Sicherheitsaspekte beim Testen von

Lithium-Ionen Batterien

René Groiß und Andreas Jossen

BaSyTec GmbH

89129 Öllingen, Rosenweg 7

rg@basytec.de, www.basytec.de

Lithium-Ionen Batterien werden aufgrund Ihrer hohen spezifischen Energie in immer mehr

Anwendungen eingesetzt. Dies gilt nicht nur für kleine mobile Anwendungen, sondern auch

für große Systeme, wie Elektrofahrzeuge oder große stationäre Speicher. Mit zunehmender

Speichergröße steigt aber auch die potentielle Gefahr in kritischen Situationen.

Immer wieder werden Vorfälle in Prüflaboren bekannt, die auf technisches, aber auch auf

menschliches Versagen zurückzuführen sind.

Der Beitrag beschreibt einerseits die prinzipiellen Gefahren beim Betrieb und beim Testen

von Lithium-Ionen Batterien und bewertet diese für unterschiedliche Zell- und

Batteriegrößen. Andererseits werden Konzepte vorgestellt und diskutiert, die in einem

Fehlerfall die Prüfeinrichtung und auch das Personal vor Schäden schützen soll.

Einführung Lithium-Ionen Batterien haben sich in den letzten Jahren im Bereich mobiler Systeme mit

einem Energieinhalt von wenigen 100 mWh bis zu etwa 100 Wh sehr erfolgreich

durchgesetzt. Die typischen Batteriegrößen liegen im Bereich von 3.6V bis 36V bei

Kapazitäten von bis zu 10 Ah. Besonders größere Speichersysteme werden durch serien-

parallel Schaltungen aus Standardzellen der Baugröße 18650 oder 26650 aufgebaut.

Zunehmend kommen auch coffee-bag Zellen zum Einsatz.

Immer größere Anwendungen, wie auch Elektrofahrzeuge, benötigen jedoch deutlich größere

Speichersysteme, die einerseits einen wesentlich höheren Energieinhalt haben und

andererseits auch in der Lage sind, große Leistungen abzugeben. Diese Speicher werden heute

teilweise auch noch mit kleinen Standardzellen aufgebaut, es zeichnet sich aber ein klarer

Trend zur Verwendung größerer Zellen ab. Zellen mit Kapazitäten von 50Ah und mehr

werden hierfür verwendet. Ein Kleinfahrzeug benötigt einen Speicher ab etwa 16 kWh, was

etwa 100 Zellen mit je 50 Ah entspricht. Kommen in den Anwendungen nur ausgereifte

Speichersysteme mit einem aufwändigem Batteriemanagement- und Sicherheitssystem zum

Einsatz, so müssen im Prüffeld Zellen und Systeme im Prototypenstadium getestet werden.

Einerseits sind hier unter Umständen batterieseitig keine Sicherheitssysteme vorhanden und

andererseits besteht bei Prototypen prinzipiell ein höheres Sicherheitsrisiko. Ein weiterer nicht

zu vernachlässigender Risikofaktor besteht durch den flexiblen Betrieb, der ein häufiges

Ändern des Versuchsaufbaus mit sich bringt.

Die folgenden Abbildungen zeigen Fehlerfälle von Lithium-Ionen Batterien in

unterschiedlichen Anwendungen.

Abbildung 1: Akkufehler in eines 1 Jahr alter Laptop brennt am 12. November 2009.

Abbildung 2: Batteriebrand einer PHEV Batterie mit LiFePO4 Zellen [2]

Gefahrenpotentiale von Batterien Die Gefahrenmomente von Lithium-Ionen Batterien lassen sich wie folgt gliedern:

Gefahr durch elektrische Spannung

Gefahr durch elektrischen Strom

Gefahr durch austretende Inhaltsstoffe

Gefahr durch Feuer und/oder Explosion

Um Gefahrenmomente von Batterien zu klassifizieren, wurden so genannte Gefahrenstufen

(Hazard Levels) definiert. Diese beinhalten nur Fehler der Zellen/Batterien und beinhalten

nicht die elektrische Sicherheit. Die folgende Tabelle zeigt die von EUCAR vorgeschlagene

Definition.

Table 1: Gefahrenstufen bei Batteriefehlern nach EUCAR

Beispiel für einen Hazard Level 6 (Rupture) eines HEV Batteriemodus

Gefahr durch elektrische Spannung

Fahrzeugbatterien haben heute Nennspannungen im Bereich von etwa 100V bis zu 800V.

