Stromversorgungen Wie sicher sind Lithium-Ionen-Akkupacks wirklich?

Autor / Redakteur: Alex Stapleton * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Lithium-Ionen-Akkus sind zwar erste Wahl in portablen und mobilen Systemen – gelten aber als unsicher. Wie unsicher sie wirklich sind und wie man sie sicherer macht, erfahren Sie in diesem Beitrag.

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(Bild: VARTA Microbattery)

Bei tragbaren Consumer-Geräten hat sich die Lithium-Ionen-Batterietechnologie eindeutig durchgesetzt. Jeder Hersteller von Mobiltelefonen, Tablets und Notebooks nutzt die Lithium-Ionen-Technologie, um einen leichten und zuverlässigen Energiespeicher mit langer Laufzeit zur Verfügung zu stellen, der sich einfach in einem kleinen Gehäuse unterbringen lässt. Entscheidend dabei ist, dass sich Lithium-Ionen-Akkus in diesen Anwendungen nach Milliarden Betriebsstunden weltweit als sicher erwiesen haben.

Tablets & Co. mit geringem Energiebedarf

Bei Handgeräten wie Tablets ist der Energiebedarf jedoch gering – das neue Nexus 7 von Google hat z.B. eine Batterie mit einer Kapazität von 15 Wh. Das heißt, dass die Energiemenge, die bei einer Störung plötzlich freigesetzt werden könnte, gering ist. Zudem gibt es in einer Batterie, die den Standards entspricht, eine Reihe von Schutzmaßnahmen auf der Hardware- und Softwareebene, um zu gewährleisten, dass sie unter präzise definierten Bedingungen arbeitet.

Bleiakkus gelten als sicher

Bei größeren Geräten sind Lithium-Ionen-Batterien hingegen nur wenig gefragt. Motorbetriebene Geräte wie Hebevorrichtungen, Notstromquellen, USV-Anlagen sowie Generator-Ersatzanlagen arbeiten gewöhnlich mit Bleiakkumulatoren, die weitgehend unempfindlich gegenüber Missbrauch hinsichtlich Ladung und Temperatur sind. Bleiakkumulatoren haben sich bezüglich Sicherheit über Jahrzehnte einen ausgezeichneten Ruf erworben. Natürlich ist das theoretische Schadenspotential, dort wo deutlich höhere Energiespeicherkapazitäten benötigt werden, bei einem Batteriefehler entsprechend höher, da die zur Verfügung stehende Energiemenge in einem solchen Fall viel größer ist. Dazu kommt die unterschwellige Angst, dass eine große Lithiumbatterie bei Überspannungs- oder Überstrombedingungen heiß werden und im ungünstigsten Fall in Brand geraten kann.

Für große Akkus gelten strengere Vorschriften

Häufig wird ein Wert von 100 Wh als Schwelle angesehen, bei der Sicherheitsbelange verstärkt in den Fokus gelangen. Dies, weil wieder aufladbare Lithiumbatterien mit Leistungen gleich oder größer 100 Wh mit größerer Aufmerksamkeit bedacht werden und strengeren Beschränkungen gemäß den UN 38.3 Transportvorschriften unterliegen.

Ab 100 Wh wird es schwieriger

Das hat in der Vergangenheit dazu geführt, dass sich einige Hersteller beim Einsatz der Lithium-Ionen-Technologie in Anwendungen mit einem Leistungsbedarf >100 Wh zurückgehalten und abgewartet haben, bis sie dem sicheren Betrieb einer Lithiumbatterie so viel Vertrauen entgegenbringen konnten, wie es bei gekapselten Bleiakkumulatoren der Fall ist. Dieser Zeitpunkt ist jetzt erreicht. Bei entsprechender Sorgfalt in Entwicklung und Konstruktion können große Lithiumbatterien genauso sicher eingesetzt werden, wie kleinere Ausführungen.

