Akkuschutz Passive, schadensichere Technologie für resiliente Batteriesysteme

Autor / Redakteur: Tom Balogh * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Lithium-Ionen-Akkus bergen die Gefahr eines Thermal Runaway. Verschiedene Sicherheitssysteme sollen dies verhindern. Wenn all diese Vorkehrungen versagen, hilft eine passive Fail-Safe-Technologie.

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Bild 1: Das rotationssymmetrische Heat-Lock-Element, eingebettet in einem Batteriesystem.
Bild 1: Das rotationssymmetrische Heat-Lock-Element, eingebettet in einem Batteriesystem.
(Bild: Ruag Ammotec)

Durch mechanischen Stress hervorgerufene Kurzschlüsse, unkontrollierte Überladung, Tiefentladung, aber auch durch innere oder von außen verursachte Überhitzung können Lithium-Ionen-Akkus thermisch durchgehen bis hin zu Brand und Explosion.

Unverzichtbare Lithium-Ionen-Akkus

Dennoch sind diese Energieträger unverzichtbar geworden und das in allen Lebensbereichen. Verschiedene Sicherheitsvorkehrungen innerhalb des Akkupacks, im Ladegerät oder im elektrischen Verbraucher können Gefahren verhindern. Heat Lock, eine passive Fail-Safe-Technologie, greift dann ein, wenn die elektronische Sicherheitsarchitektur versagt. Die Einnahme eines sicheren Systemzustands – Safe System State – wird somit abgesichert.

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Lithium-Ionen-Akkus sind eine unverzichtbare dezentrale Energiequelle. Unter Anbetracht des Pariser Klimaabkommens, des europäischen Green Deals und der Bepreisung von Treibhausgasemmisionen ist der Einsatz von elektrochemischen Energiespeichern strategischer Imperativ in einer Vielzahl von Anwendungen.

Vielseitig einsetzbare Energiespeicher

Lithium-Ionen-Akkus findet man in einem breiten Spektrum von Anwendungen. Von der Versorgung dezentraler Einheiten, z. B. im militärischen Bereich oder auch im Einsatz unterbrechungsfreier Stromversorgungen (USV), z. B. für Krankenhäuser und Rechenzentren, über die Speicherung von Energie für den Eigenbedarf durch Erzeugung mit der hauseigenen Photovoltaikanlage bis hin zur Ermöglichung des Betriebs von batterieelektrischen Maschinen wie BEVs, E-Bikes, E-Scootern oder Power Tools.

Lithium-Ionen-Akkus werden immer wirtschaftlicher

Den Löwenanteil der batterieelektrischen Anwendungen bildet das Segment der Akkumulatorenbatterie, die in der Regel als Akkupack ausgeführt ist. In der Regel besteht ein Akkupack aus einer Vielzahl von Lithium-Ionen-Zellen. Durch kontinuierliche Weiterentwicklung dieser Technologie wird der Einsatz auch aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten stetig attraktiver, was eine Studie von Horváth & Partners von 2020 belegt. Dafür gibt es zwei Gründe:

  • Skaleneffekte und Kostendegression im Produktions- und Herstellungsprozess
  • Miniaturisierung der einzelnen Zelle bei gleichzeitiger Steigerung der Energiedichte

Trotz der steigenden Präsenz am Markt, gilt es zu bedenken, dass Akkupacks nach wie vor ein gewisses Restrisiko an latenter Gefahr bergen, insbesondere hervorgerufen durch Punkt zwei, was darin resultiert, dass Lithium-Ionen-Akkus Schwachstellen in puncto Sicherheit aufweisen.

Dominoeffekt durch unzulässige Wärmelast

Ein integraler Bestandteil der Lithium-Ionen-Zelle ist der sogenannte Elektrolyt. Dieses Medium ist häufig zusammengesetzt aus einer Mischung von brennbaren organischen Lösungsmitteln (z. B. Ester-Verbindungen) und einem Leitsalz (Lithium-Salze), welches die elektrische Leitfähigkeit verbessert. Dieses Gemenge ist leicht brennbar und in Kombination mit einer unzulässigen Wärmelast anfällig für die Entwicklung explosiver Gemische. Durch das stetige Bestreben, die Energiedichte von Lithium-Ionen-Zellen weiter zu erhöhen, stellt dies eine potenzielle Gefährdung für den Endanwender dar.

Ein andauernder und unzulässiger Wärmeeintrag kann zu irreversiblen Schäden am Akkupack führen oder im schlimmsten Fall zum thermischen Durchgehen – dem sogenannten Thermal Runaway – was eine ungewollte und äußerst gefährliche schlagartige Freisetzung der gespeicherten Energie mit sich bringt.