Diese Spannungen können beim Berühren zu einem tödlichen elektrischen Schlag führen.

Daher sind Sicherheitsmaßnahmen, wie Berührschutz und die Einhaltung eines

Isolationswiderstandes erforderlich. Für den Betrieb im Fahrzeug sind Anforderungen gemäß

ECE-R 100 einzuhalten.

Im Prüffeld sind diese Vorschriften bei Spannungen oberhalb von 60V ebenfalls einzuhalten

und Arbeiten am elektrischen Stromkreis sind nur von geschulten Mitarbeitern zulässig.

Beim Versuchsaufbau müssen Berührschutzmaßnahmen vorhanden sein und entsprechend

gekennzeichnet werden.

reje

ct

accep

t

Gefahr durch elektrischen Strom

Die Gefahr durch den elektrischen Strom besteht einerseits durch Bildung von Lichtbögen

(Leitungsunterbrechung) und andererseits durch Überlastung, bzw. Kurzschluss. Alle

Fehlerfälle führen schnell zu lokalen Überhitzungen und zum Brand. Hiervon sind besonders

die gesamte leistungsführende Verkabelung, inklusive Steckverbinder und Zellverbinder

betroffen.

Bei einem Strom von 200A führt bereits ein Übergangswiderstand von 1 m zu einer

Verlustleistung von 40W. Derartige Leistungen führen mindestens zu einer beschleunigten

Alterung des Prüflings, können aber auch zur Überhitzung und zum thermischen Durchgehen

des Prüflings führen. Besonders kritisch dabei ist, dass der Übergangswiderstand durch die

Erwärmung mechanisch zusätzlich belastet wird und so im Laufe der Zeit weiter zunimmt.

Isolierscheiben aus ungeeigneten Materialien können weich werden und so zu einem weiteren

Anstieg der Verluste führen.

Ein weiteres Problem im Prüffeld sind Kurzschlüsse beim Hantieren mit den Speichern.

Gefahr durch austretende Inhaltsstoffe

Lithium-Ionen Zellen sind gasdicht verschlossen, so dass im regulären Betrieb keine

Inhaltstoffe austreten können. Wird das Gehäuse mechanisch beschädigt so können

Inhaltsstoffe gasförmig oder in flüssiger Form austreten. Eine Beschädigung des Gehäuses

kann durch einen Fertigungsfehler, durch mechanische Beschädigung (Crash, unsachgemäße

Behandlung) oder durch Überdruck in der Zelle erfolgen. Überdruck entsteht in der Regel

durch Überhitzung der Zelle, was die Folge einer Überlastung, eines Kurzschlusses oder einer

Überladung sein kann.

In flüssiger Form kann der Elektrolyt austreten. Diese besteht aus einer Mischung von

linearen (DMC) und zyklischen (EC, PC) Carbonaten und dem Leitsalz LiPF6.

Die Lösungsmittel sind brennbar und stark reizend. Insbesondere DMC ist leicht flüchtig und

kann mit Luft explosive Gemische bilden.

Das Leitsalz bildet in Verbindung mit Feuchtigkeit Flusssäure. Diese ist hoch giftig und reizt

die Atemwege.

Gasförmig treten hauptsächlich verdampfter Elektrolyt (Explosionsgefahr) und

Zersetzungsprodukte des Elektrolyten wie Methan, Ethan, Propan und Butan und Aldehyde

aus.

Bedingt durch das verwendete Leitsalz (LiPF6), kann auch das hochgiftige Phosphin

entstehen. Die bisher nachgewiesenen Mengen sind allerdings sehr gering.

Gefahr durch Feuer und/oder Explosion

Die in Lithium-Ionen Batterien eingesetzten Materialien sind zum Teil brennbar und leicht

entzündbar. Die folgende Tabelle gibt eine Übersicht.

Tabelle 1: Wichtige sicherheitsrelevante Stoffgrößen von Li-Zellen

Substanz Abkürz

ung

Siedepunkt

[ °C ]

Flammpunkt

[ °C ]

Zündtemperatur

[ °C ]

Explosions-

grenze [ % ]

Heizwert

Wh/kg

(berechnet)

Dimethylcarbonat DMC 90 16 465 10 - 25 ca. 3700

Ethylencarbonat EC 250 150 465 3 - 16 ca. 3100

Propylencarbonat PC 240 135 510 > 2 ca. 4100

Polyelthylen PE -- -- -- -- 12200

Graphit C -- -- ca. 600 -- 9100

Die Massenanteile (in Gramm pro Ah Kapazität) für eine Hochenergiezelle mit Coffee-Bag

Gehäuse ist in folgender Abbildung dargestellt.

