Kurz gesagt: Die Verhinderung der Ausbreitung eines thermischen Durchgehens erfordert sowohl normgerechte Missbrauchsprüfungen als auch eine Packarchitektur, die Wärme, Flammen, Druck und Gase einer ausgefallenen Zelle eindämmt. Für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt ist RTCA DO-311A eine zentrale Referenz; in anderen Bereichen werden häufig Standards wie UL 2580, IEC 62619, UL 9540A sowie sektorspezifische Anforderungen für Fahrzeuge oder Industrieanlagen angewendet. Es gibt keinen einzelnen, universell gültigen Standard – der erforderliche Standard hängt von der Anwendung, der Zellchemie, der Installation und der Rechtsordnung ab.
Das wesentliche Konstruktionsziel besteht nicht lediglich darin, den ersten Zellenausfall zu verhindern, sondern darin, zu verhindern, dass dieser Ausfall zu einem Ereignis auf Packebene wird. Dies erfordert Schutz auf Zellenebene, thermische Isolierung, kontrollierte Gasableitung, feuerbeständige Strukturen, die Unterbrechung elektrischer Fehlerströme und validierte Missbrauchsprüfungen.
Was die Konstruktion verhindern muss
Wärmeübertragung von Zelle zu Zelle
Eine ausgefallene Zelle kann Wärme durch direkte Wärmeleitung, heiße Gase, Flammen und Wärmestrahlung übertragen. Das Pack muss daher den Wärmestrom zu benachbarten Zellen begrenzen und verhindern, dass benachbarte Zellen ihre eigenen Schwellenwerte für das thermische Durchgehen erreichen.
Zu den wirksamen Maßnahmen gehören thermische Barrieren, kontrollierte Abstände, strukturelle Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit und eine lokale Isolierung an besonders gefährdeten Zellenschnittstellen. Die Konstruktion muss anhand des tatsächlichen Zellformats, der Abstände, der Kompression, der Kühlanordnung und der Gehäusematerialien validiert werden.
Ausbreitung von Flammen und heißen Partikeln
Ein Packgehäuse sollte einer Entzündung widerstehen und verhindern, dass Flammen oder glühende Partikel direkt mit benachbarten Zellen, Leitungen, Isolierungen oder brennbaren Strukturkomponenten in Kontakt kommen.
Konstruktionen verwenden häufig flammhemmende oder feuerbeständige Gehäuse, interne Barrieren, geschützte Sammelschienen und compartmentalisierte Module. Die Materialauswahl allein ist nicht ausreichend, wenn Entlüftungsöffnungen, Fugen, Kabeldurchführungen oder Befestigungselemente einen unkontrollierten Weg für die Flammenausbreitung bilden.
Druck- und Gasmanagement
Beim thermischen Durchgehen können große Mengen heißer, entzündlicher und teilweise giftiger Gase entstehen. Ein abgedichtetes Gehäuse kann diese Gasbildung in einen druckbedingten Berstvorgang umwandeln.
Die Baugruppe sollte vorgesehene Entgasungskanäle, Druckentlastungselemente und Abgaswege umfassen, die Gase von Personen, kritischer Elektronik, benachbarten Zellen sowie Fahrzeug- oder Flugzeugstrukturen wegführen. Die Entlüftungswege dürfen Flammen oder heiße Gase nicht unbeabsichtigt in ein anderes Modul leiten.
Eskalation elektrischer Fehler
Elektrische Fehler können die Wärme erzeugen, die das thermische Durchgehen auslöst, oder eine bereits ausgefallene Zelle weiter aufheizen. Das Pack benötigt daher einen koordinierten Schutz auf Zellen-, Modul- und Systemebene.
Typische Maßnahmen umfassen Zellensicherungen, Stromunterbrechungseinrichtungen, PTC-Elemente, redundante Strompfade, Schütze, elektronische Überstromschutzvorrichtungen sowie eine kontinuierliche Spannungs- und Temperaturüberwachung. Das BMS sollte nicht als einzige Schutzbarriere betrachtet werden, da ein thermisches Durchgehen Sensoren, Leitungen oder Steuerelektronik beschädigen kann.
Erforderliche strukturelle Konstruktionsmerkmale
Isolierung auf Zellenebene
Jede Zelle sollte über eine definierte Strategie für den thermischen und elektrischen Schutz verfügen. Dazu können Separatoren, PTC-Vorrichtungen, Stromunterbrechungseinrichtungen, Sicherungen, Entlüftungsschnittstellen und lokale thermische Barrieren gehören.
