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Mit der fortschreitenden Elektrifizierung von Fahrzeugantrieben gewinnt die Sicherheit von Hochvoltbatterien zunehmend an Bedeutung, um die Gefahren für Fahrzeuginsassen und Rettungskräfte zu minimieren. Ein besonderes Sicherheitsrisiko sind die austretenden Gase bei einem thermischen Durchgehen von Zellen. AVL stellt in diesem Artikel innovative Sicherheitsmaßnahmen mit No-Gas-Out-Technik vor.
Um die Sicherheit von Hochvoltbatterien zu erhöhen, wurden zahlreiche Normen und Vorschriften entwickelt, die Mindestanforderungen an die verschiedenen Batteriesysteme definieren. Im Jahr 2016 wurde die erste Verordnung zur thermischen Ausbreitung in die Globale Technische Verordnung Nr. 20 (GTR 20) aufgenommen, in der empfohlen wird, die thermische Ausbreitung zu erkennen und ein Warnsignal abzugeben [1]. Damals üblicherweise verwendete Nickel-Mangan-Kobalt-Zellchemien wie NMC 111 oder NMC 532 zeigten im Vergleich zu nickelhaltigen Chemikalien weniger starke thermische Instabilität. Mit der steigenden Nachfrage nach höheren Energiedichten stieg jedoch auch die Flüchtigkeit, die mit diesen Hochenergie-Batteriechemikalien einhergeht. Dies führte zu einer verstärkten Intensität des thermischen Durchgehens, die sich durch eine erhöhte Wärmeentwicklung, eine größere Menge entweichender Gase, einen höheren Massenverlust und mehr herausgeschleuderte Partikel auszeichnet.
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Im Jahr 2020 wurde mit der chinesischen GB 38031-2020 erstmals ein Homologationsstandard eingeführt, der vorschreibt, dass Batteriemanagementsysteme im Fall eines thermischen Ereignisses ein Warnsignal ausgeben müssen, um eine sichere Evakuierung der Insassen innerhalb von 5 min zu ermöglichen [2]. Ähnliche Anforderungen wurden im Jahr 2021 in der UN ECE R100 (Rev. 3) [3], der AIS-038 Rev. 2 Änd. 3 [4] und anderen Richtlinien definiert. Diese Änderungen veranlassten viele Automobilhersteller, ihre Batteriekonzepte und -strategien anzupassen.
Der aktuelle Trend für die thermische Sicherheit von Batterien bei der Homologation geht von 15 auf 60 min Evakuierungszeit. Viele OEMs berücksichtigen die Eintreffzeit des Notfallteams sowie die aus früheren Konstruktionen gezogenen Lehren, und sie setzen strengere Anforderungen als Akzeptanzkriterien durch, zum Beispiel keine Ausbreitung von Zelle zu Zelle, C2X-Design und keine im Fahrzeuginnenraum sichtbare Entlüftung.
Der aktuelle Entwurf der UN ECE R100 (Rev. 5) [5] sieht vor, dass das Fahrzeugsystem nach einem thermischen Durchgehen einer einzigen Zelle ein Warnsignal auslösen muss, um eine Evakuierung zu ermöglichen. Dies gilt als ausreichend, wenn innerhalb von 5 min keine Gefahrensituation eintritt, innerhalb von 2 h keine thermische Ausbreitung stattfindet oder das Durchgehen durch Tests nicht erneut ausgelöst werden kann. Insbesondere bietet eine 2-h-Verzögerung ausreichend Zeit, um die Sicherheit der Fahrzeuginsassen zu gewährleisten. Zudem wird festgelegt, dass innerhalb von 5 min nach Ausgabe eines Warnsignals kein Entlüftungsgas (Venting Gas) in den Fahrzeuginnenraum gelangen darf. Diese Maßnahme soll sicherstellen, dass die Insassen nicht gefährlichen Gasen ausgesetzt werden, bevor sie das Fahrzeug sicher verlassen können.
