Funktionale Sicherheit von Batterien Maßnahmen gegen den Thermal Runaway

Reichweit und Ladedauer sind hauptsächlich von der Batterie abhängig ohne die funktionale Sicherheit zu gefährden.
Reichweit und Ladedauer sind hauptsächlich von der Batterie abhängig ohne die funktionale Sicherheit zu gefährden.

Reichweite und Ladedauer von E-Autos sind hauptsächlich von der Batterie abhängig. Der aktuelle Trend geht dahin, das Maximum herauszuholen, ohne die funktionale Sicherheit zu beeinträchtigen. Großes Gefährdungspotenzial geht vom sogenannten Thermal Runaway aus – den gilt es zu verhindern.

Elektrofahrzeuge sorgen aufgrund der verbauten Batterien für negative Schlagzeilen. Als im Frühjahr ein Fahrer aus Deutschland nach einem Unfall in einem Tesla verbrannte, brachte die örtliche Feuerwehr im Kanton Tessin das Stichwort »Thermal Runaway« ins Gespräch – der Effekt könnte den Brand deutlich beschleunigt haben. Nahezu zeitgleich berichtete nach einem Unfall im Silicon Valley die dortige Feuerwehr, dass die Batterie des verunglückten Teslas noch Tage nach dem Unfall mehrfach erneut in Brand geraten war.

Tesla setzt, wie die meisten Hersteller von Elektro- oder Hybrid-Fahrzeugen, zylindrische Lithium-Ionen-Batterien ein. Im Vergleich zu anderen Energiespeichern haben sie eine signifikant höhere Energiedichte und Spannung – bei kleineren Abmessungen. Zudem sind sie für mehr Ladezyklen ausgelegt und weisen eine längere Lebensdauer auf.

Im Fahrzeug kommen die Batteriezellen in Batteriepacks zum Einsatz, wobei ein Pack im Wesentlichen aus Modulen (mehrere Batteriezellen werden zu einem Modul zusammengefasst) und einem Batterie-Management-System (BMS) besteht. Das BMS, beispielsweise von Rutronik, sorgt dafür, dass die einzelnen Zellen die definierten Parameter nicht überschreiten. Denn nur wenn jede Batteriezelle innerhalb des spezifizierten Bereichs bleibt, sind die funktionale Sicherheit der Batterie und somit des Fahrzeugs sowie die maximale Lebensdauer der Batterie gewährleistet.

Zu den kritischen Parametern zählen vor allem die Lade- und Entladeströme, die Zellspannung sowie die Temperatur. Wird der relativ enge Temperaturbereich zwischen +15 °C und +45 °C überschritten, kann sich die Lebensdauer der Batterie deutlich verkürzen oder sie wird sogar irreparabel geschädigt – im Extremfall kommt es zum sogenannten Thermal Runaway (thermisches Durchgehen). Dabei handelt es sich um eine temperaturbedingte und unaufhaltsame Kettenreaktion, die innerhalb weniger Millisekunden die in der Batterie gespeicherte Energie freigibt. Dadurch steigt die Temperatur schnell auf mehrere hundert Grad Celsius, der Separator in der Batterie wird schlagartig leitend, bricht durch und entzündet sich beziehungsweise explodiert. Die Gefahr eines Thermal Runaways beginnt bereits bei einer Temperatur von 60 °C – ab 100 °C wird es extrem kritisch. Wann genau der Thermal Runaway ausgelöst wird, ist ursachenabhängig.

Ursachen für das thermische Durchgehen

Neben rein thermischen Ursachen können auch elektrische und mechanische Faktoren zu einem Thermal Runaway führen (Bild 1). So kann beispielsweise durch einen Unfall Material in eine Batteriezelle eindringen und einen internen Kurzschluss verursachen. Die Batteriezelle kann sich auch durch einen Stoß oder Aufprall verformen und einen extern verursachten Kurzschluss erleiden.

Allerdings kann auch bereits der Lade- und Entladevorgang einen Thermal Runaway verursachen. Gerade das Schnellladen birgt hohes Gefährdungspotenzial, sodass die Ladeströme exakt zu überwachen sind. Gleiches gilt beim Laden der Batterie über die im Datenblatt angegebene Maximalspannung hinaus – etwa um mehr Reichweite zu gewinnen.

Ab einem Ladezustand (State of Charge, SOC) von circa 140 Prozent nimmt die Spannung zwar kurzzeitig etwas ab – die Temperatur hingegen steigt sprunghaft an. Sie erreicht rasch den kritischen Punkt von 60 °C, der Separator in der Batteriezelle wird leitend und es entsteht ein interner Kurzschluss – eine mögliche Ursache für den Thermal Runaway (Bild 2).

Risiko auf Ebene der Zelle minimieren

Um einen Thermal Runaway zu verhindern, müssen auf Zell-, Modul- und Pack-Ebene unterschiedliche Vorkehrungen getroffen werden. Entscheidend ist dabei allerdings die Zell-Ebene, da dort der Thermal Runaway entsteht und im Domino-Effekt auf benachbarte Zellen und Module übergreifen kann.

Die zylindrische Lithium-Ionen-Batteriezelle der Baugröße 18650 besitzt gute mechanische und thermodynamische Eigenschaften. Ihr Metallmantel schützt das Zelleninnere, macht die Batteriezelle sehr stabil und fungiert gleichzeitig als Kühlkörper, der Wärme vom Inneren der Zelle nach außen ableitet (Bild 3). Durch die spezifische Wicklung sind Anode und Kathode mehrfach durch den Separator getrennt, was die elektrische Stabilität erhöht. Zudem ist der Typ 18650 vergleichsweise kostengünstig und lange im selben Formfaktor verfügbar. Ein Anbieter zylindrischer Lithium-Ionen-Batteriezellen ist beispielsweise Samsung SDI.