Die hierbei führende Größe ist der Parameter Temperatur, da batterieelektrische Zellen einen engen Arbeitsbereich von 15 bis 45 °C aufweisen. Wird dieser Bereich überschritten, stellt die erhöhte Temperatur eine Gefährdung für die funktionale Sicherheit des Gesamtsystems dar.

Zelldefekt wegen der Überladung des Akkus

Die höchste statistische Wahrscheinlichkeit für einen Zelldefekt liegt bei der Überladung des Akkus, die zu einer Zerstörung der Zellstruktur führen kann und in der Regel mit Wärmeentwicklung und gegebenenfalls sogar einer Explosion verbunden ist.

Den Herstellern von Akkupacks ist dieser Risikofaktor selbstverständlich bewusst. Dementsprechend existiert eingebettet in die elektronische Sicherheitsarchitektur ein Batteriemanagementsystem (BMS), das u. a. sicherstellt, dass die Batterie ihren spezifizierten Arbeitsbereich nicht verlässt.

Jedoch sollte hierbei bedacht werden, dass Algorithmen und die dadurch gesteuerte Hardware von einem Versagen nicht gefeit sind, im Worst-Case-Szenario ausfallen und eine unerkannte, unzulässig hohe thermische Belastung das System Batterie entzündet und explodieren lässt.

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Heat Lock – ein autonomes, passives Fail-Safe-Element

In Anbetracht dessen hat Ruag Ammotec die Heat-Lock-Technologie entwickelt, die dazu in der Lage ist – entkoppelt von der elektronischen Sicherheitsarchitektur des Primärsystems – das Batteriepack im Falle einer unzulässigen thermischen Belastung zu schützen und in einen sicheren Zustand zu versetzen. Die Heat-Lock-Technologie fußt auf der Basis eines passiven, thermosensitiven Agenten.

Im Kontext batterieelektrischer Systeme ist die Heat-Lock-Technologie als völlig unabhängige pyrotechnische Trennvorrichtung zu verstehen. Die zu Grunde liegende Idee besteht darin, dass Strom aus einer Batterie in einen Verbraucher fließt und sich die Batterie dabei erwärmt, diese Erwärmung aber vom BMS unbemerkt über das zulässige Maß hinausgeht.

Physiko-chemischer Sensor überwacht seine Umgebung kontinuierlich

Basis der Anwendung ist ein physiko-chemischer Sensor, der seine Umgebung kontinuierlich überwacht, durch Wärmeeintrag (Heat) ausgelöst wird und infolgedessen einen Elektronenfluss dauerhaft sperrt (Lock).

Bei Erreichen einer kritischen Temperatur wird im Heat-Lock-Element ein Prozess in Gang gesetzt, der mittels Druckzunahme im Innern dazu führt, dass ein isolierender Kolben einen hindurchgeführten Stromleiter abschert und damit die verbleibenden Enden des Leiters elektrisch dauerhaft gegeneinander isoliert.

Heat Lock verhindert gefährliche Erwärmung

Das Heat-Lock-Element unterbricht den Leiter dauerhaft, unterbindet damit einen weiteren Stromfluss und die damit verbundene gefährliche Erwärmung der Batterie. Eine derartige Single-Use-Technologie verhindert somit ein unkontrolliertes Wiedereinschalten des geschädigten Systems.

Der Fokus liegt hierbei auf dem Schutz vor Überhitzung von batterieelektrischen Anwendungen mit dem Ziel, das Gesamtsystem und letztlich den Anwender vor den vorgenannten Folgeschäden zu bewahren.

Heat Lock ermöglicht zusätzliche Sicherheitsebene im Primärsystem

Das rotationssymmetrische Design des Heat Lock ermöglicht es Batteriepackherstellern, im Entwicklungszyklus unkompliziert eine zusätzliche Sicherheitsebene in das Primärsystem einzuziehen.

Die Einheit ist im Inneren hermetisch gekapselt und kann somit problemlos in einer automatisierten Batteriemontagelinie gehandelt werden, ein konsistenter Workflow in der Fertigung ist somit sichergestellt.

Erste Stimmen aus dem Pilotumfeld auf Integrationsseite wissen um den Watchdog-Charakter der Anwendung, der somit parallel zur Software-/ Hardware Architektur die Umgebung im Auge behält, wobei es wichtig ist, zu verstehen, dass die Heat-Lock-Technologie vollkommen autark arbeitet und somit ohne separate Spannungsversorgung auskommt. Optional ist jedoch auch die zusätzliche Ansteuerung über einen elektrischen Impuls, respektive über das erwähnte BMS integrierbar.

