Sicherheit von Lithiumbatterien: Thermisches Durchgehen in Batteriepacks verhindern

Ein Batteriepack kann seine Sollwerte für Nennspannung und Kapazität erfüllen und trotzdem unsicher sein, wenn Zellen, BMS-Einstellungen, Kühlung und Gehäusekonstruktion als voneinander unabhängige Entscheidungen behandelt werden. Thermal Runaway ist eine selbsterhitzende Reaktion, die sich von einer Zelle auf andere ausbreiten kann. Um dies zu verhindern, sind Schutzmaßnahmen für das gesamte Pack erforderlich; ein einzelnes Schutzmerkmal reicht nicht aus.

1. Beginnen Sie mit der Zelle und ihrem Betriebsbereich. LiFePO4 bietet im Allgemeinen eine höhere thermische Stabilität als viele Lithium-Ionen-Chemien mit höherer Energiedichte, ist jedoch nicht immun gegen Überhitzung, interne Kurzschlüsse oder Brände. Geben Sie das genaue Zellenmodell und die Zellchemie, die zulässigen Lade- und Entladetemperaturen, die Spannungsgrenzen, die maximalen kontinuierlichen und Spitzen-C-Raten sowie die erwartete Zyklenlebensdauer bei der vorgesehenen DoD an. Übernehmen Sie keine Grenzwerte einer anderen Zelle oder Chemie.

Stimmen Sie die Leistungsfähigkeit der Zellen auf den tatsächlichen Einsatz ab. Eine Telekom-Backup-Batterie kann den größten Teil ihrer Lebensdauer bei hohem SOC verbringen und nur selten entladen werden, während ein Solar-Energiespeicher-Pack täglich zyklieren kann und ein UPS für kurze Zeit eine hohe Entladeleistung benötigt. Marine- und Traktionsanwendungen können zusätzliche Belastungen durch Vibrationen, Stöße, Feuchtigkeit und wechselnde Belüftungsbedingungen mit sich bringen. Jedes Einsatzprofil beeinflusst die thermische und elektrische Auslegung.

2. Gestalten Sie das BMS als abgestimmte Schutzebene. Das BMS sollte jede Zelle beziehungsweise jede Zellgruppe wie erforderlich messen, Packstrom und Temperatur überwachen, SOC und SOH schätzen und bei Zellüberspannung, Zellunterspannung, Überstrom und Temperaturgrenzwerten reagieren. Stellen Sie sicher, dass die Sensoren wahrscheinliche Hotspots abdecken und das BMS bei Bedarf Ladequelle und Verbraucher trennen kann. Eine angezeigte Warnung bietet allein keinen Schutz, wenn sie keine festgelegte Reaktion auslöst.

Legen Sie die Schwellenwerte anhand der Grenzwerte des Zellenherstellers fest und validieren Sie sie im fertigen Pack. Berücksichtigen Sie Toleranzen für die Sensorgenauigkeit, Messverzögerung, Reaktionszeit von Schützen oder MOSFETs sowie erwartete Lasttransienten. Bestätigen Sie, dass das Laden außerhalb des zulässigen Temperaturbereichs verhindert wird, auch beim Laden bei kalter Witterung, und dass das Verhalten im Fehlerfall auch nach einem Sensor-, Kommunikationsverbindungs- oder Steuerstromausfall festgelegt ist.

Zu den nützlichen Konstruktionsprüfungen gehören:

- Gleichen Sie die Spannungs-, Temperatur- und Stromgrenzwerte der Zellen mit dem Datenblatt der ausgewählten Zelle ab.

- Prüfen Sie, ob das BMS bei relevanten Fehlern sowohl Laden als auch Entladen unterbricht.

- Prüfen Sie die Nennwerte von Sicherungen oder Leistungsschaltern, das Ausschaltvermögen, die Kabeldimensionierung und den Verbindungswiderstand.

- Überprüfen Sie die Positionierung der Temperatursensoren, Plausibilitätsprüfungen und das Verhalten bei einem getrennten Sensor.

- Legen Sie für den Systemintegrator Alarme, Abschaltverhalten, Neustartbedingungen und Fehlerprotokollierung fest.