Die Konstruktion muss den spezifischen Fehlermodus des Zellformats berücksichtigen. Zylindrische, Pouch- und prismatische Zellen setzen Wärme und Gase unterschiedlich frei. Daher kann eine für ein Format validierte Barriere- oder Entlüftungskonstruktion nicht automatisch auf ein anderes Format übertragen werden.
Compartmentalisierung auf Modulebene
Module sollten die Anzahl der Zellen begrenzen, die einem Ausfall einer einzelnen Zelle ausgesetzt sind. Physische Trennwände, feuerbeständige Barrieren und kontrollierte Abstände können die Ausbreitung verlangsamen und die Isolierung zwischen elektrischen Bereichen aufrechterhalten.
Eine modulare Struktur trägt außerdem dazu bei, dass ein lokal begrenztes Ereignis nicht das gesamte Pack außer Betrieb setzt. Die Trennwände müssen jedoch mit Kühlwegen, Wartungszugang, Montagetoleranzen und der Druckentlastung kompatibel sein.
Thermomanagement
Kühlsysteme sollten die Zellen innerhalb ihres normalen Betriebsbereichs halten und Temperaturgradienten über das Pack hinweg reduzieren. Je nach Anwendung können Flüssigkeitskühlung, Zwangsluftkühlung, Wärmeverteiler und thermische Schnittstellenmaterialien eingesetzt werden.
Kühlung ist eine Präventionsmaßnahme, aber keine vollständige Maßnahme zur Kontrolle der Ausbreitung. Nach dem Auftreten eines internen Kurzschlusses kann die Wärme des thermischen Durchgehens möglicherweise nicht schnell genug abgeführt werden. Daher bleiben spezielle Barrieren und ein geeignetes Entlüftungsmanagement erforderlich.
Integrität des Gehäuses
Das Außengehäuse muss den mechanischen und thermischen Belastungen der festgelegten Missbrauchsszenarien standhalten. Es sollte den gefährlichen Ausstoß von Fragmenten verhindern, benachbarte Ausrüstung schützen und einen sicheren Abstand zu Personen gewährleisten.
Das Gehäuse muss außerdem Ausdehnung, Druckentlastung, Temperaturwechsel, Vibrationen, Crashbelastungen, Schutz gegen das Eindringen von Fremdkörpern und Wasser sowie Fertigungsschwankungen berücksichtigen. Ein starres Gehäuse ohne kontrollierte Druckentlastungsstrategie kann die Gefahr erhöhen, statt sie zu verringern.
Sichere Trennung kritischer Systeme
Hochspannungsleiter, Niederspannungssteuerungen, Kühlleitungen, Sensoren und Kommunikationsleitungen sollten so verlegt werden, dass ein Ereignis an einer einzelnen Zelle nicht alle Schutzfunktionen außer Betrieb setzt.
Kritische Erfassungs- und Unterbrechungsfunktionen können eine physische Trennung, Redundanz oder ein ausfallsicheres Verhalten erfordern. Ziel ist es, die Fähigkeit zur Isolierung des Packs zu erhalten, selbst wenn ein Bereich durch Hitze, Rauch, Flammen oder mechanische Beschädigung beeinträchtigt wurde.
Welche Prüfstandards und -methoden relevant sind
RTCA DO-311A für Batterien in der Luft- und Raumfahrt
RTCA DO-311A behandelt die Sicherheit wiederaufladbarer Lithiumbatterien und Batteriesysteme in Luftfahrzeugen. Der Standard ist besonders relevant, wenn ein Batterieausfall keine unzulässige Gefährdung des Luftfahrzeugs verursachen darf.
Der Sicherheitsansatz des Standards umfasst die Bewertung anormaler elektrischer, thermischer, mechanischer und umweltbedingter Bedingungen. Luft- und Raumfahrtprogramme sollten die jeweils geltende Zulassungsgrundlage für das Luftfahrzeug zusammen mit DO-311A anwenden, anstatt DO-311A als universelle Anforderung für jedes Lithium-Ionen-Pack zu betrachten.
UL 9540A zur Charakterisierung von Ausbreitung und Bränden
UL 9540A ist eine Prüfmethode zur Bewertung der Ausbreitung von Bränden infolge eines thermischen Durchgehens in Batteriespeichersystemen. Sie charakterisiert das Verhalten auf mehreren Ebenen, typischerweise von der Zelle über das Modul und die Einheit bis hin zur Bewertung auf Installationsebene, sofern anwendbar.