Abbildung 3: Massen der Zellkomponenten in Gramm pro Ah Zellkapazität für eine Coffee-bag Zelle

Hieraus ergibt sich ohne Berücksichtigung des Kathodenmaterials pro Ah Zellkapazität der in

folgender Tabelle dargestellte Brennwert.

7,93

5,423,31

4,32

1,69

1,16

0,74

0,35

Kathodenmat.

Anodenmat.

Elektrolyt

Cu-Ableiter

Al-Ableiter

Separator

Gehäuse

Collector/Isolatoren/Kleber

Tabelle 2: Energieinhalte unterschiedlicher Komponenten.

Komponente Masse / g Heizwert in Wh/kg Heizwert in Wh

Elektrolyt 3.3 3600 11.9

Graphit (ca. 80% der

Anodenmasse)

4.3 9100 39.1

Separator (PE) 1.1 12200 13.4

Summe 64,4

Demzufolge enthält eine Li-Ionen Batterie etwa das gut 10-fache der elektrisch gespeicherten

Energie in Form von thermischer Energie.

Hinzu kommt, dass einige der eingesetzten Kathodenmaterialien bei hohen Temperaturen

spontan zerfallen und dabei Wärme und Sauerstoff abgeben:

WärmeOMOOLiMMOLi 24223,0 24310

Da diese Reaktion exotherm ist und zudem Sauerstoff abgibt, der dann zur Beschleunigung

der anderen Reaktionsabläufe beiträgt, kann es zu einem sehr schnellen thermischen

Durchgehen der Zelle kommen.

Das thermisch Durchgehen wird durch zu hohe Zelltemperaturen ausgelöst die auf folgende

Ursachen zurückzuführen sind:

Äußere Erwärmung zu stark (Feuer, defekter Klimaschrank ..)

Äußerer Kurzschluss

Innerer Kurzschluss durch Zellfehler oder Crash

Überladung der Zelle

Überentladung der Zelle

Risiken beim Umgang mit Li-Ionen Batterien im Prüffeld Da Lithium-Ionen Batterien bei falscher Behandlung potentiell gefährlich sind sind beim

Umgang mit diesen Batterien entsprechende Sicherheitsmaßnahmen zu treffen. Es ist

selbstverständlich, dass Prüflinge auf nicht brennbaren und nicht elektrisch leitfähigen

Arbeitsflächen in fixierter Form betrieben werden sollten.

Fehler beim Prüfen selbst können entweder auf technische Defekte an der Prüfeinrichtung, auf

menschliche Fehler oder auf Zellfehler zurückzuführen sein.

Technische Fehler in der Prüfeinrichtung

Batterieprüfgeräte sind programmierbare Strom-Spannungsquellen die zum Laden und

Entladen dienen. Ein Hardware- oder Softwarefehler in diesen Geräten kann daher zu

unerlaubten Betriebsparameter führen. Aber auch sehr einfache Fehler, wie ein abgefallenes

Sensekabel können zu einem Fehlerfall führen.

Menschliche Fehler

Prüfsysteme sind heute frei programmierbar, d.h. es können beliebige Prüfabläufe innerhalb

der Grenzen der Prüfgeräte durchgeführt werden. Hierdurch besteht aber auch die

Möglichkeit Prüfparameter einzugeben, die zum Durchgehen der angeschlossenen Zelle

führen. Hier gibt es zwar Grenzwerte für Ströme und Spannungen, jedoch sind diese ebenfalls

einstellbar. Diese Fehler lassen sich als Programmierfehler zusammenfassen.

Eine weitere Fehlerquelle besteht beim Anschließen des Prüflings. Hier besteht die Gefahr,

dass eine Senseleitung vergessen wird oder dass die Senseleitungen unterschiedlicher

Prüfkanäle verwechselt werden.

Zell- und Modulfehler

Lassen sich technische Defekte im Prüfsystem und menschliche Fehler mit geeigneten

Vorrichtungen noch großteils erkennen, so sind Zellfehler quasi nicht durch äußere

Messungen vorab detektierbar. Tritt ein Zellfehler auf, wie z.B. ein Kurzschluss, so ist ein

Durchgehen der Zelle und ein Brand mit großer Wahrscheinlichkeit nicht mehr zu

vermeiden.

