Lithium-Batterien und Sicherheit: die entscheidende Rolle des Herstellers
31 August 2022
Wir leben im Jahrzehnt der Energiewende, das von der rasanten Entwicklung neuer Technologien im Bereich der Elektrifizierung geprägt ist. Besonders im Fokus steht hierbei die Lithium-Batteriebranche, die für den zunehmenden Verzicht auf umweltschädliche fossile Brennstoffe und den Übergang zu einer grünen Mobilität von grundlegender Bedeutung ist. Da Batterien heute im Zentrum der Aufmerksamkeit stehen, ist man schnell mit Verallgemeinerungen sowie falschen Überzeugungen und Mythen bei der Hand, die Furcht und Ängste in der Bevölkerung auslösen. Einer dieser Mythen ist die Brandgefahr: Die irrige Annahme, Lithium-Batterien würden leicht Feuer fangen, ist weit verbreitet. Das Internet ist voll von schockierenden Meldungen und Bildern von brennenden Lithium-Batterien, die Personen- und Sachschäden verursacht haben. Es ist jedoch wichtig, zu differenzieren und vor allem genaue und richtige Informationen zu verbreiten.
Dem Hersteller kommt eine zentrale Funktion zu, die Sicherheit der Batterien zu gewährleisten: Dieser Prozess zieht sich von der Forschung und Entwicklung bis zur Konstruktionsphase, die die Einhaltung bestimmter Kriterien, die Auswahl der am besten geeigneten Materialien sowie die eigentliche Montage des Batteriepacks umfasst.
Dennoch haben zahlreiche Unternehmen mit unzureichendem Know-how und Erfahrung den Batteriemarkt geflutet und zum negativen Image der Lithium-Batterien beigetragen. Grob zusammengewürfelte Batteriepacks, eine unsichere oder für die Anwendung ungeeignete chemische Zusammensetzung, eine ineffiziente Elektronik und eine nicht sorgfältig durchgeführte Montage sind die Gründe dafür, dass die Brandgefahr plötzlich real wird. Darum ist es umso wichtiger, auf erfahrene Batteriehersteller zurückzugreifen, die spezielle technische Prüfungen durchführen und bereits in der Forschungs- und Entwicklungsphase eine sorgfältige Auswahl der Komponenten und Elektronik treffen.
Sehen wir uns nun im Detail an, welche Eigenschaften eine Lithium-Batterie sicher machen.
„In der Elektrifizierungsbranche liefern sich zwei wichtige Technologien auf Lithium-Basis ein Kopf-an-Kopf-Rennen: NMC (Nickel, Mangan, Kobalt), die im Automotive-Sektor am häufigsten eingesetzt wird, und LFP (Lithium-Eisenphosphat), die bei Industriefahrzeugen die Nase vorn hat. Anders als bei zahlreichen industriellen Anwendungen werden Automobilbatterien nur gering beansprucht, erfordern aber kurze Ladezeiten und eine hohe Energiedichte. In der Industrie, in der intensive Ladezyklen und Dauerbetrieb keine Seltenheit sind, haben hingegen eine lange Lebensdauer und die Sicherheit der Batterie oberste Priorität. Aus diesem Grund ist die LFP-Chemie die beste Wahl, die bei korrekter Anwendung auch weniger anfällig für thermisches Durchgehen ist.“
„Werden bei der Montage des Batteriepacks kleine Zellen eingesetzt, muss eine sehr große Anzahl von Zellen parallel geschaltet werden. Hier ein praktisches Beispiel anhand einer 400-Ah-Lithium-Batterie: Würde diese aus zylindrischen 3-Ah-Zellen bestehen, müssten 130 Zellen parallel geschaltet werden. Würde man für dieselbe Batterie hingegen prismatische 50-Ah-Zellen verwenden, müsste man nur 8 parallel schalten, um die gewünschte Kapazität zu erreichen. Bei einem Kurzschluss einer dieser Zellen müsste sie im ersten Fall das 130-fache ihrer Kapazität aufnehmen, im zweiten Fall nur das 8-fache. Die Batterien von Flash Battery werden mit maximal 4 parallel angeordneten Zellen gebaut, eine Montagemethode, die sich nach zahlreichen Tests und Untersuchungen bewährt hat und am besten geeignet ist, um höchste Sicherheit in jeder Situation zu gewährleisten.“
Die Steuerelektronik der Batterien
Ein weiterer entscheidender Aspekt für die Herstellung einer sicheren Lithium-Batterie ist ihr Battery Management System, d. h. ihre Steuerungssoftware. Ein intelligentes BMS stellt die bestmögliche Nutzung der gewählten Batteriechemie sicher und gewährleistet nicht nur Sicherheit, sondern auch langfristige Performance und Zuverlässigkeit.
