Die Abdichtung des Batteriepacks ist ein Zuverlässigkeitsproblem, das als Gummiteil getarnt wird. Eine Packungsgehäusedichtung muss über Tausende von Temperaturzyklen zwischen minus 40 Grad und 85 Grad eine IP67-Dichtung halten, Kühlmittel und dielektrischer Flüssigkeit widerstehen, nicht zur Ausbreitung von thermischem Durchgehen beitragen und am Ende einer Fahrzeuglebensdauer von fünfzehn Jahren komprimierbar bleiben. Silikon ist eine der wenigen Elastomerfamilien, die alle vier Anforderungen gleichzeitig erfüllen kann.
In diesem Artikel geht es darum, wo Silikon bei Akkupacks wirklich gewinnt, wo nicht und welche Eigenschaften die Spezifikation tatsächlich einschränken muss.
Warum die Auswahl an Elastomeren so schnell eingeschränkt wird
Die Kandidatenliste für eine Batteriepackdichtung ist kurz. EPDM, Fluorsilikon, FKM, HNBR und Silikon sind die realistischen Optionen.
EPDM zeichnet sich durch eine hervorragende Wasser- und Dampfbeständigkeit und gute Kosten aus. Seine obere Dauerbetriebstemperatur liegt je nach Mischung bei etwa 125 bis 150 Grad, was im Vergleich zu einer Packung, die 85 Grad Umgebungstemperatur und lokale Hotspots weit darüber bei einem thermischen Ereignis erleben kann, marginal ist.
FKM und Fluorsilikon verkraften höhere Temperaturen und Kohlenwasserstoffbelastungen besser und zu deutlich höheren Kosten.
HNBR liegt hinsichtlich der Temperatur zwischen EPDM und FKM und bietet eine hervorragende mechanische Ermüdungsbeständigkeit, weshalb es weiterhin häufig in Antriebsstrang- und Motorraumanwendungen eingesetzt wird.
Der Vorteil von Silikon ist die Bandbreite. Dauergebrauchstemperatur im Bereich von 200 Grad für Standardgüten, bis etwa 250 Grad für Hochtemperaturgüten, mit Beibehaltung der Elastizität bis zu minus 50 Grad bis minus 60 Grad. Dieses Betriebsfenster deckt die gesamte Batteriepackhülle ab, einschließlich der Umgebung zum thermischen Durchgehen. Der Kompromiss besteht in der mechanischen Festigkeit und Reißfestigkeit, die niedriger sind als bei EPDM oder HNBR, und dem Preis, der über EPDM liegt.
Die technische Konsequenz: Silikon gewinnt dort, wo das Temperaturfenster und die Flammenanforderung dominieren. Es verliert an Stellen, an denen die Dichtung hydraulischem Flüssigkeitsdruck unter hohem Druck oder Kontakt mit konzentriertem Kohlenwasserstoff ausgesetzt ist oder wo die Reißfestigkeit unter scharfen Metallkanten die Bindungsbeschränkung darstellt.
Silikondichtungstypen und wo sie jeweils passen
Beim Versiegeln von Batteriepacks werden zwei unterschiedliche Silikonmethoden verwendet.
LSR für Spritzgussdichtungen.Flüssiger Silikonkautschuk eignet sich für komplexe Dichtungsgeometrien, umspritzte Dichtungen auf Kunststoff- oder Metallträgern und für die Massenproduktion. Die Zykluszeiten betragen mehrere zehn Sekunden, die Wiederholbarkeit der Abmessungen ist hoch und die niedrige Viskosität ermöglicht das Einspritzen von Dichtungswülsten und dünnen Lippenabschnitten. Das Überspritzen von LSR auf einen Polyamid- oder PBT-Träger ist heute eine gängige Packungsarchitektur, da dadurch der manuelle Schritt der Dichtungsplatzierung am Fließband entfällt.
HTV für profilierte und extrudierte Dichtungen.Fester Silikonkautschuk eignet sich für lange extrudierte Dichtungsprofile, formgepresste Dichtungen für bestehende Gehäusekonstruktionen und größere Querschnitte. Die Werkzeugkosten sind viel niedriger als bei LSR, was für Kleinserien oder Prototypenpaketvarianten von Bedeutung ist. Extrudierte Profile werden zu geschlossenen Schleifen geschnitten und vulkanisiert.
