Akkus spielen in der Elektromobilität eine Schlüsselrolle, doch wie kann ihre Sicherheit gewährleistet werden?
Elektrofahrzeuge werden mit einem Akku betrieben, damit sie im Vergleich zu Verbrennern umweltfreundlicher sind. Allerdings können sich die Lithium-Ionen-Akkus durch eine innere oder äussere Beschädigung selbst entzünden, weshalb strenge Sicherheitsanforderungen bei der Herstellung und beim Transport gelten, um ein thermisches Durchgehen zu vermeiden. Dank Fortschritten in der Materialforschung und der Batterietechnologie sind moderne Lithium-Ionen-Akkus zwar widerstandsfähiger gegenüber Überhitzung und Kurzschlüssen, trotzdem ist die thermische Prüfung bei der Herstellung, Lagerung und Transport von Elektrofahrzeugen unerlässlich.
Wärmebildkameras, wie die von FLIR spielen dabei eine wichtige Rolle. Sie erkennen unzulässige Temperaturen, sodass Brände verhindert oder frühzeitig erkannt werden können. Daher sorgt die Infrarottechnologie für sichere Fahrzeuge.
In diesem Artikel schauen wir uns an, wie die thermische Prüfung mit Wärmebildkameras Elektrofahrzeuge sicherer macht.
Lithium-Ionen-Akku – Die Grundlagen
Bevor wir uns mit der thermischen Prüfung mit Wärmebildkameras befassen, erläutern wir ein paar Grundlagen über Lithium-Ionen-Akkus. Da Lithium eine hohe Elektronegativität und eine geringe Dichte aufweist, können diese Akkus eine beträchtliche Menge an Strom speichern, was sie ideal für Elektrofahrzeuge macht.
Ein Lithium-Ionen-Akku besteht aus vielen Einzelzellen, die alle gleich aufgebaut sind. Die negative Elektrode, auch Anode, besteht meist aus Grafit und die positive Elektrode, die Kathode, aus Lithium-Metalloxiden. Die wiederaufladbare Zelle entsteht durch den ständigen Fluss von Elektronen zwischen Anode und Kathode innerhalb der Zelle. Die Funktionsweise beruht wesentlich auf der Erzeugung elektromotorischer Kraft durch die Verschiebung von Lithium-Ionen zwischen den Elektroden.
Lithium-Ionen-Akku – Herstellung
Laut FLIR umfasst die Herstellung von Lithium-Ionen-Akkus in der Regel die folgenden Schritte:
- Sortieren: Die Zellen werden manuell auf sichtbare Verformungen, Beschädigungen, Undichtigkeiten und den Bereich des Innenwiderstands geprüft, um die Qualität des Endprodukts zu gewährleisten.
- Herstellung eines Akku-Packs: Die Zellen werden je nach der gewünschten Leistung in Reihe oder parallel zu einem Pack zusammengeschweisst.
- Zusammenfügen der Akku-Packs: Die Akku-Packs werden mithilfe von Schaltkreisen und einem Kontrollsystem verbunden, um den Herstellungsprozess eines Lithium-Ionen-Akkus abzuschliessen.
- Prüfung: Das fertige Produkt wird Lade- und Entladezyklen unterzogen, um das Verhalten des Akkus zu überwachen.
Wärmebildtechnik – Grundlagen
Alle Objekte strahlen Wärme in Form von Infrarotstrahlung ab. Obwohl diese Strahlung für das menschliche Auge unsichtbar ist, können Kameras, die auf ihre spezielle Wellenlänge geeicht sind, sie erkennen. Da Wärmebildkameras die Temperatur eines Objekts mit einer Genauigkeit von 0,1 °C messen können, eignen sie sich für zerstörungsfreie, berührungslose Prüfungen und Überwachungen.