Sicherheitskonzepte zur Vermeidung von Unfällen beim Testen von Batterien

Aufbau eines Batterieprüfstandes

Ein Batterieprüfstand besteht in der Regel aus folgenden Komponenten:

1. Prüfling

also die Batterie oder Zelle

2. Prüfraum

Das ist der Raum in dem der Prüfling während der Messung gelagert ist. Das

Spektrum reicht hier von „auf dem Tisch“ über einfache Behältnisse (Kiste, Eimer)

über Klima/Temperaturkammern (im folgenden werden beide als Klimakammer

bezeichnet) bis hin zu speziellen Kombinationen aus Klimakammern, Containern und

speziell ausgerüsteten Räumen. Der Prüfraum kann auch die Aufgabe der

Klimatisierung des Prüflings übernehmen.

3. Batterietestsystem

Dieses hat die Aufgabe den Prüfling elektrisch zu belasten, das Prüfprogramm

automatisiert abzuarbeiten und die gewünschten Meßdaten zu sammeln.

Oft ist der Leitstand (in der Regel ein PC) an dem das System bedient wird getrennt

vom eigentlichen Testsystem. Zum Schutz des Testsystems kann dieses in einem

getrennten Raum vom Prüfling aufgestellt sein; eine große räumliche Entfernung wirkt

sich jedoch negativ auf die Performance aus.

4. Verkabelung zwischen Prüfling und Testsystem

5. Optional weitere Sicherheitseinrichtungen:

a. Redundante Überwachungseinrichtungen

i. Als separate Einheit

ii. Als Teil des Testsystems

iii. Als Teil der Klimakammer

b. Sicherheits-Steuerung, z. B. für Zugangskontrolle, Türverriegelung,

Aktivierung der Löscheinrichtung, Überwachungsfunktionen

i. Als separate Einheit

ii. Als Teil des Testsystems

iii. Als Teil der Klimakammer

Ziel des Sicherheitskonzepts

Die schwierigste Aufgabe bei der Konzeption eines Sicherheitskonzepts ist die Balance

zwischen Kosten und Nutzen der getroffenen Sicherheitsmaßnahmen festzulegen.

Eindeutig ist dies was Personenschäden betrifft: Personenschäden sind in jedem Fall zu

vermeiden.

Ansonsten spielt die Verantwortung der beteiligten Personen und deren Verteilung eine große

Rolle.

Maßgebliche Punkte hierbei sind:

1. Investitionskosten der Sicherheitsmaßnahme

2. Betriebskosten der Sicherheitsmaßnahme

3. Durch die Umsetzung der Maßnahme verursachte Verzögerung im Testbeginn

4. Durch die Sicherheitsmaßnahme hervorgerufene Verzögerung des Testablaufs

5. Durch die Sicherheitsmaßnahme verhinderte Prüfungen

6. Durch die Sicherheitsmaßnahme hervorgerufene Beschleunigung des Testablaufs

7. Durch die Sicherheitsmaßnahme verhinderter Schaden

In der Praxis findet man oft eine personelle Trennung der Verantwortung zwischen den

a. Nutznießern der Tests

b. Sicherheitsverantwortlichen

c. Kostenverantwortlichen

Da die Kosten jedoch in der Regel den Nutznießern aufgeschlagen werden haben diese oft

wenig Möglichkeit sich gegen explodierende Kosten durch übertriebene

Sicherheitsmaßnahmen zur Wehr zu setzen mit der Folge daß Projekte nicht oder nur

überteuert durchgeführt werden können. In der Praxis haben wir hier schon eine Verteuerung

des Prüfstandes um bis zu einem Faktor 20 gesehen! Mittelfristig ist dies in jedem Fall ein

Wettbewerbsnachteil für das Unternehmen.

Über die komplette Betriebsdauer eines Prüfstandes ist für jede Maßnahme abzuschätzen:

1. Gesamtkosten der Maßnahme K

2. Anzahl der Schadensereignisse (bzw. deren Wahrscheinlichkeit innerhalb der

Betriebszeit) W

3. Reduktion der Kosten des Schadens durch die Maßnahme k

4. Erhöhung der Kosten des Schadens durch die Maßnahme e

5. Reduktion der Häufigkeit bzw. der Wahrscheinlichkeit des Schadens durch die

Maßnahme w

Da sich durch eine Maßnahme der Wert eines Prüfstands meist erhöht kann sich dadurch auch

der Schaden erhöhen wodurch Punkt 4 zustande kommt.