Angesichts der zunehmenden Verschärfung des Insassenschutzes ist zu erwarten, dass diese Anforderungen in Zukunft weiter steigen werden. Dies könnte strengere Tests und zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen umfassen, um die Risiken für Fahrzeuginsassen weiter zu minimieren.
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Lösungsansätze für die No-Gas-Out-Technik
Um künftige Anforderungen an Hochvoltbatterien zu erfüllen, müssen Sicherheitsaspekte wie effiziente Kühlung, widerstandsfähige Batteriemanagementsysteme und flammhemmende Materialien berücksichtigt werden. Um die Kontrolle über das freigesetzte Gasvolumen, den Partikelauswurf und die thermische Energie während eines thermischen Durchgehens zu verbessern, müssen die Batteriesysteme so ausgelegt sein, dass eine unkontrollierte thermische Ausbreitung verhindert wird. Dies erfordert die Optimierung thermischer Pfade und die Implementierung von innovativen Isolations- und Dichtheitskonzepten.
Die AVL-No-Gas-Out-Technik nutzt patentierte Zell- und Modullösungen für Gasführung und Dichtheit. Ein Schlüsselaspekt dieser Technologie ist die Trennung der elektrischen und elektronischen Komponenten von den Entlüftungsgasrichtlinien. Diese Trennung trägt dazu bei, das Risiko eines unkontrollierten Kurzschlusses und in der Folge der Bildung von Lichtbögen zu minimieren, die durch die Entlüftungsgase, leitfähige Partikel und potenzialführende Metallteile verstärkt werden können. AVL bietet patentierte Lösungen für innovative Ventilationskanalführungen und Filtersysteme, die einen multifunktionalen Ansatz verfolgen, um mechanisch und thermisch höchste Effizienz zu erreichen, Bild 1.
Beim Ausgasen einer Zelle können kurzfristig Temperaturen von bis zu 1300 °C und sehr hohe Druckspitzen auftreten. Diese Werte werden stark von der Zellchemie, dem Ladezustand, der Zelldegradation und dem Systemdesign (Entlüftungsstrategien, elektrische Verlegung etc.) beeinflusst. Nickelhaltige Chemikalien (zum Beispiel NMC 811, NCA oder NMC 9XX) neigen dazu, heftiger zu reagieren als weniger energiedichte Chemikalien wie Lithium-Eisenphosphat (LFP) und Lithium- Titanium-Oxid (LTO). Eines der schlechtesten thermischen Ereignisse für Batteriesysteme ist in Bild 2 zu sehen.
Ein unkontrolliertes Austreten von Entlüftungsgasen aus der Batterie kann dazu führen, dass diese Gase in den Fahrzeuginnenraum eindringen und schwerwiegende Folgen für die Insassen haben. Zu den möglichen Risiken gehören Atembeschwerden und Vergiftungen. In extremen Fällen kann die Ansammlung von brennbaren Gasen zu Explosionen führen, die schwere Verletzungen oder den Tod verursachen können. Es ist daher entscheidend, dass Batteriesysteme so konstruiert sind, dass sie ein unkontrolliertes Entgasen verhindern und die Sicherheit der Insassen gewährleisten.
Bild 3 zeigt ein Hochvoltbatteriekonzept, bei dem die Ventilationskanalführung vom restlichen Hochvoltbatteriesystem abgetrennt worden ist. Integrierte Partikelfallen fangen Teilchen auf, verlängern den Entlüftungsströmungsweg und absorbieren die freigesetzte Energie durch den Entlüftungsstrahl. Das Gas wird in die Seitenprofile des Gehäuses geleitet und schließlich an die Umgebung oder an weitere Speicher oder Filter abgegeben. Je nach Anwendung kann auch eine aktive Kühlung implementiert werden. AVL hat dazu patentierte Konzepte entwickelt, um das Gas aktiv zu kühlen, sodass am Entlüftungsventil Temperaturen unter 100 °C auftreten, um Fahrzeugkomponenten zu schützen und Folgereaktionen zu verhindern.
