Erfüllung künftiger Standards für die thermische Propagation von Lithium-Ionen-Batterien

Die Vorschriften verlangen vom Hersteller, durch Simulationen und entsprechende Validierungsergebnisse nachzuweisen, dass das Batteriesystem die lokalen TP-Sicherheitsanforderungen erfüllt. Die authentische Reproduktion des Fehlerfalls eines CISC in einer Testumgebung ist jedoch eine große Herausforderung. Die gängigsten Verfahren zur Initiierung eines durch einen zellinternen Kurzschluss verursachten thermischen Durchgehens einer einzelnen Zelle (auch als Trigger-Methoden bezeichnet) sind:

Alle oben genannten Triggermethoden haben unterschiedliche Vor- und Nachteile und bringen unterschiedliche experimentelle Herausforderungen mit sich, wie die Zugänglichkeit der Zielzelle oder die Wiederversiegelung des Zell- oder Packgehäuses. Alle diese Methoden werden jedoch täglich routinemäßig in Tests am FEV-Batterietestzentrum (FEV eDLP) in Sandersdorf-Brehna angewendet.

Das beschriebene Sicherheitsrisiko des thermischen Durchgehens in aktuellen Lithium-Ionen-Batteriezellen, das möglicherweise zu einer TP führt und Menschen in der Umgebung gefährdet, wurde bereits vor Jahren erkannt. Daher sind enorme Anstrengungen unternommen worden, um angemessene Sicherheitsanforderungen zu definieren, die in die Homologationsanforderungen einfließen und den Schutz von Fahrzeuginsassen und weiteren beteiligten Personen gewährleisten. Da diese Homologationsanforderungen derzeit überarbeitet werden, werden die entsprechenden technischen Richtlinien in naher Zukunft verschärft. Die UN R100 wird in der zukünftigen Revision 5 neue TP-Vorgaben definieren, die zum ersten Mal spezifische TP-Testanforderungen enthalten und sich nicht nur mit der TP-Sicherheit der Batterie als Komponente befassen, sondern auch das Gesamtsystemverhalten der im Fahrzeug verbauten Batterie berücksichtigen. Systematische TP-Sicherheitsstudien, die am FEV eDLP durchgeführt wurden, haben gezeigt, dass sich die Ergebnisse von TP-Tests auf REESS-Ebene erheblich von denen unterscheiden, bei denen die Batterie in einer Fahrzeugkarosserie installiert ist.

Gleichzeitig wird die kürzlich eingeführte FMVSS 305a/Part 561 die entsprechenden Sicherheitsanforderungen für den US-Markt definieren, jedoch ohne explizite Testverfahren zum Nachweis der Sicherheitskonformität vorzugeben. Die weitreichendste Verschärfung der TP-Anforderungen stellt jedoch die Aktualisierung der chinesischen GB 38031 dar. Diese lässt zu keinem Zeitpunkt des Tests das Auftreten von Feuer außerhalb der Batterie zu, während diese Vorgabe in der aktuellen Revision der Norm auf die ersten 5 min nach dem Start des TR beschränkt ist. Aufgrund der erhöhten TP-Anforderungen wird ein gezieltes Design hin zu TP-sicheren Batterien in naher Zukunft noch wichtiger werden.

In den vergangenen Jahren hat FEV Hunderte von TP-Tests durchgeführt. Die statistische Auswertung der Ergebnisse zeigt interessante Trends hinsichtlich der TP-Eigenschaften aktueller Batteriesystemarchitekturen. Für die Bewertung wurden die aktuell gültigen Bestehenskriterien der GB 38031-2020 und AIS-038 Rev. 2 als Benchmark verwendet. Das bedeutet, dass im Komponententest mit der REESS innerhalb von 5 min nach dem Auslösen des TR kein externer Brand beziehungsweise keine Explosion außerhalb des Batteriepacks entstehen darf. Die in der Gruppe „kein Feuer“ (no Fire) zusammengefassten Ergebnisse repräsentieren den Anteil derjenigen Tests, bei denen sich überhaupt kein Feuer bildete. Dieses Ergebnis ist oft identisch mit „no TP“-Batterien, enthält aber auch Experimente, die eine (manchmal sogar vollständige) Propagation, jedoch kein Feuer außerhalb der Batterie zeigen.

