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Risikofaktor Batterie

Industrialisierung von Li-Ion-Batterien für Automobilanwendungen

11. November 2011, 13:56 Uhr | Von Dr. Joachim Fetzer

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Wirksamkeit des Sicherheitskonzepts nachweisen

Neben mechanischer, elektrischer und chemischer Sicherheit spielt für Traktionsbatterien die funktionale Sicherheit eine zentrale Rolle, da die Batterie in Verbindung mit dem Batterie-Management-System (BMS) ein elektrisches/elektronisches System darstellt, das sicherheitsrelevante Funktionen übernimmt. Im Automobilbereich werden die besonderen Anforderungen für deren Entwicklung durch den branchenspezifischen Standard ISO 26262 formuliert, dessen Veröffentlichung für 2011 geplant ist und der dann für alle Neuentwicklungen verbindlich sein wird. Zur Erreichung der funktionalen Sicherheit müssen sowohl auf Ebene der Entwicklungsprozesse Maßnahmen zur Fehlervermeidung getroffen werden, als auch technische Sicherheitskonzepte zur Verhinderung von Hardware-Fehlern entwickelt und umgesetzt werden. Die Wirksamkeit des Sicherheitskonzepts ist über entsprechende Analysen nachzuweisen. Beim Batteriesystem steht die Überwachung der Zellen im Mittelpunkt. Strom und Spannung sowie Temperatur und Ladezustand werden über das BMS kontinuierlich erfasst und geregelt, wodurch die Zellen beispielsweise vor zu starker Entladung oder Überhitzung geschützt werden. Bei Erreichen eines kritischen Zustands unterbindet das BMS typischerweise über Öffnen von Schützen die weitere Entnahme oder Zufuhr von Energie. Ein ausgeklügeltes Thermo-Management sorgt dafür, dass die Batterie stets in einem optimalen Temperaturbereich arbeitet und dadurch eine sichere Funktion unter allen Betriebszuständen gewährleistet bleibt. Eine konstante Betriebstemperatur um die 35 bis 45 °C sorgt auch für eine kontinuierliche Leistungsfähigkeit der Batterie. Niedrigere Temperaturen führen zu temporären Leistungseinbußen, höhere Temperaturen zu verkürzter Lebensdauer. Im Falle einer Fehlfunktion des BMS könnte der Übergang in den sicheren Zustand aber unterbleiben, so dass es zu kritischem Überladen, Wiederladen nach Tiefentladung, Laden mit zu hohen Strömen speziell bei niedrigen Temperaturen oder Betrieb bei zu hoher Temperatur kommen könnte. Deswegen investiert SB LiMotive hohen Aufwand in die Entwicklung zuverlässiger Sicherheitsfunktionen im BMS. Es übernimmt in Ergänzung zu elektrischen bzw. mechanischen Vorkehrungen zusätzlich auch Sicherheitsfunktionen zum Schutz vor elektrischen Gefährdungen wie Isolationsüberwachung oder Deckel-offen-Erkennung. Dass das Batteriesystem signifikante Rückwirkungen auf Primärfunktionen des Fahrzeugs haben kann, geht ebenfalls in das Sicherheitskonzept ein. Ein plötzlicher Leistungseinbruch oder ein Abschalten der Batterie können negative Auswirkungen auf das Antriebs- oder Bremsmoment und somit auf die Fahrstabilität haben. Ein Abkoppeln der Batterie muss aber aus Gründen des Batterieschutzes als sicherer Zustand möglich sein. Insofern ergeben sich hieraus Anforderungen an das Fahrzeug. Es muss sichergestellt sein, dass eine zweite, unabhängige elektrische Energiequelle für einen bestimmten Zeitraum die Sicherheitselektronik des Fahrzeugs inklusive Steller, wie beispielsweise das Fahrdynamikregelsystem oder die Lenkung, versorgen kann. Auch darf die in der elektrischen Maschine oder im Inverter gespeicherte Energie nicht zu einer Gefährdung der Insassen führen können und durch das Abschalten des Motors kein Blockieren der Räder verursacht werden. Da diese Fälle also ohnehin auf Fahrzeugebene abgefangen werden müssen, ergeben sich bezüglich der Primärfunktionen des Fahrzeugs keine gesonderten Sicherheitsziele für das Batteriesystem. Allerdings verdeutlicht das Beispiel, dass die Systemarchitektur und die daraus abgeleiteten Komponentenanforderungen wesentlich den Aufwand für Sicherheitsfunktionen im Gesamtfahrzeug bestimmen.