Unterschiede zu konventionellen Thermosicherungen

Trennscharf abzugrenzen ist die Heat-Lock-Technologie von konventionellen Thermosicherungen. Durchaus haben derartige Komponenten ihre Daseinsberichtigung in den verschiedensten Anwendungsfällen, Heat Lock jedoch ist in seiner Art einzigartig, was dadurch begründet ist, dass weder Strom noch Spannung den Auslösetrigger setzen, sondern vielmehr der Zustand der zu überwachenden Umgebung betrachtet wird, um sicherzustellen, dass das Primärsystem im Falle eines Versagens der elektronischen Sicherheitsarchitektur geschützt wird.

Begrenzende Faktoren wie der niedrige Nennstrom marktüblicher Schmelzsicherungen als auch die vergleichsweise hohen Kosten von Halbleiterbauelementen haben die Auslegung des Heat Lock maßgeblich beeinflusst. Mit dem Ziel, die Entwicklung von batterieelektrischen Systemen sicher und ökonomisch lohnenswert zu gestalten.

Schwellwert lässt sich auf zwei Kelvin genau konfigurieren

Hervorzuheben ist zudem der bereits im niedrigen Temperaturbereich mögliche Schwellwert, welcher ab einer Temperatur, beginnend ab etwa 60 °C auf ±2 K genau konfiguriert werden kann – in Abhängigkeit von dem spezifischen Anwendungsfall auf Integrationsseite.

Das Führen von Nennströmen von bis zu 40 A ist bereits mit der Basisvariante realisierbar. Zudem ist die Anwendung in den Dimensionen Baugröße, Temperaturbereich und Stromstärke skalierbar und wird nach Anforderungsanalyse im Einklang mit dem Integrator abgestimmt.

Das Auslöseverhalten der Heat-Lock-Technologie

Bild 3 gibt einen exemplarischen Einblick über das charakteristische Auslöseverhalten der Heat-Lock-Technologie. Die Konfiguration der Schwellwerttemperatur sowie die konkrete Auslegung der Wärmebrücke sind fallspezifische Parameter, abhängig von der Aufheizrate und erfolgen in Synchronisation zu dem zugrundeliegenden Anwendungsfall.

Der in Bild 3 schwarz dargestellte Temperaturverlauf kennzeichnet den graduellen Anstieg der Oberflächentemperatur an der zu schützenden Batteriezelle, hervorgerufen durch den in Rot dargestellten Stromfluss.

Beim Erreichen eines Temperaturwertes von hier z. B. 98 °C ist eine Veränderung der Steigung der Temperaturkurve feststellbar, was darauf zurückzuführen ist, dass im Inneren des Heat-Lock-Elements ein Druckanstieg einsetzt, der von einer Temperaturzunahme begleitet wird. Nach einer Dauer von hier z. B. 8,3 s lässt sich ein plötzlicher Abfall des Stromflusses (rotes Rechtecksignal) erkennen, was bedeutet, dass die Trennung des Leiters erfolgt ist und eine weitere Überhitzung der Akkuzelle somit ausgeschlossen ist.

Die Abweichung von der nominellen Auslösetemperatur (93 °C) lässt sich dadurch erklären, dass die hier dargestellte Aufheizrate zu Versuchszwecken höher gewählt wurde, als dies in der Realität der Fall ist. Ein weiterer entscheidender Faktor ist die Auslegung der Wärmebrücke, die maßgeblich auf das Temperaturverhalten einwirkt. Klar erkenntlich ist auch, dass nach erfolgter Trennung der Temperaturwert für einen kurzen Zeitraum überschwingt (Abkühldauer des Heat-Lock-Elements), um danach den eingangs diskutierten Safe System State zu erreichen.

Auf dem Weg zur nachhaltigen Energiewirtschaft

Die Vorteile der Elektrifizierung können nur dann voll ausgeschöpft werden, wenn bereits die Auslegung auf Komponentenebene darauf bedacht ist, eine möglichst hohe Langlebigkeit zu gewährleisten. Eine proaktive Integration von Sicherheitsebenen wie der Heat-Lock-Technologie ermöglichen es, das System Energiespeicher und dessen Lebenszyklus möglichst nachhaltig zu gestalten und frühzeitig die Weichen zu stellen – für den Erfolg einer nachhaltigen Energiewirtschaft.

* Tom Balogh ist Project Manager New Business Development bei der Ruag Ammotec GmbH in Fürth.

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