Thermisches Verhalten der Batteriezelle

Auch wenn mechanische Einwirkung und zu hohe Ströme einen Thermal Runaway verursachen können – der eigentliche Auslöser ist stets die Temperatur. Deshalb ist es von zentraler Bedeutung, die Temperatur der Zelle exakt zu überwachen und auf der Basis ein Thermomanagement zu entwickeln. In der Praxis finden jedoch nur in den seltensten Fällen präzise und umfassende Temperaturmessungen statt. Insbesondere in großen Batteriepacks findet man nur eine geringe Anzahl an Temperatursensoren, die allenfalls eine Temperatur abschätzen können aber keineswegs einer Einzelzellenüberwachung entsprechen. Damit kann ein zuverlässiger Schutz vor einem Thermal Runaway nicht gewährleistet werden, da sich die Temperatur weder in einer Batteriezelle noch in einem Batterie-Stack gleichmäßig verteilt – zu der Erkenntnis kommt die National University Singapur durch diverse Experimente.

Im Versuchsaufbau wurde die Temperatur einer Lithium-Ionen-Zelle bei nachfolgenden Lade- und Entladeströmen gemessen (C = Nominalstrom/Rate):

  • 1 C
  • 3 C
  • 5 C

Das Ergebnis: Je höher die Lade- und Entladerate, desto größer der Temperaturanstieg (Bild 4). Im gleichen Verhältnis steigt auch die Gefahr, dass die Batterie ihren spezifizierten Temperaturbereich verlässt und nachhaltig geschädigt wird oder es zum Thermal Runaway kommt.

Zudem haben die Messungen ergeben, dass die Batteriezelle beim Laden (Bild 4a) ein anderes thermisches Verhalten zeigt als beim Entladen (Bild 4b). Das bedeutet, dass sich das Temperaturmanagement im Ladezyklus von dem im Entladezyklus unterscheiden muss.
Weitere Erkenntnis: Die Temperatur hat sich im Experiment anders entwickelt als in der Simulation. Die Abweichungen fielen größer aus, je höher der Lade- beziehungsweise Entladestrom war. Dabei lag der tatsächliche Temperaturanstieg meist über dem simulierten, sodass die kritische Temperatur tatsächlich schneller erreicht wird. Der Prozess des thermischen Durchgehens ist jenseits der Temperaturgrenze unaufhaltsam und läuft innerhalb von Millisekunden ab – Gegenmaßnahmen greifen dann nicht mehr.

Deshalb sind für die Temperaturerfassung spezifische Sensoren erforderlich, die einen Temperaturanstieg sehr schnell detektieren. Entsprechende Modelle bieten beispielsweise die Hersteller Rohm, Sensirion und STMicroelectronics an. Exemplarisch hat der STS3x von Sensirion eine Reaktionszeit von lediglich zwei Sekunden bei einer Genauigkeit von +/-0,1 °C. Idealerweise sind an jeder Batteriezelle drei Sensoren angebracht. Als Kompromiss zwischen Sicherheits- und Wirtschaftlichkeitsaspekt kann als Minimum ein Temperatursensor pro Zelle zum Einsatz kommen.

Dabei ist zu beachten: Die Temperatur verteilt sich nicht gleichmäßig in der Batteriezelle. So kann es sein, dass eine Überschreitung der kritischen 60 °C-Marke im Inneren der Zelle nicht erkannt wird, wenn der Sensor an der Außenhaut der Batteriezelle angebracht ist – das hat das Experiment gezeigt. Demnach entsteht beim Laden oder Entladen mit 5 C am Pluspol einer zylindrischen Lithium-Ionen-Zelle ein Hotspot von circa 65 °C. Dabei wurden nachfolgende Temperaturen innerhalb der Batteriezelle ermittelt:

  • Zellenkern = 59 °C
  • Zwischen Zellenkern und Außenhaut = 60 °C
  • Außenhaut = 56 °C

Von der Temperatur, die an der Außenhaut vorhanden ist, lässt sich nicht ohne weiteres auf die Temperaturverteilung im Inneren schließen – hierfür ist ein thermisches Modell der Batteriezelle erforderlich.

Kühlmethoden für die Batteriezelle

Wichtig ist es in jedem Fall, Wärme von einem Hotspot abzutransportieren. Hierfür empfiehlt sich beispielsweise das Produkt PGS (Pyrolytic Graphite Sheet) von Panasonic. Es bietet mit bis zu 1950 W/mK eine fünfmal so hohe thermische Leitfähigkeit wie Kupfer, ist mit bis zu 100 µm sehr dünn und zudem äußerst leicht. Werden die einzelnen Batteriezellen jeweils durch ein PGS getrennt und zudem auf einem Kühlblech platziert, kann die Temperatur deutlich gesenkt werden – in einem Versuchsaufbau von 61 °C auf 45 °C (Bild 5).

Um zu vermeiden, dass ein Thermal Runaway von einer Lithium-Ionen-Zelle auf die Nachbarzellen übergreift, bietet sich in Kombination mit dem PGS eine NASBIS-Isolierfolie an. Mit einer extrem geringen Wärmeleitfähigkeit von 0,02 W/mK fungiert sie als Wärmeschutz beziehungsweise Isolierung.

Auch die NASBIS-Folie ist sehr dünn und flexibel, sodass sie auch bei beengten Platzverhältnissen zum Einsatz kommen kann (Bild 6).