Wozu dienen das BMS und die Steuerelektronik in erster Linie?
Sie dienen vorrangig dazu, den Zellausgleich sicherzustellen, alle Parameter der Batterie in Echtzeit zu überwachen, mit dem Fahrzeug zu kommunizieren und das Batterieladegerät zu steuern. Bei sorgfältiger Auslegung gewährleistet ein gutes BMS die langfristige Leistungsstabilität der Batterie, führt Selbstdiagnosen und eine vorausschauende Wartung durch und ermöglicht eine umfassende Kontrolle des gesamten Lithium-Batteriepacks.
Eine durchdachte Steuerelektronik verhindert Überhitzung
Überhitzung ist eines der Hauptprobleme, die es zu vermeiden gilt, um die Sicherheit einer Lithium-Batterie zu gewährleisten. Die laufende Überwachung der Batterie-Innentemperatur hat damit oberste Priorität. Zu den verschiedenen Funktionen eines intelligenten BMS gehört auch, die Temperatur und Spannung der einzelnen Zellen laufend zu überprüfen und mit dem Fahrzeug und Batterieladegerät zu kommunizieren, um im Störfall den Lade- und Entladevorgang zu unterbrechen und die Hauptschütze auszulösen.
Eine ordnungsgemäße Überwachung reicht jedoch nicht immer aus. Sie muss an den richtigen Stellen und auf effiziente Weise erfolgen. Den entscheidenden Unterschied in puncto Sicherheit macht oft die Funktion der Steuerelektronik. Die Verbesserung der Elektronik war seit der Gründung des Unternehmens im Jahr 2012 eines der Hauptziele von Flash Battery. Damals wurde das Potenzial der ersten Lithium-Batterien aus Asien durch erhebliche Elektronikprobleme zulasten der langfristigen Sicherheit und Zuverlässigkeit beeinträchtigt. Flash Battery befasste sich daher von Beginn an mit der Elektronik und entwickelte eine in ihrer Art einzigartige firmeneigene Fernsteuerungssoftware, die zahlreiche Vorteile bietet: Das Flash Data Center
Flash Data Center 4.0 unter den Finalisten des Bauma Innovation Award 2022
Das Flash Data Center (link art. blog Data Center) wurde mit dem Ziel entwickelt, die genaue Nutzung jeder einzelnen weltweit eingesetzten Lithium-Batterie von Flash Battery tagtäglich zu überwachen. Das wichtigste Merkmal dieses Systems besteht in der automatischen Kontrolle der Daten. Über eine intern entwickelte Software werden die gesammelten Betriebsdaten der Batterien rund um die Uhr analysiert. Jegliche Warnung oder Missbrauch wird zeitgleich an den Kunden und an die Serviceabteilung von Flash Battery gemeldet, um etwaigen Fehlfunktionen oder Störungen vorzubeugen und auf diese Weise dieSelbstdiagnose und prädiktive Wartung sicherzustellen.
Bereits die erste Version dieser Software, die heute in Italien patentiert und im Ausland zum Patent angemeldet ist, ermöglichte eine präzise Nutzungsanalyse der mit Batterien von Flash Battery ausgestatteten Industriemaschinen und -fahrzeuge. So konnten wichtige Informationen wie tatsächliche Lade- und Entladezeiten, Einsatztage, Durchschnittsverbrauch, Ladetemperaturen und erreichte Temperaturen gewonnen und die Betriebseffizienz der Fahrzeuge verbessert werden. In der neuesten Version 4.0 bringt die Software einen zusätzlichen Mehrwert.
Die Cloud des Flash Data Center 4.0 ist in eine virtuelle Umgebung mit „containerisierter Architektur“ integriert, die künstliche Intelligenz nutzt und mithilfe von fortschrittlichen Machine-Learning-Technologien die Vernetzung aller von Flash Battery produzierten Batteriesysteme sicherstellt. Dieses System, das mit einer neu entwickelten, schlanken und intuitiven Grafikoberfläche für ein noch besseres Benutzererlebnis aufwartet, ermöglicht fortschrittliche und vorausschauende Big-Data-Analysen der Batteriesysteme in Echtzeit. Dank dieser innovativen Eigenschaften schaffte es auch den Sprung unter die Finalisten des prestigeträchtigen Bauma Innovation Award 2022.
Sicherheitstests
Diese Tests werden im Labor unter kontrollierten und sicheren Bedingungen durchgeführt. Die Batterien werden dabei bis zu ihrer angegebenen Betriebsgrenze oder sogar über ihren Einsatzbereich hinaus belastet. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass selbst unter extremen Bedingungen ein Mindestmaß an Sicherheit gegeben ist und Transporteur und Anwender gleichermaßen geschützt werden.