Der durch die Maßnahme erzielte Gewinn G ergibt sich dann zu

𝐺 = 𝑘 − 𝑒 ∗ 𝑊 − 𝑤 − 𝐾

Eine Maßnahme macht dann keinen Sinn wenn durch sie kein Gewinn erzielt wird – wobei

jeder verhinderte Personenschaden als unendlicher Gewinn zu zählen ist. Dies ist

insbesondere dann der Fall wenn durch die Maßnahme die Kosten eines Schadens erhöht

werden – dies kommt nur den Herstellern von Sicherheitstechnik zugute.

Sicherheitsanalyse

Ziel der Sicherheitsanalyse ist es, Bedrohungen zu erkennen, deren

Eintrittswahrscheinlichkeit und Schadenspotential einzuschätzen und daraus das Risiko

abzuschätzen sowie geeignete Gegenmaßnahmen festzulegen.

Formell geschieht dies oft durch eine sogenannte FMEA (Failure Mode and Effects

Analysis). Dabei wird

1. Das System (in dem Fall der Prüfstand) beschrieben

2. Das System strukturiert

3. Funktionsblöcke definiert

4. Daraus Gefahren

a. Identifiziert

b. Bewertet

c. Wahrscheinlichkeit analysiert

d. Ursachen analysiert

e. Folgen analysiert

f. Maßnahmen zur Vermeidung definiert

g. Maßnahmen zur frühzeitigen Erkennung definiert

h. Maßnahmen zur Schadensbegrenzung definiert

Die FMEA findet man oft auch in Form einer Matrix da Maßnahmen sowohl verschiedene

Gefahren eindämmen können als auch eine Gefahr durch verschiedene Maßnahmen

eingedämmt werden kann.

Maßnahmen zur Vermeidung von Ereignissen

Allgemein:

Eindeutige Kennzeichnung der Anschlüsse

zur Vermeidung der Verwechslung innerhalb eines Prüflings (z. B. + und -) als auch

untereinander

Steckverbinder

o Eindeutig gekennzeichnet

o Möglichst alle zusammengehörigen Signale gebündelt

o „Heiße“ Signale immer berührsicher (bedeutet in der Regel daß Buchsen

batterieseitig eingesetzt werden)

o Zusätzlich vorsehen um Installation an der Batterie außerhalb beengter

Prüfkammern durchführen zu können

o Für die beabsichtigten Temperaturen geeignet

Batterien

o Mit den Anschlüssen auf geeignetem Träger fest befestigen

Anschlüsse an der Batterie

o Fest anklemmen (keine Krokodilklemmen!)

o Mit geeigneten Haltern / Anschlüssen

o Mit möglichst flexiblem Kabel um möglichst wenig Kräfte auf die Batterie

wirken zu lassen und um zu vermeiden daß die Batterie durch das Kabel

bewegt werden kann

o Für die beabsichtigten Temperaturen geeignet

o Sicherung im Stromzweig falls Nenn-Ausgangsstrom des Testsystems grob

vom möglichen Maximalstrom der Batterie abweicht

o Sense-Anschlüsse redundant ausführen (und z. B. 2. Anschluß auf die

redundante Grenzwertüberwachung wie den BaSyTec BSD führen)

Keine nichtisolierten spannungsführende Teile

Arbeiten

o Nur durch geschultes Personal (Batterieverständnis notwendig!)

o Klare Regeln und Anweisungen

o Nicht unter Zeitdruck

o Mit isoliertem und geeignetem Werkzeug durchführen

o An einem geeigneten Arbeitsplatz

Kabel

o Für die beabsichtigten Temperaturen geeignet

o Möglichst flexibel

Am Batterietestsystem:

Sorgfältige Programmierung der Prüfabläufe

Vorab-Simulation zur Kontrolle der Prüfprogramme

Genaue Beobachtung des Programmablaufs speziell bei der ersten Benutzung

Benutzung von Grenzwerten innerhalb der Prüfabläufe:

o Obere Spannungsgrenze

o Untere Spannungsgrenze

o Maximaltemperatur

o Minimaltemperatur

o Maximalstrom

o Minimalstrom

Um Fühlerbruch/Kurzschluss feststellen zu können sollte für jeden Wert möglichst

sowohl eine obere als auch eine untere Grenze definiert werden!

Benutzung von Grenzwerten aus der Batteriedatenbank

Benutzen einer zum Batterietestsystem redundanten Grenzwertüberwachung (wie z. B.

des BaSyTec BSD)

Sicherheitskritische Funktionen werden nicht auf einem PC ausgeführt

Software-Watchdog der Testsystemsfirmware, mehrstufig

Hardware-Watchdog des Leistungsteils

Sichtkontakt vom Bediener zum Prüfling, zumindest jedoch zur Prüfkammer : Der

Bediener muß sehen was er bedient und kontrollieren können ob dort alles

ordnungsgemäß ist!

