblich, ebenso wie Form-in-Place-Lösungen (FIP), die auf das Gehäuse aufgespritzt werden und aushärten. Beides stellt Herausforderungen hinsichtlich der Handhabung während der Installation, der Positionierung auf der Wanne, der Wirksamkeit nach dem Aushärten und der Fähigkeit dar, sowohl die laufende Wartung als auch die Recyclingfähigkeit am Ende der Lebensdauer zu erleichtern. Aus diesem Grund hat Dätwyler eine innovative Lösung – die faltbare Dichtung – entwickelt, die eine Dichtungslösung für Batteriepacks bietet, die all diese Probleme überwindet. Die Lösung kombiniert fortschrittliche Elastomermaterialien mit dünnen, punktuell faltbaren und insgesamt steifen Metallplatten, die entsprechend der individuellen Teilegeometrie spezifiziert und in Abständen platziert werden können, was eine präzise Montage entweder manuell oder robotergesteuert ermöglicht.

Normalerweise sind die Toleranzen für das Batteriegehäuse und die dazugehörigen Dichtungen sehr restriktiv und müssen IP6x oder gleichwertige Schutzparameter einhalten. Eventuelle Lücken werden nicht akzeptiert. Daher kann Dätwyler bei der Konstruktion des Metalleinsatzes die Abmessungen präzise und mit minimalem Fehlerspielraum kontrollieren. Ingenieure nutzen die elastischen Eigenschaften des Dätwyler-Gummimaterials, das sehr präzise ist, um die Anforderungen innerhalb der in bestimmten Höhen geforderten Parameter zu erfüllen. Im Gegensatz zu FIP-Dichtungen gibt es keinen Anfangs- oder Endabschnitt, bei dem darauf geachtet werden muss, dass kein kleiner Kanal zum Schutz vor Korrosionseinflüssen entsteht.

Der präzise und zuverlässige Einbau der faltbaren Dichtung ist von entscheidender Bedeutung, da Batteriehersteller Batteriesysteme mit höherer Dichte herstellen und ihre Gehäuse immer komplexer und vielfältiger werden. Diese komplexeren Designs erfordern eine präzisere Dichtung, um sicherzustellen, dass die Dichtungsintegrität nicht beeinträchtigt wird, und das Metallelement der Lösung stellt sicher, dass dies der Fall ist. Das Metall ist in der Regel das gleiche wie das, das auch für das Gehäuse selbst verwendet wird. Die Oberfläche ist eloxiert und behandelt, um eine starke Verbindung mit der Elastomerkomponente zu gewährleisten. Das Ergebnis ist eine Dichtungslösung, die eine verbesserte Haltbarkeit und auch elektrische Leitfähigkeit bietet, was bedeutet, dass Elektrizität über die Dichtung problemlos von der oberen Abdeckung zum unteren Gehäuse übertragen werden kann, wodurch Korrosion als Folge von Elektrizitätsaufbau vermieden wird. Eigenständige Reinkautschuk- und FIP-Lösungen verfügen nicht über diese Fähigkeit.

Schließlich können elektromagnetische Störungen (EMI), die sich auf Komponenten wie Sensoren oder kritische Steuereinheiten auswirken können, auch durch EMI-Abschirmmaterialien gemindert werden, die zur Formulierung des Gummielements der faltbaren Dichtung verwendet werden können.

Die numerische Simulation der Dichtleistung faltbarer Dichtungen ist ein Kernelement im gesamten Designprozess. Solche Simulationen ermöglichen das Verständnis des genauen mechanischen und thermischen Verhaltens der Dichtung unter extremen Bedingungen und stellen so die Wirksamkeit und Zuverlässigkeit der Dichtung in verschiedenen kritischen Situationen sicher. Diese Bemühungen beginnen mit einem zweidimensionalen Finite-Elemente-Modell, in dem die Variationen des Dichtdrucks entlang der Dichtlippen ausgewertet werden (siehe Abbildung 1). Sobald der Kontaktdruck und die Fläche an der Dichtung die Anforderungen für die spezifische definierte Leistung erfüllen, wird der Simulationsaufwand mit der Durchführung einer dreidimensionalen Finite-Elemente-Modellierung fortgesetzt, um die Menge an Vorspannung an den Schrauben zu bewerten, die erforderlich ist, um die faltbare Dichtung zu halten an Ort und Stelle. Diese Vorspannung gewährleistet auch die gewünschte elektrische Leitfähigkeit zwischen den Gehäuseteilen.

Der letzte Schritt schließlich konzentriert sich auf die Simulation des gesamten Batteriegehäuses verbunden mit der faltbaren Dichtung, sodass die Dichtheit entlang der gesamten Dichtlippe gewährleistet ist. Diese Simulationsaufgabensätze erleichtern den Optimierungsprozess bei der Konstruktion der Dichtung mit dem Ergebnis optimierter geometrischer Abmessungen, Materialeigenschaften und Montagekräfte.

Batteriehersteller erwägen auch die Möglichkeit, den Batteriesatz im Laufe seiner Lebensdauer mehrmals zu Inspektions- und Wartungszwecken zu öffnen. Die faltbare Dichtung macht dies möglich. Bei Verwendung einer FIP-Dichtung wird eine Seite der Dichtung dauerhaft mit dem Gehäuse verklebt. Dies bedeutet, dass die Dichtung beim Öffnen nicht entfernt werden kann. Die faltbare Dichtung kann entfernt und einfach ausgetauscht werden, da zwischen Dichtung und Gehäuse kein Klebstoff vorhanden ist. Die Befestigungslösung verwendet allgemeine Stanznieten oder M5/M6-Schrauben, um das Öffnen zu erleichtern. Dies ermöglicht auch eine einfachere Demontage ohne Beschädigung der Dichtung, wenn eine Inspektion oder Wartung erforderlich ist oder wenn die Batterie das Ende ihrer Nutzungsdauer erreicht.

Aus Ökodesign-Sicht bedeuten die Designprinzipien der faltbaren Dichtung, dass Batteriehersteller vom ersten Transport über die Handhabung und Installation bis hin zur effektiven Anwendung, Wartung und schließlich dem Recycling die Vorteile einer hervorragenden Dichtungslösung erleben.

Über die Autoren: Dr. Amir Yazdani ist Advanced Technology Development Manager bei Dätwyler. Andreas Proksch ist Produktmanager Elektrifizierung bei Dätwyler