Eine dritte Möglichkeit besteht darin, flüssiges Silikon als vor Ort geformte Dichtung zu verteilen, die entweder durch Hitze oder durch Umgebungsfeuchtigkeit in einer Variante mit Kondensationshärtung ausgehärtet wird. Die vor Ort gebildeten--Gehege eignen sich für Gehege mit langen und unregelmäßigen Robbenwegen.
Die Eigenschaften, die tatsächlich die Leistung des Pakets bestimmen
Druckverformungsrest bei Temperatur
Dies ist die wichtigste Eigenschaft und wird am häufigsten unter-angegeben. Eine Dichtung, die einen Satz beansprucht, drückt nicht mehr gegen die Dichtfläche, die Dichtkraft sinkt und die Packung verliert die Schutzart IP67.
Die Testreferenz ist ASTM D395 Methode B, bei der eine Probe um 25 Prozent komprimiert und für eine definierte Zeit bei Temperatur gealtert wird. Für Batteriepackarbeiten liegen die relevanten Alterungsbedingungen typischerweise bei 70 Stunden bei 100 Grad, 125 Grad oder 150 Grad und bei Programmen, die die Fahrzeuglebensdauer modellieren, zunehmend bei 168 Stunden oder 1.000 Stunden.
Typisches Verhalten: Mit Platin-gehärtete LSR- und HTV-Qualitäten im Bereich von 40 bis 60 Shore A weisen nach 70 Stunden bei 150 Grad üblicherweise einen Druckverformungsrest im Bereich von 15 bis 35 Prozent auf, wobei es je nach Formulierung große Unterschiede gibt. Hochtemperaturtypen mit optimierten Vernetzungssystemen drängen ins untere Ende. Standardmäßige Allzweckqualitäten liegen bei 70 Stunden/100 Grad üblicherweise im Bereich von 20 bis 30 Prozent.
Eine praktische Spezifikationsregel besteht darin, den maximalen Druckverformungsrest bei der höchsten Dauertemperatur des Rucksacks für 70 Stunden und separat bei der Anzahl der thermischen Zyklen anzugeben.
Flammhemmend
Von Verpackungsmaterialien wird zunehmend verlangt, dass sie UL 94 V-0 bei einer definierten Dicke erfüllen und zur Brandeindämmung gemäß GB 38031 in China und gleichwertigen nationalen Standards in anderen Ländern beitragen. Standardverbrennungen durch Silikon. Platinvernetzendes Silikon mit zusätzlichen Flammschutzmitteln erreicht UL 94 V-0, aber die Zusatzstoffe erhöhen die Härte, verringern die Dehnung, erhöhen den Druckverformungsrest und erhöhen die Kosten. Die erreichbare Härte einer V-0-Sorte beginnt typischerweise höher als bei einer ungefüllten Allzwecksorte.
Geben Sie den Bedarf genau an. UL 94 V-0 bei welcher Dicke, mit welcher Konditionierung, getestet von welchem Labor.
Spannungsfestigkeit
Die Spannungsfestigkeit von Silikon liegt bei Standardqualitäten üblicherweise im Bereich von 20 bis 30 kV pro mm, mit einem spezifischen Durchgangswiderstand im Bereich von 10^14 bis 10^16 Ohm cm. Dies ist wichtig für Dichtungen, die eine Hochspannungssammelschiene oder eine Steckverbinderschnittstelle überbrücken, wobei die Dichtung gleichzeitig als Isolationsbarriere dient. Spezifikationsreferenzen sind IEC 60243 und ASTM D149.
Wärmeleitfähigkeit
Standardsilikon ist ein Wärmeisolator mit etwa 0,2 W pro Meter Kelvin. Gefüllte thermische Schnittstellenmaterialien aus Silikon erreichen je nach Füllstoffbeladung und Füllstofftyp 1,0 bis 6,0 W pro Meter Kelvin, wobei Bornitrid und Aluminiumoxid die häufigsten Füllstoffe sind. Es gibt einen direkten Kompromiss. Eine höhere Füllstoffbeladung erhöht die Leitfähigkeit und Härte und verringert die Dehnung. Ein Kelvin-Pad mit 3,0 W pro Meter liegt oft im Bereich von 40 bis 60 Shore 00 statt Shore A, da der Füllstoffanteil, der die Leitfähigkeit erreicht, das Material zu weich macht, um auf der Shore A-Skala gemessen zu werden.
