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TU-Clausthal Institut für Elektrische Energietechnik und Energiesysteme

Batterietestzentrum

Die TU Clausthal betreibt mit dem Forschungszentrum Energiespeichertechnologien und dem Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut am Batterie-Sicherheitscampus Deutschland ein Batterie- und Sensoriktestzentrum (https://www.batteriesicherheit.eu/batterie-und-sensoriktestzentrum). Dieses verkörpert eine Forschungsinfrastruktur zum Testen von Hochleistungs- Batteriesystemen, die hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit bundesweit einmalig ist. Mit dieser Infrastruktur sind die Partner für zukünftige Herausforderungen gewappnet, wenn Batterien für Busse und LKW nichts ungewöhnliches mehr sind und auch das Laden dieser Batterien mit 500 kW keine Seltenheit mehr darstellt.

Batterieuntersuchungen in Grenzbereichen

Bei den Experimenten in Grenzbereichen für Li-Ionen Batterien handelt es sich beispielsweise um Kurzschluss- und Überladeversuche. Bei Kurzschlussversuchen entstehen überproportional hohe Ströme und eine verstärkte Erwärmung. Sicherheitsmechanismen oder die thermische Ausbreitung innerhalb eines Moduls oder auch von ganzen Batteriesystemen sind hier von besonderem Interesse. Überladene Batterien zeigen ein deutlich reaktiveres Verhalten auf und gelten somit als eine unmissverständlich hohe Gefahrenquelle. Im ungewünschten Brandfall einer Li-Ionen Batterie ist die Brandausbreitung besonders ausschlaggeben und sollte unter Kontrolle gehalten und analysiert werden. 

Untersuchung der Löschwirkung verschiedener Löschmittel und des Brandverhaltens von Lithium-Ionen-Batterien

Lithium-Ionen-Batterien stellen heutzutage eine der bedeutendsten elektrochemischen Speichertechnologien im kommerziellen Bereich da. Sie werden in den unterschiedlichsten tragbaren Geräten, für Elektroautos, Heimspeichersysteme und viele weitere Anwendungen rund um die Uhr genutzt. Dabei sind diese vor allem wegen ihrer hohen Energiedichte von großer Bedeutung. Bei der alltäglichen Nutzung stellt sich jedoch die Frage, was bei einem Batteriebrand passiert und welche Anforderungen ein mögliches Löschmittel haben muss. Diese Fragestellung umtreibt die Hersteller von Löschmitteln, denn Batteriebrände sind nicht zu vergleichen mit herkömmlichen Hausbränden. Die Anforderungen sind vielseitig und bedürfen eines hohen Knowhows an Forschung und Entwicklung.

Gemeinsam mit der Firma FNL Neuruppin und den Forschern der TU Clausthal werden experimentelle Nachweise der Löschwirkung verschiedener Löschmittel bei Bränden von Lithium-Ionen-Batterien erbracht. Am Batterie-Sicherheitscampus Deutschland können neuartige Konzepte zur Vorbeugung von Batteriebränden entwickelt sowie die Wirksamkeit von Löschmitteln für unterschiedliche Speichertechnologien erforscht werden.

Brennende Batterie auf einem Prüfstand
Abbildung 1: Brennendes Batteriemodul, dass mit unterschiedlichen Löschmitteln gelöscht wird. Hierbei sind die Temperaturentwicklung und der Wiederbeginn eines Brandes nach einen Löschung besonders wichtige Größen.

Abuse-Tests von Lithium-Ionen-Zellen

Die zur Verfügung stehende Infrastruktur erlaubt es, durch vorhandene Brandöfen Batterien nicht nur bis zur Belastungsgrenze zu testen, sondern auch darüber hinaus. Neben der Simulation kritischer Situationen sind daher auch gezielte Abuse-Tests nach Norm möglich. Abbildung 3 veranschaulicht den Temperaturverlauf einer Batterie bei einem sogenannten Fuel-Fire-Test nach ECE R100. Hier wird simuliert, wie sich eine Lithium-Ionen-Fahrzeugbatterie bei einem Benzin-Feuer z.B. nach einem Unfall, verhält.

Diagramm zeigt die Leistung der verschiedenen Simulated Fuel Fire
Abbildung 2: Temperaturverlauf eines Simulated Fuel Fire Test nach ECE R100 mit einem Batteriemodul. Direkt über dem Feuer betragen die Temperaturen mehr als 1000°C und auch der Boden des Batteriemoduls erreicht fast 1000°C. Die sinkenden Temperaturen unmittelbar nach dem Brand belegen jedoch, dass es zu keinem thermischen Durchgehen des Moduls nach dem Feuer gekommen ist und der Test bestanden wurde.

Referenzen / durchgeführte Arbeiten

  • Überladen
  • Überentladen
  • Übertemperatur
  • Kurzschluss (Zelle, Modul, System)
  • Thermische Stabilität
  • Brandausbreitungsprüfung
  • Fuel Fire
  • Temperaturverhalten
  • Leistungstests mit 1200 A
  • Löschmittelprüfungen
Funken aus einer Batterie

Durchführung von Leistungstests und Sicherheitsmaßnahmen bei Hochleistungs-Lithium-Ionen-Batterien

Im Rahmen der Überprüfung der Sicherheit von Batterien und Batteriesystemen werden im Batterietestzentrum Prüfungen nach verschiedenen Standards vorgenommen. Beispiele hierfür sind unterschiedliche Prüfungen aus den Regularien ECE R100, ECE R136 und UN T 38.3 sowie verschiedenen ICE-Normen. In solchen Vorschriften werden die thermischen, elektrischen und mechanischen Anforderungen an die jeweiligen Batteriesysteme definiert und Prüfabläufe für diese vorgeschrieben. Alle geforderten Prüfabläufe aus dem thermischen und elektrischen Bereich können im Batterietestzentrum realisiert werden. In der nachfolgenden Abbildung ist der Stromverlauf für einen Kurzschlussversuch nach ECE R100 dargestellt. Das Hochvolt-Batteriespeichersystem hat eine Nennspannung von 552 Volt und einen Energieinhalt von 88 kWh.

Grafik zeigt den Strom über die Zeit
Abbildung 3: Stromverlauf beim Kurzschluss eines Batteriesystems

Leistungstests können bis zu einer Maximalleistung von 1,2 MW vorgenommen werden. So können Anforderungen, die sich aus einer bestimmten Anwendung ergeben, auf Systemebene überprüft werden. Weiterhin eignen sich die vorhandenen Prüfeinrichtungen zur Bestimmung von Ladefaktoren und Wirkungsgraden von Gesamtsystemen. Nachfolgend ist die Spannung für das obengenannte System in Abhängigkeit von kurzen Belastungen, die für einen Betrieb des Systems charakteristisch sind, abgebildet.

Grafische Darstellung von Strom und Spannung im Zeitverlauf
Abbildung 4: Spannungsverlauf in Abhängigkeit einer Pulsbelastung für ein stationäres Batteriesystem