An der Klimakammer:

Sicherheits-Temperaturbegrenzer als redundantes System zur Vermeidung

unzulässiger Prüfraumtemperaturen

Maßnahmen zur Schadensbegrenzung

Da beim Testen einer Batterie nie ausgeschlossen werden kann daß diese „hochgeht“ ist

dieser Fall auf jeden Fall zu berücksichtigen.

Passive Maßnahmen

Räumliche Trennung Dies ist oft leichter gesagt als getan und hängt stark von den örtlichen Gegebenheiten ab.

Kann man für den/die Prüfstände ein eigenes kleines Gebäude (Container, Fertiggarage) mit

ausreichend Abstand (die Versicherungen definieren hier 20m damit die Gebäude

brandtechnisch unabhängig sind) zu Nachbargebäuden aufstellen oder müssen die Tests

zwingend in einem Hochhaus mitten in der Stadt durchgeführt werden?

Kapselung des Prüflings Dies kann je nach Größe / Energieinhalt durch

Kleine Kiste (z.B. Geldkassette)

Klimakammer

Container

Brandgeschützter Raum

erfolgen.

Es versteht sich von selbst daß der Prüfling in einer nicht brennbaren Umgebung auf einer

nicht leitfähigen Unterlage untergebracht werden sollte.

Dabei ist die maximal aus dem Prüfling freiwerdende Energie und Gasmenge zu

berücksichtigen. Die Gasmenge kann dabei kurzzeitig durch Temperatureffekte auf etwa das

vierfache Volumen expandieren. Dabei sollte sowohl der mittlere Gasfluß als auch Spitzen

durch Explosion einer Zelle (=Bersten des Gehäuses) berücksichtigt werden.

Beispiele:

Tabelle 3: Energieinhalte verschiedener Prüflinge.

Prüfling El.

Energie

Ges. Energie Ges. Gas Peak Gas

18650 Zelle 2.2Ah 8,7Wh 100Wh

360kJ

11l 44l

Powertool-Pack aus 20

Stk 18650

174Wh 1740Wh

6264kJ

220l 44l

Coffee-Bag Zelle 40Ah 160Wh 1600Wh

5760kJ

200l

Hybrid-Batterie 1kWh 1kWh 10kWh

36MJ

1250l 150

Fahrzeug-Batterie

20kWh

20kWh 200kWh

720MJ

12500 300

Um die abstrakte Zahl der Energie beurteilen zu können, das reicht zum Schmelzen von

Tabelle 4: „Schmelzenergieinhalt“ verschiedener Prüflinge.

Prüfling Eisen Aluminium Quarzsand

18650 Zelle 2.2Ah 380g 390g 100g

Powertool-Pack aus 20 Stk

18650

6.6kg 6.7kg 1.8kg

Coffee-Bag Zelle 40Ah 6kg 6.2kg 1.6kg

Hybrid-Batterie 1kWh 38kg 39kg 10.2kg

Fahrzeug-Batterie 20kWh 76kg 78kg 21kg

Das bedeutet daß die Einhausung in der Lage sein muß diese Energie aufzunehmen oder

weiterzuleiten.

Man sieht deutlich daß ein dünnes Blech wie es üblicherweise zur Herstellung von

Klimakammern genutzt wird dazu nicht einmal bei einer kleinen 18650 Zelle in der Lage ist.

Da die Umhausung nicht wegschmelzen sollte ist mindestens mit den doppelten Mengen zu

rechnen. Bei Verwendung von Sand (als Sandbett oder als Löschsand) sollte dieser nicht in

Verbindung mit Aluminium eingesetzt werden da es mit seiner geringen Schmelztemperatur

von nur 660° (Eisen 1535°C, Stähle ähnlich, Quarzsand 1860°C) vorzeitig schmelzen würde.

Geeignet ist entweder eine solide Grundplatte aus Stahl (allerdings mit dem Problem der

Leitfähigkeit) oder ein „festes“ Sandbett wie Keramik oder Stein.

Wird als Umhausung eine Klimakammer eingesetzt ist diese in der Regel nicht in der Lage

allzu hohen Innendruck auszuhalten, mehr als etwa 20mBar dürfen hier nicht überschritten

werden (was bereits einer Kraft von 50kg auf eine 50cm*50cm große Fläche entspricht!).