Sichtbare Wärmestrahlung vs. Infrarotstrahlung
Wärmesignaturen von Objekten werden für das menschliche Auge erst sichtbar, wenn das Objekt eine Temperatur von 1000 °C erreicht. Infrarotkameras können jedoch Wärmesignaturen von Objekten bei Temperaturen von bis zu -60 °C erkennen.
Im Gegensatz zu Nachtsichtkameras, die geringe Lichtmengen verstärken, sind Wärmebildkameras auf die Erfassung von Wärmesignaturen für thermische Sicherheitszwecke spezialisiert und funktionieren auch bei Abwesenheit von Licht optimal, was für die Branderkennung unerlässlich ist.
Anwendungen von Wärmebildkameras
Wärmebildkameras werden in verschiedenen Branchen eingesetzt, darunter:
- als elektrisches Hilfsmittel für die vorausschauende Wartung;
- in der Öl- und Gasindustrie für die vorausschauende Wartung, die Visualisierung von flüchtigen organischen Verbindungen (VOC), Ofeninspektion und Fackelüberwachung;
- in der Fertigungsindustrie für die vorausschauende Wartung, Qualitätssicherung sowie Forschung und Entwicklung (F&E).
Wenn Sie mehr über die vielfältigen Anwendungsbereiche von Wärmebildkameras wissen möchten, lesen Sie unsere Artikel über den Einsatz von Wärmebildkameras in Rechenzentren, beim Energiesparen und bei der Geisterjagd.
Anwendungen der Wärmebildtechnik in der EV-Industrie
Um Überhitzung und potenzielle Brände zu vermeiden, wird die Wärmebildtechnik zur Temperaturüberwachung von Akkus eingesetzt. Da heisse Stellen oder eine ungleichmässige Temperaturverteilung auf beschädigte Zellen oder mangelhafte Schweissarbeiten hinweisen und daher ein Brandrisiko darstellen können, ist es wichtig, diese frühzeitig zu erkennen.
Überprüfung der Schweissnähte
Für ein robustes Akku-Pack müssen die Lithiumzellen sorgfältig zusammengeschweisst werden. Präzision und strukturelle Integrität sind dabei äusserst wichtig. Denn mangelhafte Schweissnähte können zu Mängeln am Endprodukt führen. Mithilfe von Wärmebildkameras lassen sich subtile Temperaturschwankungen entlang der Schweissnaht schnell erkennen. Daher spielt die Wärmebildtechnik eine wichtige Rolle beim Brandschutz bei der Akkuherstellung.
Überprüfung der Batteriezellen auf Leckagen
Das Auslaufen von Elektrolyt oder von Energie durch elektrische Fehlfunktionen kann die Sicherheit und Effizienz von Elektrofahrzeugen gefährden. Anhand von Temperaturabweichungen lassen sich Lecks mit Wärmebildkameras sofort und nicht-invasiv aufspüren, bevor sie zu Problemen führen.
Überprüfung auf defekte Zellen
Trotz gründlicher Batterietests in der Fertigung kann es vorkommen, dass eine defekte Zelle in die Produktionslinie gelangt. Diese Zellen weisen bei der Auswertung häufig geringfügige Temperaturabweichungen auf, die bei der thermischen Prüfung schnell erkannt werden.
Überprüfung der Lade- und Entladephasen
Bei den Lade- und Entladephasen können sich Lithium-Ionen-Akkupacks um 5 °C bis 6 °C erhitzen. Deshalb ist es wichtig, die Oberflächentemperatur in diesen kritischen Phasen präzise zu messen, um Feuer oder Explosionen zu vermeiden.
Merkmale der Infrarottechnologie
Die Infrarottechnologie spielt eine entscheidende Rolle im Brandschutz, hat jedoch ihre Grenzen, da sie beispielsweise Glas nicht durchdringen kann. Sie kann jedoch durch Nebel, dünne Kunststoffe und sogar durch spezielle Infrarot-Inspektionsfenster für industrielle Anwendungen navigieren und dabei eine hohe thermische Empfindlichkeit beibehalten.