Zusammensetzung und Handhabung des Entlüftungsgases
Die bei einem thermischen Durchgehen entweichenden Gase sind gesundheitsschädlich. Eine Gegenmaßnahme besteht darin, die Hauptbestandteile der austretenden Gase zu filtern und zu speichern. Dazu ist es notwendig, die Zusammensetzung dieses Gases, das erzeugte Gasvolumen und den Massenverlust bei einem thermischen Durchgehen zu kennen. Bei einer NMC-811-Zelle bestehen mehr als 80 % des Gasvolumens aus Wasserstoff (H2), Kohlenmonoxid (CO) und Kohlendioxid (CO2). Der Massenverlust der Zelle beträgt über 50 %, wie in Bild 4 (links) dargestellt. Ein ähnliches Verhalten ist bei Ni-reichen Chemikalien zu erwarten.
Bei Verwendung desselben Zellvolumens mit einer LFP-Chemie zeigt sich ein anderes Verhalten. Zum einen wird im gleichen Volumen deutlich weniger Energie gespeichert, zum anderen ist das erzeugte Gasvolumen, der Massenverlust und somit auch der Partikelausstoß um ein Vielfaches geringer. Die Gaszusammensetzung des LFP-Entlüftungsgases besteht hauptsächlich aus Wasserstoff (H2), Kohlendioxid (CO2), Diethylcarbonat (DEC), Dimethylcarbonat (DMC) und Ethylmethylcarbonat (EMC), Bild 4 (rechts).
Implementierung von Absorbermaterialien im Lüftungsleitsystem
Das Prinzip der No-Gas-Out-Technik beruht auf zwei Schlüsselprozessen: Partikelfilterung und Gasabsorption. Die Filterung von schädlichen flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs), CO und CO2 kann mit bewährten Materialien durchgeführt werden. Die Speicherung von H2 und CH4 hingegen bleibt eine größere Herausforderung.
Wie in Bild 5 dargestellt, werden im aktuellen Entgasungssystem Filtermaterialien eingesetzt, um Verunreinigungen wie Kohlenstoffreste und Metallfragmente aus dem Abgas abzuscheiden. In der ersten Stufe der Abgasführung fangen die Partikelfilter größere Partikel ab, sodass sich das Gas ausdehnen kann und gleichzeitig der Strömungsweg verlängert wird. In der nächsten Stufe werden kleinere Partikel weiter aufgefangen oder abgefangen, um Schäden am Absorptionssystem zu verhindern. In der letzten Stufe des Entlüftungsgasführungssystems werden die freigesetzten Gase durch Physisorption und Chemisorption absorbiert. Die Wirksamkeit der Gasabsorption hängt von der Molekülgröße, der Polarisierbarkeit, der Temperatur, der Absorptionskapazität, dem Druck und dem Vorhandensein ausgeworfener Trümmer ab. Während die Physisorption bei flüchtigen organischen Verbindungen und CO2 wirksam ist, ist für reaktivere Gase in der Regel die Chemisorption erforderlich.
Die Physisorption, angetrieben durch Van-der-Waals-Kräfte, bindet nicht reaktive Gase wirksam. Metallorganische Gerüstverbindungen (Metal-organic Frameworks, MOFs) mit ihrer extrem großen Oberfläche adsorbieren effizient CO, CO2, VOCs und Elektrolytdämpfe, während Zeolithe, mikroporöse Alumosilikate, CO2, Methan (CH4) und Wasserdampf stark adsorbieren. Aktivkohle, die häufig für die Adsorption von VOCs und Elektrolytdämpfen (DEC, DMC, EMC) verwendet wird, profitiert von ihrem umfangreichen mikroporösen Netzwerk. Nanomaterialien auf Graphenbasis verbessern die selektive Adsorption weiter und sind vielversprechend für die Abscheidung von H2, CO und CO2.