Designhinweis. Wärmeleitpads sind Lückenfüller. Ihre Leistung hängt mehr von der Anpassungsfähigkeit und Oberflächenbenetzung als von der Leitfähigkeitszahl ab. Ein weicheres Pad mit geringerer Leitfähigkeit ist auf einer rauen oder verzogenen Oberfläche oft besser als ein steiferes Pad mit höherer Leitfähigkeit.
Vergleich von Silikonqualitäten für Batteriepackkomponenten
| Eigentum | GP LSR / HTV | Hochtemperatur-Silikon | Flammhemmendes V-0-Silikon | Silikon-Thermopad |
|---|---|---|---|---|
| Dauerbetriebstemperatur | ca.. 200 Grad | ca.. 250 Grad | ca.. 150–200 Grad | ca.. 150–200 Grad |
| Druckverformungsrest, 70 Stunden bei 150 Grad | 25–35 Prozent typisch | 15–25 Prozent typisch | 25–40 Prozent typisch | Weniger relevant, Lückenfüller |
| Härtebereich | 20–80 Shore A | 30–70 Shore A | 40–70 Shore A | 20–60 Shore 00 |
| Wärmeleitfähigkeit | ca.. 0.2 W/m·K | ca.. 0.2–0,3 W/m·K | ca.. 0.2–0,4 W/m·K | 1.0–6.0 W/m·K |
| Spannungsfestigkeit | 20–30 kV/mm | 20–30 kV/mm | Niedriger, Füllstoffe reduzieren es | Bereich 10–20 kV/mm |
| UL 94-Einstufung | Nicht bewertet, Verbrennungen | Nicht bewertet | V-0 bei definierter Dicke erreichbar | V-0 verfügbar |
| Typische Packungsverwendung | Gehäusedichtung, Entlüftungsdichtung | Hot-Spot-Angrenzung, Sammelschienenabdichtung | Modul- und Packungsdeckeldichtung | Spalt zwischen Modul und Kühlplatte |
Bei den Werten handelt es sich um typische Bereiche für die Sortenfamilien, nicht um Spezifikationen für ein einzelnes Produkt. Jede Zeile muss durch gemessene Daten zum spezifischen Grad unter den spezifischen Bedingungen ersetzt werden.
Designregeln für die Versiegelung von Verpackungen, die der Validierung standhalten
Design für Druckverformungsrest, nicht für anfängliche Kompression.Wenn die Dichtung am Ende ihrer Lebensdauer nur noch 30 Prozent aushärtet, müssen die Nuttiefe und die Wulsthöhe bei reduzierter Höhe eine Dichtkraft liefern. Berechnen Sie die Dichtungskraft bei der gealterten Kompressionshöhe, nicht bei der Höhe im -geformten Zustand.
Halten Sie den Perlenquerschnitt großzügig.Der Kompressionsrest in Kombination mit einer dünnen Raupe lässt keinen Spielraum. Eine Wulsthöhe von 2,0 mm bis 3,0 mm bietet einen größeren nutzbaren Kompressionsbereich als eine 1,0 mm Wulst für die gleiche Nut.
Vermeiden Sie scharfe Kanten unter der Dichtung.Im Vergleich zu EPDM oder HNBR weist Silikon eine mäßige Reißfestigkeit auf. Eine gestanzte Metallkante mit Grat schneidet eine Versiegelung, die sonst jeden Labortest bestehen würde. Geben Sie einen Radius an oder fügen Sie eine Schutzlippe hinzu.
Komprimierungsverhältnis steuern.Typisches Ziel ist eine Kompression von 20 bis 30 Prozent für Silikonpackungsdichtungen. Unter 15 Prozent gibt es keine Toleranz für die Wärmeausdehnung des Gehäuses. Bei über 40 Prozent wird die Dichtung über-beansprucht und setzt schneller ab.
Berücksichtigen Sie die unterschiedliche Wärmeausdehnung.Ein Aluminiumgehäuse und eine Silikondichtung dehnen sich bei einer 125-Grad-Schwingung mit sehr unterschiedlicher Geschwindigkeit aus. Die Länge des Dichtungswegs und das Rillendesign müssen diese Bewegung aufnehmen, ohne dass der Wulst abschert.