Dieser Druck wird erreicht wenn 2% zum Rauminhalt der Kammer hinzukommen, das sind

3.6l bei einer 180l Kammer – das ist nicht einmal für eine einzelne 18650-Zelle ausreichend.

Daher muß auf jeden Fall die Möglichkeit eines Druckausgleichs geschaffen werden, incl.

sicherer Ableitung der entstehenden Gase.

Dabei gibt es folgende Möglichkeiten:

1. Einbau einer Berstscheibe

Die Firma Vötsch z. B. bietet Kammern in verstärkter Ausführung (bis 80mBar) in

Verbindung mit einer thermisch isolierten Berstscheibe an die bei Druckerhöhung bricht und

die Gase aus der Kammer entweichen läßt. Die „kleinen“ Vötsch-Kammern (180l und 340l)

sind hierbei bis zu 1400l Gasfluß je Sekunde spezifiziert so daß dies selbst für eine

Hybridbatterie noch ausreicht.

Außerhalb der Kammer ist dann ein Absaugstutzen vorzusehen. Zwischen diesem

Absaugstutzen und dem Abgang der Kammer darf keine direkte Verbindung bestehen da die

Absaugung nicht in der Lage sein wird den bei einer Explosion kurzzeitig entstehenden

Gasfluß aufzunehmen.

2. Einbau einer Überdruckklappe

Das Prinzip ist das selbe wie bei der Berstscheibe nur daß eine reversible Klappe aufschwenkt

wenn sich in der Kammer ein Druck aufbaut.

3. Abluftstutzen

Wie oben, allerdings mit deutlich geringerem Querschnitt (z. B. NW80) und ohne Verschluß.

Ist mit max. 200l/s für eine 18650-Zelle oder einen Pack aus solchen noch ausreichend,

zumindest bei Hazard Level 0-6.

4. Entlastung über die Kammertüre

Die Kammerverriegelung wird derart ausgeführt daß diese öffnet wenn sich in der Kammer

ein zu hoher Druck aufbaut.

Diese Variante wird nicht empfohlen da ein vor der Kammer stehender Mensch verletzt

werden kann. Auf jeden Fall ist eine Fangeinrichtung anzubringen die verhindert daß die Türe

ganz aufschlagen kann.

Zugangskontrolle Dies bezieht sich auf 2 Bereiche:

1. Nicht berechtigte Personen dürfen nicht in den Gefahrenbereich

Dies kann z. B. durch Chipkartensysteme oder Schlüssel erfolgen. Nur eingewiesene und

berechtigte Personen oder Personen in Begleitung eingewiesener oder berechtigter Personen

dürfen in den Gefahrenbereich. Zu beachten ist daß sich dies auch auf den Leitstand (soweit

getrennt) beziehen muß.

2. Der Gefahrenbereich wird abgeriegelt solange eine Prüfung läuft

Dies beinhaltet:

a. Die Tür der Einhausung (z. B. Klimakammer) kann nicht geöffnet werden

solange eine Prüfung läuft

b. Es kann keine Prüfung gestartet werden solange die Tür der Einhausung

geöffnet ist

Beide Kriterien können z. B. durch die Kombination eines BaSyTec Batterietestsystems mit

einer Vötsch Klimakammer (jeweils mit den entsprechenden Optionen) gewährleistet werden.

Je nach Größe der Prüflinge muß sich dies selbstverständlich auch auf die Container- bzw.

Raumtüre beziehen.

Permanent-Inertisierung des Prüfraums Dies kann mit Stickstoff oder auch mit Edelgasen erfolgen, auch hier ist bei der Kombination

Vötsch/BaSyTec die Verriegelung (keine Prüfung ohne Inertisierung / Prüfung wird

abgebrochen wenn Inertisierung nicht mehr gewährleistet ist) mit einem zusätzlichen O2-

Sensor gewährleistbar.

Durch die Inertisierung wird dem Prüfling Sauerstoff entzogen so daß die maximale

Energieabgabe im Fehlerfall auf die Reaktion des Lithiums, ev. auch der pos. Elektrode

begrenzt werden kann (der Elektrolyt und die negative Elektrode können ohne Sauerstoff

nicht verbrennen), dadurch kann die Energieabgabe auf etwa das 3-fache der elektrischen

Energie begrenzt werden. Zudem wird die Wahrscheinlichkeit einer explosionsartigen

Verbrennung sowie die entstehende Gasmenge verringert.