Die Chemisorption, die eine chemische Bindung beinhaltet, ist für reaktive Gase wie H2, CO und Elektrolytdämpfe von wesentlicher Bedeutung. Metallhydride speichern H2 durch starke chemische Wechselwirkungen, während Übergangsmetalloxide und funktionalisierte Nanomaterialien mit CO reagieren und dessen Freisetzung verhindern. Bestimmte MOFs und Zeolithe weisen ebenfalls eine Chemisorption auf, insbesondere für CO2 und CH4.
Die Kombination von Materialien verbessert die Adsorptionseffizienz. MOFs, Aktivkohle und Zeolithe bieten eine hybride Filtration, die die Physisorption und Chemisorption optimiert.
Trotz ihrer Vorteile ist die Skalierung fortschrittlicher Sorptionsmittel nach wie vor kostspielig. Die Speicherung von H2 stellt eine besondere Herausforderung dar, wobei Nanokristalle und Nanokomposite potenzielle Lösungen bieten, die sich allerdings noch in der frühen Entwicklungsphase befinden.
Die No-Gas-Out-Technik bietet eine potenzielle Lösung für das Auffangen und sichere Zurückhalten von entweichenden Gasen in Batteriesystemen. Bei diesem Verfahren werden die Gase gekühlt, von Verunreinigungen getrennt, katalysiert und schließlich auf einem Adsorptionsmittel absorbiert. Dabei müssen jedoch bestimmte Einschränkungen berücksichtigt werden, zum Beispiel die Erzeugung eines Druckabfalls und die Bewältigung schwieriger Randbedingungen, um eine angemessene Selektivität und Absorptionskapazität zu gewährleisten.
Diese Technik ist eine von vielen Technologien, die von AVL erforscht werden, um thermische Ereignisse im System abzumildern und gleichzeitig die Kunden- und Gesetzesanforderungen zu erfüllen. AVL unterstützt Kunden auch bei der Entwicklung von Hochvoltbatterien vom ersten Konzept bis zur Produktion und begleitet sie während des gesamten Produktlebenszyklus, Bild 6.
Die steigende Nachfrage nach Elektro-Pkw erhöht die Bedeutung der Batteriesicherheit. Um Brände und Explosionen zu vermeiden, müssen Batteriesysteme sorgfältig entwickelt werden. Normen wie GTR 20 und UN ECE R100 definieren Sicherheitsanforderungen, einschließlich der Vermeidung einer thermischen Ausbreitung.
Die Entwicklung von Hochvoltbatterien muss Sicherheitsaspekte wie effiziente Kühlung, aktive Batteriemanagementsysteme und flammhemmende Materialien berücksichtigen. AVL bietet patentierte Lösungen für diese Vermeidungsstrategien an, die je nach Zellformat und -chemie kombiniert und angepasst werden. Ein sicheres Design der Batteriesysteme ist entscheidend, um schwerwiegende Folgen für die Insassen zu vermeiden. Es wird empfohlen, elektrische und elektronische Komponenten von den Entlüftungskanälen getrennt zu halten, um das Risiko der thermischen Ausbreitung zu verringern.
Zu den möglichen Lösungen zur Verbesserung der Sicherheit gehören die Partikelfilterung sowie die ordnungsgemäße Lagerung und Absorption der freigesetzten Abgase. Ni-reiche Zellen können über 50 % ihrer Masse verlieren, und die Hauptgasbestandteile sind H2, CO und CO2. Im Gegensatz dazu emittieren LFP-Zellen weniger Gas und weisen einen geringeren Massenverlust auf, mit den Hauptgasbestandteilen H2, CO2, DEC, DMC und EMC.