Das wichtigste Ergebnis der Auswer-tung ist, dass bereits heute rund 50 % aller TP-Tests, die am FEV eDLP durchgeführt werden, den anspruchsvollen gesetzlichen TP-Anforderungen der zukünftigen GB 38031 Richtlinie entsprechen, dass also weder ein Feuer außerhalb der Batterie noch eine Explosion auftritt, Bild 2.

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Der statistische Anteil der Batterien ohne Feuerentwicklung ist in den letzten Jahren von 10 % im Jahr 2020 auf rund 50 % im Jahr 2024 gestiegen. Dieses Ergebnis ist umso vielversprechender, als dass die durchschnittliche Energiedichte der getesteten Batterien im gleichen Zeitraum um etwa 25 % angewachsen ist.

Bild 3 zeigt eine geclusterte Darstellung der TP-Sicherheit in Abhängigkeit von der gravimetrischen Energiedichte. Es ist ersichtlich, dass mit zunehmender Energiedichte die statistische Wahrscheinlichkeit steigt, die Akzeptanzkriterien nicht zu erfüllen. Jede fünfte Batterie zeigt jedoch auch bei hohen Energiedichten über 150 kWh/kg überhaupt kein Feuer außerhalb der Batterie. Etwa zwei Drittel der Batteriesysteme mit hoher Energiedichte erfüllen das 5-min-Kriterium und fast 90 % der Batteriesysteme mit niedriger Energiedichte (<100 kWh/kg) erfüllen dieses Kriterium. Einerseits zeigt Bild 3 einen offensichtlichen Trend: Je höher die Energiedichte ist, desto höher ist die (statistische) Wahrscheinlichkeit, den TP-Test nicht zu bestehen. Andererseits können die Zahlen auch so interpretiert werden, dass die zunehmenden Herausforderungen, die sich aus der höheren Energiedichte ergeben, durch die Berücksichtigung intelligenter Vermeidungsmaßnahmen, einer bedacht ausgewählten Zelle und einer durchdachten Integration der Zelle in die Batteriearchitektur bewältigt werden können. Eine solche „TP-zielgerichtete Entwicklung“ von Batteriesystemen erfordert zusätzliche Überlegungen zu multiplen Einflussfaktoren und abgeleitete Designmaßnahmen, die teilweise im Widerspruch zu anderen Entwicklungszielen wie einer hohen Energiedichte stehen. FEV hat jedoch in der Vergangenheit gezeigt, dass selbst extrem anspruchsvolle Batteriedesigns hinsichtlich der Sicherheitseigenschaften im Nachhinein noch optimiert werden können, um die TP-Anforderungen zu erfüllen.

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Um Designentscheidungen zu unterstützen, sowohl bei der Neuentwicklung als auch bei der nachträglichen TP-Optimierung bestehender Batteriedesigns, und um den Testaufwand zu reduzieren, hat FEV eine TR/TP-Simulationsmethodik entwickelt. Diese umfasst flexible numerische Modelle, die jeweils in der Lage sind, verschiedene TR/TP-Phänomene zu simulieren. In den Programmen Comsol Multiphysics beziehungsweise StarCCM+ wurde ein detailliertes thermisches Modell entwickelt, und in StarCCM+ wurde ein Computational-Fluid-Dynamics(CFD)-Modell der Gasströmung des Schlots erstellt. Innerhalb von StarCCM+ können beide Modelle vollständig gekoppelt werden, Bild 4.

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Tests sind in jeder Phase der Entwicklung von Hochvolt(HV)-Batterien von entscheidender Bedeutung und für die Konzeptvalidierung und Homologation unerlässlich. Im FEV eDLP können zahlreiche Tests durchgeführt werden, um die Design- und Simulationsbemühungen zu unterstützen. Für die TR/TP-Minderung wird ein kaskadierter Testansatz angewendet. Diese effektive Methode liefert die notwendigen Messergebnisse für die initiale Parametrisierung, Anpassung und Validierung verschiedener Simulationsmodelle. Durch die gleichzeitige Durchführung umfangreicher Simulationen werden Aufwand und Kosten minimiert. Bild 5 zeigt ein Beispiel für das kaskadierte Testverfahren, das von Einzelzellen- bis hin zu Packtests reicht.