Auf der Suche nach absolut sicheren Lithiumbatterien

OEM-Entwickler stehen vor der Herausforderung, einen überprüfbaren Prozessablauf darzulegen, der sicherstellt, dass das Risiko von Gefahren oder Schäden aufgrund einer Batteriefehlfunktion beseitigt ist. Intention dieses Artikels ist, die Elemente eines Sicherheitsdesigns zu beschreiben, welches nachweislich absolut sichere Lithiumbatterien mit sehr großen Kapazitäten, inklusive Packs mit über 500 Wh, ermöglicht. Dieses Sicherheitsdesign kann in jedem großen Lithium-Batteriepack implementiert werden.

Ein gutes Sicherheitskonzept umfasst drei Stufen

Die Architektur einer großen Lithium-Ionen-Batterie bietet dem Systementwickler drei Ebenen in denen Schutzvorkehrungen realisiert werden können: die Zellen, der Regelkreis und das gesamte Batteriepack. Ein gutes Sicherheitskonzept umfasst alle drei Stufen. Sicherheitsplanung sollte mit der Zelle beginnen. Ein großes Batteriepack besteht normalerweise aus mehreren zylindrischen Zellen, die so zusammengebaut sind, dass die mechanischen und thermischen Anforderungen an das Endprodukt erfüllt werden (Bild 1). Verschiedene Zellen haben unterschiedliche Eigenschaften: Die besten Zellen von renommierten Herstellern liefern mehr Ladezyklen, haben eine höhere Kapazität und sie bieten eine größere Toleranz bei Hochtemperaturanwendungen als Zellen minderer Qualität.

Für jede Anwendung die richtige Lithiumzelle

Selbst innerhalb des Sortiments der Marktführer gibt es Typen von Lithiumzellen, die für bestimmte Anwendungen besser geeignet sind als andere. Der Prozess der Batteriesystementwicklung sollte daher mit dem Spezifizieren der Einsatzbedingungen der Batterie in der Endanwendung beginnen. Dazu gehört:

  • die typische und die maximale Anzahl der Ladezyklen,
  • das typische Lastprofil, einschließlich der Vorgaben zur Spitzenleistung,
  • Ladebedingungen: Wie schnell muss die Batterie geladen werden?
  • Typische, Minimum- und Maximumwerte für die Umgebungstemperatur.

Der Zellhersteller ist dadurch in der Lage zusammen mit dem Batteriehersteller diejenige Zelle zu definieren, die die geeignetsten Eigenschaften für die Erfordernisse der Applikation besitzt. Dies ist ein wichtiger Schritt, der bei allen sicherheitstechnischen Planungsprozessen enthalten sein sollte. Außerdem sollten die Zellen über entsprechende Zertifizierungen verfügen, z.B. nach UL1642 gelistet oder gemäß IEC 62133 zertifiziert sein, was z.B. für Batterien in medizinischen Geräten vorgeschrieben ist. Als wichtigen zusätzlichen Schritt testet VARTA Microbattery Musterzellen unter normalen und unter Missbrauchsbedingungen, um die vom Hersteller angegebenen Leistungsdaten zu überprüfen. Wichtig hierbei ist unter anderem, dass bei den zusätzlichen Prüfungen das Verhalten der Zelle bei einem erzwungenen Fehler ermittelt wird. Dies beinhaltet Tests hinsichtlich der Widerstandsfähigkeit bei:

  • langen Ladezeiten mit einem Vielfachen des maximalen angegebenen Ladestroms,
  • Kurzschluss mit niedrigem Widerstand,
  • Wärmetests (z.B. in einem Ofen) bei einer Temperatur, die oberhalb des in den Sicherheitsbestimmungen der Zelle definierten Maximalwerts liegt.

Für große Batteriepacks werden spezifische Sicherheitstests formuliert, um das Verhalten der Batterie unter realen Fehlerbedingungen anwendungsnah aufzuzeigen und die Sicherheitseigenschaften des finalen Designs zu belegen. Der erste Schritt bei der Entwicklung im Hinblick auf einen sicheren Betrieb besteht daher darin, zu gewährleisten, dass sich die Zellen unter allen vorstellbaren Einsatz- und Missbrauchsbedingungen wie vorhersehbar, verhalten, und dies unabhängig von eventuellen Schutz- oder Regelsystemen, die sie überwachen.

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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