Die Methode ist hilfreich, um festzustellen, ob Gase, Wärme, Flammen und Druck einer ausgefallenen Zelle eine Ausbreitung verursachen können. Sie ist eine Prüfmethode und allein kein vollständiger Produktzertifizierungsstandard.
UL 2580 für Batteriepacks von Elektrofahrzeugen
UL 2580 wird häufig für Batterien eingesetzt, die für Elektrofahrzeuge bestimmt sind. Der Standard bewertet Gefahren im Zusammenhang mit elektrischen, mechanischen, thermischen und sonstigen Missbrauchsbedingungen, einschließlich der Konstruktion des Batteriesystems und seiner Schutzfunktionen.
Das genaue Prüfprogramm hängt von der Produktkonfiguration und dem Zertifizierungsweg ab. Fahrzeughersteller können außerdem zusätzliche Prüfungen für Crash, Vibrationen, Wassereinwirkung, Ladefehler und die elektrische Isolierung nach einem Unfall verlangen.
IEC 62619 für industrielle Lithiumbatterien
IEC 62619 behandelt Sicherheitsanforderungen für sekundäre Lithiumzellen und -batterien, die in industriellen Anwendungen eingesetzt werden. Der Standard ist für stationäre, mobile, robotische und andere industrielle Batteriesysteme relevant, abhängig vom vorgesehenen Verwendungszweck des Produkts.
Er sollte zusammen mit regionalen Vorschriften und Installationsanforderungen angewendet werden. Für industrielle Packs können andere Anforderungen an Ausbreitung, Gehäuse, Zugang und Brandbekämpfung gelten als für Fahrzeug- oder Flugzeugbatterien.
UN 38.3 für die Transportqualifikation
UN 38.3 ist in erster Linie eine Anforderung für Transportprüfungen. Sie behandelt Gefahren im Zusammenhang mit dem Versand von Lithiumzellen und -batterien, einschließlich Höhensimulation, Temperaturwechsel, Vibration, Schock, externem Kurzschluss, Aufprall oder Quetschung, gegebenenfalls Überladung und gegebenenfalls erzwungener Entladung.
Der Standard ist wichtig, weist jedoch nicht nach, dass ein hochdichtes Pack die Ausbreitung eines thermischen Durchgehens während des Betriebs verhindert. Die Transportkonformität kann Prüfungen auf Packebene zu Missbrauch und Ausbreitung nicht ersetzen.
Anwendungsspezifische mechanische und elektrische Prüfungen
Je nach Produkt können zusätzliche Standards gelten. Beispiele sind Anforderungen für Fahrzeuge, die Luft- und Raumfahrt, stationäre Energiespeicherung, die Schifffahrt, medizinische Geräte und Unterhaltungselektronik.
Der Prüfplan sollte je nach Risikobewertung externen Kurzschluss, Überladung, Tiefentladung, erzwungene Entladung, Quetschung, Nageldurchdringung oder die Simulation eines internen Kurzschlusses, Aufprall, Vibration, Temperaturwechsel, Kühlausfall, Sensorausfall sowie Fehler des Ladegeräts oder BMS abdecken.
Wie Ausbreitungsprüfungen durchgeführt werden sollten
Mit der Charakterisierung der Zelle beginnen
Vor der Prüfung des Packs sollte das thermische und elektrische Fehlerverhalten der Zelle ermittelt werden. Beschleunigte Kalorimetrie und die dynamische Differenzkalorimetrie können dabei helfen, Selbsterwärmung, Wärmefreisetzung, den Beginn von Reaktionen und thermische Übergänge zu messen.
Bei den Prüfungen sollten repräsentative Serienproduktionszellen verwendet werden, nicht nur ideale Laborproben. Zellchemie, Ladezustand, Alterung, Fertigungsschwankungen und Zellimpedanz können das Ergebnis erheblich beeinflussen.
Den ungünstigsten plausiblen Zellstandort prüfen
Der Auslöser für eine einzelne Zelle sollte an den Positionen platziert werden, die am wahrscheinlichsten eine Ausbreitung verursachen. Dazu können das Zentrum eines eng gepackten Moduls, eine Zelle neben einem Entlüftungsweg, eine Zelle in der Nähe brennbarer Materialien oder eine Zelle mit der geringsten Kühlwirkung gehören.