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Wie zuvor beschrieben, variiert das TR-Verhalten von Zelle zu Zelle erheblich, sodass Einzelzelltests unerlässlich sind, um spezifische TR-Eigenschaften zu identifizieren. Diese Tests werden in der Regel in einem (adiabatischen) Autoklav durchgeführt, Bild 5 (a). Dieser Aufbau bietet eine geschlossene Umgebung für den Prüfling (Device Under Test, DUT) und ermöglicht die Messung relevanter Daten wie der Gasmenge und Gaszusammensetzung der Venting-Gase oder der Onset-Temperatur des TR. Je nach Gerätehersteller oder Prüfinstitut bietet der Autoklav unterschiedliche Eigenschaften, beispielsweise verschiedene Triggermethoden, In-situ- oder Ex-situ-Gasanalysen oder die Möglichkeit zur (thermischen) Videoaufzeichnung während des Tests. FEV hat kürzlich einen neuen, selbstentwickelten Autoklav in Betrieb genommen, in dem auch besonders große Zellen gründlich charakterisiert werden können.

Zellverbund- oder Modultests, Bild 5 (b), bieten eine geeignete Möglichkeit, interzelluläre und wärmeisolierende Materialien auf ihr Propagationsverhalten zu untersuchen, wobei der Schwerpunkt auf der Verhinderung einer thermischen Ansteckung benachbarter Zellen liegt. Darüber hinaus können geometrische Lösungen verwendet werden, um Maßnahmen zur Brandbekämpfung zu untersuchen.

Die in Bild 5 (c) dargestellte sogenannte Propagation Box (Propbox) ermöglicht die Untersuchung unterschiedlicher Kühlstrategien oder aktiver Löschkonzepte für einzelne Module oder Modulgruppen zur Vermeidung der thermischen Propagation. Ein großer Vorteil ist die variable Positionierung des Abzugs und viel Platz für die notwendige zusätzliche Messtechnik.

Darüber hinaus bietet FEV Tests für komplette HV-Batteriesysteme an, die für die Homologation erforderlich sind, gefolgt von der Demontage und detaillierten Analyse, Bild 5 (d). Dies ermöglicht es, die Auswirkungen der aktiven Trennung von HV-Leitungen, des Zustands von Isoliermaterialien und des Auftretens von Lichtbögen direkt zu bewerten.

Die erfolgreiche Entwicklung eines Batteriesystems, das die zukünftigen gesetzlichen Anforderungen an die TP-Sicherheit erfüllt, ist eine herausfordernde und multidisziplinäre Aufgabe. Nicht nur das Wissen um aktuelle und kommende regulatorische Anforderungen selbst und deren Interpretation ist von Bedeutung. Darüber hinaus ist eine fokussierte Entwicklung mit Blick auf die Sicherheitsziele mit hochintegrierten Softwareentwicklungs-, Simulations- und Validierungsaktivitäten auf Zell-, Subsystem- und Systemebene sowie die Anwendung bewährter Methoden nach dem Best-Practice-Ansatz für die Testdurchführung und Datenauswertung zwingend erforderlich, um ein sicherheitskonformes Batteriesystem zu entwickeln. FEV kann die Entwicklung solcher TP-sicheren Batteriesysteme entlang der gesamten Prozesskette unterstützen und dabei auf eine detaillierte Übersicht über die aktuellen und zukünftigen Regularien sowie auf Erfahrungen bei Entwicklung, Simulation und Validierung von Batteriesystemen aus zahlreichen Batterieprojekten für verschiedene Anwendungen aufbauen. Für die Batterieentwicklung bietet die vorgestellte Werkzeug- und Methodenkette mit fortschrittlichen Simulationswerkzeugen zur Validierung von Designmaßnahmen und einem kaskadierten Testansatz, mit dem die Simulationsmodelle zunächst durch Zelltests parametrisiert und mit zunehmender Prüflingsgröße weiter verfeinert werden, große Vorteile und erhöht die Fahrzeugsicherheit für die Kunden.

Der TP-Entwicklungs- und -Validierungsplan von FEV kombiniert Fachwissen in Bezug auf Zelleigenschaften, Designerfahrung, Simulationsmethodik und Softwareentwicklung zu einer fokussierten und dennoch kostengünstigen Strategie, mit der sich künftige Sicherheitsziele bezüglich der thermischen Propagation bereits heute erreichen lassen.