EINFÜHRUNG
Mit dem Streben nach umweltfreundlicherer Technologie nimmt auch die Verwendung von Lithium-Ionen-Batterien als Hauptenergiespeicher zu. Anwendungen wie moderne Elektrofahrzeuge werden immer häufiger, und bei diesem Einsatz kommt es zu erheblichen Erschütterungen und Vibrationen.
In dem Maße, wie der Markt für Lithium-Ionen-Batterien wächst, muss auch das Verständnis der Auswirkungen von mechanischen Vibrationen und Stößen auf die elektrische Leistung und die mechanischen Eigenschaften solcher Batterien wachsen. In jüngsten Studien wurden die Auswirkungen von Schwingungen auf die Funktionsminderung bzw. die Ermüdung von Batteriezellenmaterialien sowie die Auswirkungen von Schwingungen auf die Struktur des Batteriepacks untersucht. Die Ergebnisse dieser Studien zeigen, dass die durch Schwingungen und Vibrationen hervorgerufene mechanische Ermüdung die Langlebigkeit von Lithiumbatterien verringern kann.
Eine weitere wichtige Anforderung, die berücksichtigt werden muss, sind die Kräfte, die bei Erschütterungen auf das Akkupaket übertragen werden. Es ist von entscheidender Bedeutung, dass sich nicht zu große Kräfte auf die Batteriezellen übertragen und zu Beschädigungen wie Rissen führen.
NORMEN FÜR BATTERIEINSTALLATIONEN
Die Batteriehersteller verlangen von den Endnutzern die Einhaltung verschiedener Normen, in denen Grenzwerte für Schwingungsgeschwindigkeit, Beschleunigung und Auslenkung festgelegt sind.
Beispiele für diese Normen sind R100r2, UN38.3, IEC 62133, IEC 62619 oder UL 1642, um nur einige zu nennen.
Die R100r2 ist speziell für Fahrzeuge mit elektrischem Antriebsstrang. Diese Norm erfordert einen Abnahmetest, bei dem alle 15 Minuten ein Schwingungsdurchlauf von 7 Hz bis 50 Hz durchgeführt wird. Dieser Zyklus wird 12-mal wiederholt und dauert insgesamt 3 Stunden.
Die Norm UN 38.3 bezieht sich eher auf die Sicherheit beim Transport von Lithiumbatterien. Die Schwingung ist eine sinusförmige Wellenform mit einem logarithmischen Sweep zwischen 7 und 200 Hz und zurück auf 7 Hz in 15 Minuten, die verwendete Wellenlänge beträgt 0,8 mm (Peak to Peak-Amplitude 1,6 mm). Dieser Zyklus wird 12-mal während insgesamt 3 Stunden wiederholt, wobei drei zueinander senkrechte Einbaulagen der Zelle analysiert werden müssen. Diese Norm schreibt auch einen Schocktest vor, bei dem ein halbsinusförmiger Stoß mit einer Spitzenbeschleunigung von 15 g während 6 Millisekunden angewendet wird. Bei größeren Zellen werden 50 g während 11 Millisekunden angewandt. Jede Batteriezelle muss drei Schocks in positiver Richtung, gefolgt von drei Schocks in negativer Richtung in den drei zueinander senkrechten Einbaulagen, insgesamt also 18 Schocks, ausgesetzt werden.
Die Lösung von AMC
Unter Berücksichtigung der erforderlichen Stoß- und Schwingungsbelastungen in mehreren Achsen haben die Ingenieure von AMC-MECANOCAUCHO® einen Schwingungsdämpfer entwickelt, der in allen Raumrichtungen arbeiten kann und über einen integrierten Endanschlag bzw. eine Wegbegrenzung verfügt, um hohe Belastungen zu kontrollieren.
Unten sehen Sie ein Bild des Schwingungsdämpfers vom Typ CB von AMC-MECANOCAUCHO®.
Die folgende Abbildung zeigt den typischen Einbau eines Lithium-Batterie-Packs
Detailbild im Schnitt des eingebauten Schwingungsdämpfers vom Typ CB
Um den richtigen Schwingungsdämpfer Typ CB zu wählen (es gibt mehrere Baugrößen und Härten), müssen die Gesamtlast, der Schwerpunkt und die Lagerposition berücksichtigt werden. Eine Schwingungsberechnung in Form einer Mehrkörpersimulation ermöglicht die Betrachtung der Eigenfrequenzen des Systems und eine Vorhersage des Entkoppelungsgrads, was entscheidend dafür ist, ob die oben genannten Normen eingehalten werden können.
Die Anwendungsingenieure von AMC-MECANOCAUCHO können solche Berechnungen für Sie durchführen.
Referenzartikel:
Effect of dynamic loads and vibrations on lithium-ion batteries - Xia Hua, Alan Thomas, 2021 (sagepub.com)
Effects of vibrations and shocks on lithium-ion cells - ScienceDirect
Deutschland
