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Wie sicher sind Lithium-Ionen-Akkupacks wirklich?

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Jede Zelle hat eine eigene Sicherheitsabschaltung

In vielen Batterien enthält jede einzelne Zelle ihre eigene unabhängige Sicherheitsabschaltung. Das CID (Current Interruption Device) ist eine Absicherung, die bei Extremtemperaturen auslöst und die Lithiumzelle elektrisch abschaltet, bevor sie die Entzündungstemperatur erreicht. Anschließend wird jede Zelle auf ihr Verhalten bei einem katastrophalen Fehler geprüft, um sicherzustellen, dass dieses selbst im ungünstigsten Fall unkritisch ist.

Weiterentwickelte elektronische Regelungen auf der anderen Seite können die Betriebsbedingungen überwachen und das gesamte Batteriepack zeitweise komplett abschalten. Falls notwendig reversibel, dass es wieder einsatzfähig wird, sobald ein sicherer Zustand wieder hergestellt ist. Die besten Systeme bieten vier Sicherheitsstufen, die über das gesamte Batteriepack funktionieren. Jeder dieser Schutzmechanismen sollte ansprechen, bevor die Möglichkeit besteht, dass die Sicherheit der Zelle beeinträchtigt werden könnte. Dies können Software- oder Hardware-Mechanismen sein. Bei den von VARTA Microbattery hergestellten Batteriepacks werden die beiden unteren Ebenen per Software implementiert und die beiden höheren per Hardware.

Grenzwerte für Tiefentladung, Überladung und Überstrom

Bild 2: Der Regelschaltkreis in Lithium-Batteriepacks von VARTA Microbattery arbeitet mit vier Sicherheitsstufen.
Bild 2: Der Regelschaltkreis in Lithium-Batteriepacks von VARTA Microbattery arbeitet mit vier Sicherheitsstufen.
(Bild: Varta Microbattery)
Die erste Sicherheitsebene ruft über Schaltkreisüberwachung die Batteriespannung und den Ladezustand (SOC) (Bild 2) ab. Der Systementwickler setzt Grenzwerte für Tiefentladung, Überladung und Überstrom (Kurzschluss). Wenn einer dieser Grenzwerte überschritten wird, schaltet die Schutzschaltung (PCM) die Batterie automatisch ab. Das PCM führt die Überwachung der Betriebsbedingungen fort, und setzt die Batterie, sobald die Tiefentladung, die Überladung oder der Kurzschluss nicht mehr vorliegen, wieder in die Grundeinstellung zurück.

Die zweite Sicherheitsstufe spricht dann an, wenn der Fehlerzustand wiederholt auftritt: Nach einer programmierbaren Anzahl von Abschaltungen wird die Schutzschaltung permanent aktiv. Die Batterie wird somit gesperrt und kann nur wieder freigeschaltet werden, wenn sie für eine umfassende Überprüfung und Sicherheitskontrolle an VARTA Microbattery zurückgesandt wird.

Zwei äußerst robuste Sicherheitsstufen

Die ersten zwei Sicherheitsstufen sind äußerst robust. Sie greifen auf die Messung von Spannung, Strom und Temperatur zurück, die mit präzisen und bekannten elektronischen Bauteilen durchgeführt werden, deren lange Zuverlässigkeit nachgewiesen ist. Der Ausfall eines dieser Sensoren oder des Mikrocontrollers selbst ist äußerst unwahrscheinlich. Dennoch muss das Risiko eines derartigen Ausfalls berücksichtigt werden.

Darum setzt VARTA Microbattery zwei weitere (höhere) Sicherheitsstufen ein, die nicht auf irgendwelche andere Komponenten oder die Ausführung von Software-Algorithmen angewiesen sind. Zum einen überwacht eine aktive Sicherung die Batteriespannung und schaltet automatisch ab, wenn ein vorgegebener Überspannungswert überschritten wird. In diesem Fall wird die Batterie auf Dauer abgeschaltet. Und schließlich spricht eine passive Sicherung bzw. Thermosicherung bei Überstrom oder Übertemperatur an. Auch hier wird die Batterie auf Dauer abgeschaltet.

Sicherheitsmaßnahmen auf Systemebene

Wie oben beschrieben, arbeiten Sicherheitsmechanismen in jeder einzelnen Zelle sowie im Batteriepack als Gesamteinheit. Die letzte Stufe der Sicherheitsmaßnahmen betrifft das montierte Batteriepack. Zuerst wird die mechanische Konstruktion unter thermischen Gesichtspunkten optimiert. Zur Überprüfung kann sie dabei mit einer Wärmebildkamera auf sog. Hotspots untersucht werden. Außerdem werden das Gehäuse und alle Einrichtungen und Befestigungen im inneren so spezifiziert, dass sie den vorgegebenen Betriebsbedingungen des Endprodukts standhalten.

Falltests aus 1 m Höhe

Alle Batteriepacks von VARTA Microbattery werden außerdem standardmäßig einer Reihe von Falltests aus 1 m Höhe unterzogen, wobei für bestimmte Anwendungen strengere Tests gelten können. Schließlich muss das Batteriepack im Rahmen unabhängiger Prüfungen alle Zertifizierungen gemäß den anwendbaren Industriestandards bestehen. Bei Batteriepacks mit mehr als 100 Wh könnten dies z.B. die Vorgabe einer Zertifizierung nach UL2054 oder IEC 62133 sein. Große Batteriepacks müssen außerdem ggf. als zugelassene Luftfracht zertifiziert werden. Ein voll ausgestattetes Batterieprüflabor führt, falls erforderlich, eine Reihe zusätzlicher Sicherheitstests durch. Auf diese Weise kann der OEM Bedingungen simulieren, die beim praktischen Einsatz seines Endprodukts auftreten könnten.

Vorteile moderner Lithium-Technologie nutzen

Jede Batterie mit großer Energiedichte, z.B. bei einer Blei-Säure-Batterie oder einem Lithium-Batteriepack, kann starken Schaden anrichten, sobald diese Energie plötzlich und unkontrolliert freigesetzt wird. Das bedeutet jedoch nicht, dass das Pack ein Sicherheitsrisiko darstellt. Das Risiko hängt von der Wirksamkeit der Schutzmechanismen ab, die eine unkontrollierte Freisetzung von Energie verhindern. Bei einem Lithium-Batteriepack, das von Beginn an auf Sicherheit ausgelegt ist, ist dieses Risiko, durch die Implementierung von vier Sicherheitsstufen zum Schutz des Batteriepacks selbst, vernachlässigbar. Falls eine dieser Sicherheitsstufen ausfällt, kann jede andere die Batterie unabhängig abschalten, um jegliche Gefahr von Verletzungen oder Schäden zu verhindern.

Lithium-Batteriepacks sind ebenso sicher wie Blei-Säure-Batterien

Der Sicherheitsmechanismus des Batteriepacks wird durch die Überstromsicherungen der einzelnen Zellen verstärkt. Mit der auf diese Weise gewährleisteten Sicherheit können es Lithium-Batteriepacks mit Blei-Säure-Batterien ohne weiteres aufnehmen. Aufgrund der Tatsache, dass Lithiumbatterien leichter, kleiner, langlebiger sind und einfachere Entsorgungsmaßnahmen erfordern, scheint ihrer weiteren Verbreitung in den Bereichen Automobil, Industrie, Medizin und Transportwesen nichts mehr im Wege zu stehen.

* Alex Stapleton ist Produktmanager bei VARTA Microbattery.

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