Die Prüfung ausschließlich der am einfachsten zu kühlenden oder zugänglichsten Zelle kann zu irreführenden Schlussfolgerungen führen. Die ausgewählte Auslöserposition sollte durch thermische Modellierung, Gefahrenanalyse und eine physische Untersuchung des Packs begründet werden.
Mehr als nur die Temperatur messen
Die Temperatur ist notwendig, aber nicht ausreichend. Bei der Prüfung sollten Zellenspannung, Strom, Oberflächen- und gegebenenfalls Innentemperaturen, Druck, Gasfreisetzung, Flammen, Rauch, Entlüftungsrichtung, strukturelle Verformung und elektrische Isolierung aufgezeichnet werden.
Die Prüfung sollte feststellen, ob benachbarte Zellen stabil bleiben, ob Schutzvorrichtungen den Fehlerstrom unterbrechen und ob das Gehäuse das Ereignis sicher eindämmt oder umleitet.
Die vollständige Systemkonfiguration verifizieren
Die Ergebnisse der Ausbreitungsprüfung hängen von der vollständigen Baugruppe ab. Der Prüfling sollte die für die Serienproduktion vorgesehenen Zellen, Sammelschienen, Sicherungen, das BMS, das Kühlsystem, das Gehäuse, Barrieren, Befestigungselemente, Dichtungen, Entlüftungswege und einen repräsentativen Ladezustand umfassen.
Eine unabhängig geprüfte Barriere kann sich nach Kompression, Alterung, Kontakt mit Kühlmittel, Vibrationen oder der Integration in ein begrenztes Modul anders verhalten. Prüfungen auf Komponentenebene sind für die Entwicklung hilfreich, können aber eine repräsentative Packprüfung nicht ersetzen.
Die Zielkonflikte verstehen
Mehr Isolierung kann die Kühlleistung verringern
Thermische Barrieren können die Ausbreitung verlangsamen, aber auch während des normalen Betriebs Wärme einschließen. Eine stark isolierte Konstruktion kann größere Temperaturgradienten entwickeln oder eine höhere Kühlleistung erfordern.
Die richtige Lösung ist in der Regel eine selektive Isolierung: Zwischen Zellen oder Modulen sollte ein starker Schutz vorgesehen werden, während für den normalen Betrieb ein gezielter Wärmeweg zum Kühlsystem erhalten bleibt.
Eine Abdichtung des Packs kann das Druckrisiko erhöhen
Ein abgedichtetes Gehäuse kann den Schutz gegen das Eindringen von Fremdkörpern und Wasser sowie die Eindämmung verbessern, aber beim Entlüften auch einen schnellen Druckanstieg ermöglichen. Die Druckentlastung muss konstruktiv ausgelegt werden und darf nicht dem zufälligen Bersten einer Fuge oder Abdeckung überlassen werden.
Entlüftungsauslässe sollten hinsichtlich Flammen, Giftigkeit der Gase, Wiederentzündung und Ausströmrichtung bewertet werden, nicht nur hinsichtlich ihrer Druckbelastbarkeit.
Eine risikoärmere Zellchemie beseitigt das Ausbreitungsrisiko nicht
Zellchemien wie LFP weisen im Allgemeinen eine höhere thermische Stabilität auf als einige energiereiche Metalloxid-Zellchemien. Dennoch sollte keine Lithium-Ionen-Chemie als ausbreitungssicher betrachtet werden.
Packdichte, Ladezustand, Zellkonstruktion, mechanische Beschädigung, Ladefehler und Gehäusekonstruktion können weiterhin gefährliche Ereignisse verursachen.
Temperaturgrenzen sind kein ausreichender Schutz
Die normalen Betriebstemperaturen sollten konservativ geregelt werden. Die Temperatur allein ist jedoch keine ausreichende primäre Methode zur Laderegelung oder Fehlererkennung. Interne Kurzschlüsse und eine schnelle Erwärmung können sich schneller entwickeln, als ein verteiltes Sensorsystem sie erkennen kann.
Der Schutz sollte Spannungsüberwachung, Strommessung, eine Überstromlogik mit mehreren Schwellenwerten, thermische Sensorik und unabhängige Unterbrechungsvorrichtungen kombinieren.