Aktive Maßnahmen

Brandmeldesystem Dies kann mit verschiedenen Sensoren arbeiten:

1. CO Sensor

2. Temperatursensor

3. Ionensensor

4. Optischer Sensor

Das Brandmeldesystem alleine verhindert jedoch nichts, es muß je nach Bedarf mit

zusätzlichen Maßnahmen gekoppelt werden:

1. Alarmierung

a. Der Prüfstandsbetreiber

b. Der Feuerwehr

2. Automatische Löscheinrichtung

3. Evakuierung

Löscheinrichtung 1. Mit Gas (N2 oder CO2)

Bei einer typischen Spülmenge von 90m3/h und angenommenen 100°C Temperaturerhöhung

lassen sich etwa 200kJ je Minute abführen – etwa der halbe Energieinhalt einer 18650-Zelle.

Eine solche Einrichtung ist daher eher zur Spülung der Kammer geeignet als eine echte

Löscheinrichtung.

2. Mit Wasser

Durch seinen hohen Energieinhalt (4.2kJ/kg K) kann der Energieinhalt einer 18650-Zelle (bei

80° Temperaturerhöhung) mit einem l Wasser aufgenommen werden, unter Berücksichtigung

der Verdampfungswärme (2256kJ/kg) etwa die 8-fache Menge.

Allerdings ist Wasser nicht ganz unkritisch:

a. Durch seine Leitfähigkeit macht es Probleme mit der elektrischen Sicherheit

b. In Verbindung mit Lithium kann Knallgas entstehen welches zur Explosion

führt

c. In Verbindung mit dem Leitsalz entsteht hochgiftige Flußsäure

Daher wird Wasser in der Regel nicht empfohlen.

3. Mit Sand

Dies kann durch ein Reservoir über dem Prüfling erfolgen welches im Brandfall auf den

Prüfling entleert wird. Da der Sand relativ inert ist und eine hohe Wärmekapazität hat wird

dadurch die beste Löschwirkung erzielt.

Prüfstand mit Sicherheitstechnik

In folgender Abbildung wird das Blockschaltbild eines Batterieprüfstands mit

Sicherheitstechnik gezeigt:

Abbildung 4: Batterieprüfstand mit Sicherheitseinrichtungen (Vötsch/BaSyTec)

Schlussbetrachtung

Bei der Festlegung der Sicherheitsmaßnahmen sind sowohl die Prüflinge (Energieinhalt,

Bauart, Prototyp oder Serienstand mit Schutzschaltung) als auch die lokalen räumlichen und

personellen Gegebenheiten maßgeblich.

Die Sicherheitsmaßnahmen sind so auszulegen daß Personenschäden in jedem Fall vermieden

werden. Da grundsätzlich nicht verhindert werden kann daß eine Batterie „hochgeht“ ist

dieser Fall immer zu berücksichtigen.

Neben Berücksichtigung der anerkannten Regeln der Technik (wie z. B. eindeutige

Markierung, geeignetes Werkzeug und Komponenten, …) sollte auch immer eine

Sicherheitsanalyse durchgeführt werden und deren Ergebnisse niedergelegt werden.

Die notwendigen Sicherheitsmaßnahmen sollten bereits bei der ersten Konzeption eines

Teststands berücksichtigt werden um spätere Überraschungen zu vermeiden. Auch bei einer

Auslagerung der Aufgaben sollten die Verantwortlichen den Überblick behalten um die

Balance zwischen Kosten und Nutzen wahren zu können.

Literatur [1] Online Bericht: http://consumerist.com/2009/12/dell-mini-9-mysteriously-ablaze-pics.html

[2] Garrett P. Beauregard: REPORT OF INVESTIGATION:HYBRIDS PLUS PLUG IN HYBRID ELECTRIC

VEHICLE, Prepared for: National Rural Electric Cooperative Association, Inc. and U.S. Department

of Energy, Idaho National Laboratory by etec.

Online : http://88.80.16.63/leak/toyota-prius-a123-car-fire-investigation-report-2008.pdf

[3] Daniel H. Doughty, Li Ion Battery Abuse Tolerance Testing - An Overview, Sandia National

Laboratories, Präsentation auf der AQMD 12 Juli 2006

online: http://www.aqmd.gov/tao/ConferencesWorkshops/PHEV_Forum-07-12-06/5-DanielDoughty-

Sandia.pdf

[4] de.wikipedia.org, “Sicherheitsanalyse”

[5] de.wikipedia.org, “FMEA”