Aktivkohlefilter filtern VOCs und CO wirksam heraus; ihre Wirksamkeit für DEC, DMC und EMC ist jedoch weniger gut dokumentiert. Ihre Adsorptionskapazität ist begrenzt und kann mit der Zeit gesättigt werden. Zeolithe und MOFs bieten vielversprechende Alternativen; Zeolithe können aufgrund ihrer porösen Struktur eine Vielzahl von Gasen speichern, während MOFs besonders effektiv bei der CO2-Absorption sind und für spezifische Gasabtrennungen zugeschnitten werden können. Die Absorption von Molekülen wie H2 und CH4 bleibt jedoch aufgrund ihrer geringen Größe und niedrigen Polarisierbarkeit eine Herausforderung. Nanomaterialien zeigen in diesem Bereich Potenzial, insbesondere für die Gasspeicherung und -abtrennung, aber es sind weitere Entwicklungen erforderlich, um die harten Randbedingungen zu vermeiden, die oft für ihre optimale Funktion notwendig sind. Die Kombination verschiedener Materialien wie MOFs mit Aktivkohle, Zeolithen oder Nanomaterialien kann die Adsorptionskapazität und Selektivität für entweichende Gasmoleküle verbessern.
Obwohl es derzeit keine festgelegten Grenzwerte für die Gaskonzentration im Fahrzeuginnenraum gibt, wird erwartet, dass diese in zukünftigen Typgenehmigungen enthalten sein werden.
Literaturhinweise
[1]
GTR 20: Globales Register. Erstellt am 18. November 2004 gemäß Artikel 6 des Übereinkommens über die Festlegung globaler technischer Regelungen für Radfahrzeuge, Ausrüstungsgegenstände und Teile, die in Radfahrzeuge(n) eingebaut und/oder verwendet werden können (ECE/TRANS/132 und Korr. 1), abgeschlossen in Genf am 25. Juni 1998. Nachtrag 20: Globale Technische Regelung Nr. 20. Globale Technische Regelung zur Sicherheit von Elektrofahrzeugen (EVS). Eingetragen im globalen Register am 14. März 2018
[2]
GB 38031-2020: Nationaler Standard der Volksrepublik China. ICS 43.080 T 47. Ersetzt GB/T 31485-2015, GB/T 31467.3-2015. Sicherheitsanforderungen für Traktionsbatterien von Elektrofahrzeugen. Herausgegeben am: 12. Mai 2020. In Kraft getreten am: 1. Januar 2021. Herausgegeben von: Staatliche Marktregulierungsbehörde. Normungsbehörde der Volksrepublik China
[3]
UN ECE R100 (Rev. 3): UNECE: Verordnung Nr. 100 der Wirtschaftskommission der Vereinten Nationen für Europa (UNECE). Über die Annahme harmonisierter technischer Vorschriften der Vereinten Nationen für Radfahrzeuge, Ausrüstungen und Teile, die an Radfahrzeugen angebracht und/oder verwendet werden können, und die Bedingungen für die gegenseitige Anerkennung von Genehmigungen, die auf der Grundlage dieser Vorschriften der Vereinten Nationen erteilt wurden*. (Rev. 3, einschließlich der Änderungen, die am 14. September 2017 in Kraft getreten sind). Addendum 99: Verordnung Nr. 100 Rev. 3
UN ECE R100 (Rev. 5): UNECE: Vorschlag für die 05. Serie von Änderungen zur UN-Verordnung Nr. 100 (Elektroantrieb-Fahrzeuge). Wirtschaftskommission für Europa, Ausschuss für den Binnenverkehr, Weltforum für die Harmonisierung der Fahrzeugvorschriften, Arbeitsgruppe für passive Sicherheit, 76. Sitzung, Genf, 2. bis 6. Dezember 2024
Neza Lupsina, M. Sc.
ist Technical Expert Battery Thermal Safety bei der AVL List GmbH in Graz (Österreich).
Dipl.-Ing. (FH) Hannes Sperker
ist Project Manager Battery System bei der AVL List GmbH in Graz (Österreich).
Dipl.-Ing. Karl Aufderklamm
ist Lead Engineer Design Battery bei der AVL List GmbH in Graz (Österreich).
Dipl.-Ing. Georg Hannes Pfennich
ist Development Engineer Battery bei der AVL List GmbH in Graz (Österreich).
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