Da Faktoren wie die Auflösung, die Objektivgrösse und die Anzahl der Detektoren den Sichtbereich der Kamera bestimmen, sind sie auch ausschlaggebend für die Effektivität bei der Temperaturüberwachung.
Fazit
Mit dem Wachstum der EV-Industrie wachsen auch die Bedenken hinsichtlich des Brandschutzes. Viele dieser Brandrisiken können jedoch durch den Einsatz der Wärmebildtechnik erheblich gemindert werden. Diese Technologie ist unverzichtbar, um die Zuverlässigkeit und Sicherheit von EV-Batterien zu gewährleisten, denn sie ermöglicht eine zerstörungsfreie und berührungslose Überwachung von Temperaturschwankungen.
Empfohlene Produkte
IR-Fenster, FLIR
Wärmebildkamera E96, FLIR
Infrarotkamera E8 Pro, FLIR
Wärmebildkamera E54, FLIR
Quelle: FLIR
FAQs
Ein effektives Wärmemanagement von Lithium-Ionen-Akkus ist nicht nur entscheidend für die Sicherheit von Elektrofahrzeugen, sondern erhöht auch die Lebensdauer des Akkus.
Mithilfe von Batteriemanagementsystemen, der Verwendung feuerfester Materialien und der Integration von Sensoren zur frühzeitigen Erkennung von Überhitzung werden die Akkus sicherer gemacht. Auch durch eine regelmässige Wartung und Software-Updates kann der Brandschutz erhöht werden. Durch die thermische Prüfung können hitzebedingte Probleme festgestellt werden, bevor sie zu einem Problem werden.
Bei Akkus kann es zu einem sogenannten thermischen Durchgehen kommen, wenn eine Temperaturspitze in einer Batteriezelle einen sich selbst erhaltenden, sich schnell verstärkenden Wärmezyklus auslöst, der zu Bränden oder Explosionen führen kann. Dieses Prinzip unterstreicht, wie wichtig ein wirksames Wärmemanagement ist.
Das Wärmemanagementsystem in Elektrofahrzeugen ist nicht nur für den Zustand der Batterie wichtig, sondern auch für die Aufrechterhaltung einer angenehmen Innenraumtemperatur. Durch die Regulierung der Temperatur des Elektromotors, der Leistungselektronik und der Batterie sorgt es für eine angenehme Umgebung für die Fahrgäste und schützt gleichzeitig die Kernkomponenten des Fahrzeugs.
Dank Wärmebildkameras können die Einsatzkräfte selbst bei Rauch und Dunkelheit Brandherde und Opfer lokalisieren, was die Navigation und die fundierte Entscheidungsfindung bei Rettungs- und Feuerwehreinsätzen erleichtert. Um den Effekt des thermischen Durchgehens zu verhindern, können die Einsatzkräfte die Temperaturentwicklung des Akkus mithilfe von Wärmebildkameras kontrollieren, um eine Wiederentzündung rechtzeitig zu erkennen.
Das Wärmemanagementsystem eines Elektrofahrzeugs ist ein wesentlicher Bestandteil der Energieeffizienz, denn es sorgt dafür, dass sowohl die Batterie als auch der Motor bei idealen Temperaturen arbeiten. Diese Optimierung trägt direkt dazu bei, die Lebensdauer der Batterie zu verlängern und einen Leistungsabfall zu verhindern, was wiederum die Reichweite des Fahrzeugs maximiert.
Verwenden Sie das vom Hersteller empfohlene Ladegerät, laden Sie bei einer für den Akku angenehmen Temperatur und halten Sie den Ladezustand des Akkus zwischen 20 % und 80 %, um die besten Ergebnisse beim Laden von Lithium-Ionen-Akkus zu erzielen. Um den Akku zu schützen und seine Lebensdauer zu verlängern, sollten Sie ihn abklemmen, sobald er vollständig geladen ist, um eine Überladung zu vermeiden.