Labor-Missbrauchsprüfungen sind keine automatische Zertifizierung
Quetsch-, Nageldurchdringungs-, ARC-, DSC- und Überladungsprüfungen sind leistungsfähige technische Werkzeuge. Sie helfen dabei, Fehlerschwellen zu ermitteln und Konstruktionen zu vergleichen. Die Zertifizierung hängt jedoch weiterhin vom geltenden Standard, der Prüfmethode, dem akkreditierten Labor, der Konfiguration und der zuständigen Behörde ab.
Die richtige Auswahl für Ihr Ziel
Die erforderliche Konstruktions- und Prüfgrundlage sollte durch eine formale Gefahrenanalyse festgelegt und dem vorgesehenen Markt sowie der Installation zugeordnet werden.
- Wenn Ihr Schwerpunkt auf der Zertifizierung für die Luft- und Raumfahrt liegt: Verwenden Sie RTCA DO-311A zusammen mit der geltenden Zulassungsgrundlage für das Luftfahrzeug und weisen Sie eine kontrollierte Entlüftung, thermische Isolierung, elektrische Schutzmaßnahmen sowie ein sicheres Verhalten nach repräsentativen Zell- und Packfehlern nach.
- Wenn Ihr Schwerpunkt auf Elektrofahrzeugen liegt: Verwenden Sie die geltenden Anforderungen für Fahrzeugbatterien, häufig einschließlich UL 2580 oder regionaler Entsprechungen, zusammen mit Prüfungen zu Crash, Vibration, elektrischem Missbrauch, Kühlausfall und Ausbreitung.
- Wenn Ihr Schwerpunkt auf stationärer Energiespeicherung liegt: Verwenden Sie UL 9540A zur Charakterisierung des Ausbreitungs- und Brandverhaltens zusammen mit den geltenden Zertifizierungsanforderungen für System und Installation.
- Wenn Ihr Schwerpunkt auf Industrieanlagen liegt: Prüfen Sie IEC 62619 und relevante regionale Anforderungen und passen Sie mechanische, umweltbezogene und auf die Ausbreitung bezogene Prüfungen an die Betriebsgefahren der Anlage an.
- Wenn Ihr Schwerpunkt auf dem Transport liegt: Führen Sie UN 38.3 durch, betrachten Sie die Transportqualifikation jedoch nicht als Nachweis für die Eindämmung eines thermischen Durchgehens im Betrieb.
- Wenn Ihr Schwerpunkt auf der Produktentwicklung liegt: Kombinieren Sie Zellkalorimetrie, Quetsch- und Durchdringungsprüfungen, elektrische Missbrauchsprüfungen sowie repräsentative Ausbreitungsprüfungen auf Modul- oder Packebene, bevor Sie Barrieren, Entlüftungswege und BMS-Schutzfunktionen finalisieren.
Eine belastbare hochdichte Batteriekonstruktion ist eine Konstruktion, bei der der erste Zellenausfall erkannt, elektrisch isoliert, thermisch eingedämmt und sicher entlüftet wird, bevor er zu einem Ausfall auf Packebene werden kann.
Zusammenfassungstabelle:
| Konstruktionsmerkmal | Zweck | Beispielmaßnahmen |
|---|---|---|
| Isolierung auf Zellenebene | Wärmeübertragung auf benachbarte Zellen verhindern | Thermische Barrieren, Abstände, Isolierung |
| Compartmentalisierung auf Modulebene | Ausbreitung eines Ausfalls innerhalb des Packs begrenzen | Feuerbeständige Trennwände, Abstände |
| Thermomanagement | Normale Temperaturen aufrechterhalten, Gradienten reduzieren | Flüssigkeitskühlung, Wärmeverteiler |
| Integrität des Gehäuses | Flammen und Druck eindämmen, die Umgebung schützen | Druckentlastung, flammhemmendes Gehäuse |
| Sichere Trennung | Kritische Systeme vor Schäden schützen | Redundante Sensoren, isolierte Leitungen |
| Prüfstandard | Anwendung | Schwerpunkt |
|---|---|---|
| RTCA DO-311A | Luft- und Raumfahrt | Systemsicherheit, anormale Bedingungen |
| UL 9540A | Stationäre Energiespeicherung | Charakterisierung von Ausbreitung und Brand |
| UL 2580 | Elektrofahrzeuge | Elektrischer, mechanischer und thermischer Missbrauch |
| IEC 62619 | Industrie | Sicherheit für industrielle Lithium-Ionen-Batterien |
| UN 38.3 | Transport | Transportsicherheit, nicht Ausbreitung |
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