Geben Sie niedrige Flüchtigkeitsgrade für eingeschlossene Volumina an.Flüchtige Silikonarten, die in einer versiegelten Verpackung ausgasen, können auf kalten Oberflächen kondensieren und elektrische Anschlüsse beeinträchtigen. Nach-ausgehärtete Qualitäten mit geringer Flüchtigkeit lösen dieses Problem. Fragen Sie nach flüchtigen Inhaltsdaten.
Compliance-Rahmen für Automobilbatteriesilikon
Komponenten von Silikonpackungen werden anhand einer Compliance-Kette spezifiziert, die mit den OEM-Anforderungen des Fahrzeugs beginnt und auf Materialebene endet.
Entflammbarkeit.UL 94 V-0 bei definierter Dicke, plus OEM-spezifische Brandschutzanforderungen. Nationale Batteriesicherheitsstandards wie GB 38031 in China und entsprechende Vorschriften in anderen Märkten legen die Anforderungen an die Packungsebene fest.
Elektrisch.IEC 60243 und ASTM D149 für Durchschlagsfestigkeit, ASTM D257 für Volumenwiderstand.
Umweltfreundlich.REACH SVHC-Erklärung, RoHS und zunehmend PFAS-Beschränkungsprüfung. Das EU-Rahmenwerk für Altfahrzeuge verschärft weiterhin die Materialdeklarationen.
Mechanisch.ASTM D412 für Zugfestigkeit und Dehnung, ASTM D395 Methode B für Druckverformungsrest, ASTM D624 für Reißfestigkeit.
Qualitätssysteme für die Automobilindustrie.IATF 16949-Lieferkettenerwartungen, PPAP-Dokumentation und für viele OEM-Programme IMDS-Materialdatenübermittlung.
Geringe Volatilität.OEM-spezifische Ausgasungsgrenzwerte, oft angegeben als Schwellenwert für den Gesamtmassenverlust bei einer definierten Temperatur.
Ein Lieferant, der keine IMDS-bereiten Materialdaten bereitstellen kann, verlangsamt Ihre Einreichung unabhängig von der Materialleistung.
Wo Silikon in einem Akkupack die falsche Antwort ist
Ehrliche Einschränkungsliste.
Hochdruck-Hydraulik- oder Kühlmittelkreisläufe, bei denen die Dichtung eine dynamische Dichtung unter Druck ist. Mechanische Festigkeit und Extrusionsbeständigkeit deuten auf HNBR oder FKM hin
Direkter andauernder Kontakt mit konzentriertem Kohlenwasserstoffkraftstoff oder aggressiven Kühlmitteln auf Esterbasis- ohne validierte Verträglichkeitsstudie
Scharfe Kantenabdichtung in einer Umgebung mit starken Vibrationen mit minimaler Rillenunterstützung
Anwendungen, bei denen die geringstmöglichen Stückkosten im Vordergrund stehen und das Temperaturfenster günstig ist. EPDM übertrifft Silikon in diesem Bereich hinsichtlich der Kosten
Für die Gehäusedichtung und die thermische Schnittstelle wird standardmäßig Silikon verwendet. Dies ist nicht die Standardeinstellung für jedes Elastomer im Fahrzeug.
Wo ANYSIL passt
ANYSIL produziert Platin-vernetzendes LSR- und HTV-Festsilikon in einer Anlage in Guangzhou, die ISO 9001-Qualitätssysteme betreibt, mit einer monatlichen Kapazität von über 300 Tonnen in den beiden Linien und 15 technischen F&E-Mitarbeitern für die Compound-Entwicklung. Automobil- und neue Energieklassen können für Druckverformungsrestziele bei 150 Grad, für Flammenbewertungen nach UL 94 V-0 und für Wärmeleitfähigkeit im Kelvin-Band von 1,0 bis 6,0 W pro Meter formuliert werden. Die Dokumentationsunterstützung umfasst REACH SVHC-, RoHS-, IMDS-Materialdaten und OEM-spezifische Testberichte, die im Rahmen des Programms erstellt werden.
Senden Sie den Dichtungsquerschnitt, das Betriebstemperaturprofil, das Kompressionsziel und die Flammenanforderung. Das technische Team sendet Ihnen eine Sortenempfehlung mit Druckverformungsdaten zu Ihren Bedingungen und eine Werkzeugroute für LSR-Umspritzung oder HTV-Profilextrusion.
Fordern Sie eine Bewertung der Silikonkomponenten einer Elektrofahrzeugbatterie an