Testreihe UN 38.3
Unter den bekanntesten Teststandards findet sich die Testreihe UN 38.3, die im internationalen Manual of Tests and Criteria beschrieben wird. Im Rahmen acht verschiedener Tests werden mögliche Bedingungen simuliert, in denen die Sicherheit der Batterie gewährleistet bleiben muss (Temperatur, Schwingung, Höhenunterschied, Schlag, Aufprall, Überladung usw.).
Das erfolgreiche Bestehen dieser Tests ist eine Grundvoraussetzung für die globale Beförderung von Lithium-Batterien im Straßenverkehr sowie auf dem See- oder Luftweg.
Nageldurchdringungstest
Der Nageldurchdringungstest ist ein weiteres perfektes Beispiel für einen Sicherheitstest, der das Worst-Case-Szenario einer Lithium-Batterie, nämlich den internen Kurzschluss der Zellen, simuliert. Bei diesem Test wird die Batterie mit einem Stahlstift durchstochen, um einen Kurzschluss zu simulieren und zu prüfen, ob die Batterie Feuer fängt oder explodiert.
Die Wahrscheinlichkeit, dass eine Zelle in der Realität bei normaler Verwendung der Batterie perforiert wird, geht natürlich gegen null. Dennoch ist dieser Test von größter Wichtigkeit, da Kurzschlüsse bei Missbrauch oder Herstellungsfehlern tatsächlich auftreten können.
Leistungstests
Um die Leistung und Nennspezifikationen von Lithium-Batterien objektiv zu messen und mit anderen am Markt erhältlichen Batterien vom selben Typ zu vergleichen, sind Leistungstests das Mittel der Wahl. Angesichts des zunehmenden Einsatzes von Lithium-Batterien in verschiedenen Wirtschaftsbranchen – von mobilen Anwendungen bis zum Automotive-Sektor sowie Industriemaschinen und -fahrzeugen – finden diese Tests heute breite Anwendung.
Immer mehr europäische Länder tätigen aufgrund strenger Umweltvorschriften hohe Investitionen in die Batteriebranche. Damit einher geht auch ein exponentieller Zuwachs von Testlaboren für mittelgroße bis große Batterien, die heute umfassende, genaue und spezialisierte Dienstleistungen bieten.
Können Sicherheit und Personalisierung Hand in Hand gehen?
Flash Battery entwickelt und produziert maßgeschneiderte Lithium-Batterien customizzate, die individuell auf die Anforderungen des Kunden, das Einsatzgebiet und die zu elektrifizierende Anwendung zugeschnitten sind. Aber muss eine Batterie, nur weil sie personalisiert ist, auch weniger sicher sein? Im Gegenteil! Eine maßgeschneiderte Konstruktion garantiert höchste Qualitätsstandards, die natürlich auch ein höheres Maß an Sicherheit mit sich bringen.
Die Produktion jeder Batterie von Flash Battery folgt genau festgelegten Anpassungsprozessen. Für jede ihrer Eigenschaften – ob mechanischer, elektronischer oder elektrischer Natur – wird ein eigener interner Konstruktionsleitfaden erarbeitet, der es uns ermöglicht, die Mindestsicherheitsanforderungen für jedes neu realisierte Projekt einzuhalten.
Unsere Konstruktionslösungen werden anschließend mithilfe von standardisierten Basis-Funktionselementen entwickelt, die auf Grundlage der konkreten Anforderungen der Batterie und des Einsatzbereichs integriert werden. Darüber hinaus werden alle Prozesse und Arbeitsabläufe vor ihrer Validierung und Standardisierung intern von unserer F&E-Abteilung oder, wenn erforderlich, von externen Laboren getestet. Auf diese Weise können wir unseren Kunden die Zuverlässigkeit und Professionalität garantieren, die uns auszeichnen.
Die Wahl eines erfahrenen Lithium-Batterieherstellers mit einschlägigem Know-how ist somit wesentlich, um die Sicherheit der eigenen Industriefahrzeuge zu gewährleisten. Spannung, Kapazität und Größe einer Batterie beruhen auf einem komplexen Konstrukt aus Forschung und Entwicklung, technischen Prüfungen und insbesondere der sorgfältigen Auswahl der Bauteile und Elektronik. Diese Aspekte beeinflussen nicht nur die Performance der Anwendung, sondern sind auch für die langfristige Sicherheit und Zuverlässigkeit einer Lithium-Batterie maßgeblich.