3. Verringern Sie das Risiko, dass sich ein Fehler ausbreitet. Verwenden Sie Sammelschienen, Kabel, Isolierungen, Kriechstrecken und Luftstrecken, die für die maximale Spannung und den Fehlerstrom geeignet sind. Schützen Sie Anschlüsse vor versehentlicher Berührung und leitfähigen Fremdkörpern. Die mechanische Fixierung sollte Zellbewegungen verhindern, ohne die Zellen zu beschädigen. Das Gehäuse muss Vibrationen, Stöße, Wasser- oder Staubeinwirkung und den Zugang für Wartungsarbeiten berücksichtigen. Thermische Barrieren, Abstände, Entgasungswege und Packanordnung sind gemeinsam zu bewerten; ein abgedichtetes Pack ohne Berücksichtigung von Druck und Entlüftung kann zusätzliche Gefahren schaffen.

Ein praktischer Vergleich zeigt, warum Nennwerte allein die Auslegung nicht festlegen. Betrachten wir zwei beispielhafte LiFePO4-Packs der 48-V-Klasse für einen Telekom- oder UPS-Schrank: Pack A verwendet einen Zellensatz mit 100 Ah, eine kontinuierliche Entladegrenze von 0,5C und eine Temperaturüberwachung nur an den Anschlüssen. Pack B verwendet einen Zellensatz mit 100 Ah, eine kontinuierliche Grenze von 1C gemäß Zellspezifikation, verteilte Temperaturmessung sowie eine abgestimmte BMS- und Sicherungsstrategie. Pack B kann mehr Leistung liefern, ist dadurch aber nicht automatisch sicherer. Seine höhere Strombelastbarkeit erfordert eine Validierung von Sammelschienen, Verbindungen, Temperaturanstieg, Abschaltung und Gehäuseverhalten. Diese Werte sind Beispiele und keine allgemeingültigen Auslegungsgrenzen.

4. Validieren Sie das vollständige Produkt und seine Installation. Prüfen Sie den Normalbetrieb über den angegebenen Umgebungstemperatur- und Lastbereich. Verifizieren Sie anschließend die Schutzreaktionen auf plausible Fehler, einschließlich Übertemperatur, Überstrom, anomaler Spannung und Sensorausfall. Untersuchen Sie das Verhalten der Zellen und des Gehäuses bei thermischen Ereignissen und ob die Installation einen Fehler erkennen, isolieren oder eindämmen kann. Stellen Sie sicher, dass Ladegeräteeinstellungen, Wechselrichtergrenzen, Verkabelung, Belüftung und benachbarte Geräte der freigegebenen Systemkonfiguration entsprechen.

Zertifizierungs- und Transportprüfungen beantworten unterschiedliche Fragen. UN38.3 gilt für Transportprüfungen von Lithiumzellen und -batterien; die Norm ersetzt keine Sicherheitsbewertung des Produkts. IEC 62619 behandelt Sicherheitsanforderungen für sekundäre Lithiumzellen und -batterien in industriellen Anwendungen, während UL 1973 für Batterien in stationären Anwendungen und Traktionshilfsanwendungen gilt. Wählen Sie die zutreffenden Normen anhand der Produktkategorie, des Markts und der Installation aus und prüfen Sie den genauen Zertifizierungsumfang sowie die geprüfte Konfiguration.

Dokumentieren Sie den Sicherheitsnachweis für Beschaffung und Integration. Fordern Sie von Lieferanten eine rückverfolgbare Zellkennzeichnung, BMS-Schutzspezifikationen, Prüfberichte für die angebotene Konfiguration, Betriebsgrenzen, Installationsanweisungen und Änderungsmanagementverfahren an. Zellwechsel, Firmwareänderungen, geänderte Reihen- oder Parallelschaltungen und überarbeitete Gehäuse können die validierte Leistung beeinflussen. Verlangen Sie daher eine Prüfung und erneute Tests, wenn Änderungen sicherheitskritische Merkmale betreffen.

Teilen Sie bei einem kundenspezifischen Pack das Lastprofil, den Spitzenstrom und seine Dauer, die Ladequelle, den Umgebungstemperaturbereich, die Montageausrichtung, die Gehäusebeschränkungen, den Kommunikationsbedarf und die angestrebten Normen mit, bevor die Auslegung festgeschrieben wird. Newbeebattery kann als OEM/ODM-Partner für kundenspezifische Packs die Zellauswahl, BMS-Konfiguration, mechanische Konstruktion und Validierung auf die Anwendung abstimmen.

Die Sicherheit einer Lithiumbatterie hängt davon ab, Energie, Temperatur, Strom und Fehlerausbreitung als Gesamtsystem zu kontrollieren. Käufer senken das Risiko, indem sie anwendungsbezogene Grenzwerte festlegen, das BMS und die mechanischen Schutzmaßnahmen prüfen und das fertige Pack samt Installation anhand der relevanten Anforderungen validieren.