Hitzeresistente Komponenten für mehr Sicherheit

Für Nutzer batterieelektrischer Fahrzeuge (Battery Electric Vehicles, BEVs) spielen hohe Reichweite und kurze Ladezeiten eine wichtige Rolle. Das erfordert Lithium-Ionen-Batteriesysteme mit leistungsstarken Zellen. Damit steigt jedoch das Risiko eines sogenannten thermischen Durchgehens, das schwere Schäden am Fahrzeug verursachen und die Insassen gefährden kann. Oerlikon hat Lösungen entwickelt, um die Auswirkungen eines solchen Vorgangs zu minimieren.

Die Marktakzeptanz von batterieelektrischen Fahrzeugen hängt stark von der Leistung und den Kosten der Fahrzeuge ab. Entscheidend für die Leistung ist die Antriebsbatterie – sie ist aber auch ein Hauptfaktor hinsichtlich der Kosten. Für den Markterfolg braucht es daher kontinuierliche Verbesserungen der Antriebsleistung und Reduzierung der Kosten.

Die Erwartungen hinsichtlich hoher Reichweiten und kurzer Ladezyklen erfordern Batterien mit hoher Energiedichte, was ein enges Zellpackaging in leistungsstarken Nickel-Mangan-Kobalt (NMC)-Zelltypen bedeutet. Das inhärente Risiko solcher Zellen ist das sogenannte thermische Durchgehen (Thermal Runaway, TR), eine Selbsterhitzung der Batteriezelle, bei der es zu einem exothermen Abbau der aktiven Masse kommt. Das führt zu einer explosionsartigen Freisetzung der heißen und leitfähigen Reaktionsgase durch die Überdrucköffnung. Die Selbsterhitzung wird ausgelöst, wenn die Zelltemperatur eine kritische Grenze überschreitet. Das kann durch interne oder externe Kurzschlüsse, externe Erwärmung, Überladung oder eine Fehlfunktion des Kühlsystems verursacht werden.

Ohne Schutzkonzept löst dieses Ereignis ein TR in weiteren Zellen aus, und zwar durch Wärmeübertragung auf benachbarte Zellen, den heißen Gasstrom einer entlüftenden Zelle oder indem sich die elektrisch leitende Atmosphäre durch Lichtbögen entzündet. Diese Kettenreaktion wird als thermische Ausbreitung (Thermal Propagation, TP) bezeichnet und führt zu schweren Schäden an der Batterie oder dem Fahrzeug und im schlimmsten Fall zu fatalen Folgen für die Insassen. Das Risiko eines TRs kann konstruktiv minimiert, aber nicht ausgeschlossen werden. Es braucht ein Sicherheitskonzept, um eine TP und ihre verheerenden Folgen zu vermeiden

Gasableitende Strukturen kanalisieren das heiße Gas und leitende Partikel aus der Zelle, führen sie in unkritische Bereiche ab und bilden eine elektrisch isolierende Sperre zwischen den Hochspannungskomponenten. Das minimiert das Risiko eines Lichtbogens zwischen Bauteilen mit unterschiedlichem Spannungspotenzial.

Separatoren zwischen den einzelnen Zellen verhindern die Wärmeübertragung zwischen den Zellen. Zusätzlich zur thermischen Funktion sollten die Trennelemente die Dickenzunahme der Zellen über deren Lebensdauer sowie den Ladezustand kompensieren können und gleichzeitig die Pressung im Zellstapel begrenzen. Separatoren sorgen dafür, dass der Druck auf die Zellen in einem Bereich liegt, der optimal für die Zyklenstabilität ist. Die Folgen eines TRs für Insassen und Fahrzeug sind davon abhängig, wie wirksam das Sicherheitskonzept mit einer, zwei oder allen zuvor genannten Komponenten ist. Der Schweregrad kann in vier Levels eingeteilt werden, BILD 2.

Bild 2: Auswirkungen eines thermischen Durchgehens und die Bedeutung der Sicherheitskomponenten (© Oerlikon)

Level 1

Dieses Level bietet genügend Zeit für eine sichere Evakuierung der Insassen. Außerhalb des Batteriegehäuses ist 10 min lang kein Feuer oder Rauch erlaubt (typischer Zeitrahmen). Ein Hitzeschild mit guter thermischer Isolierung schützt die mechanische Integrität des Batteriegehäuses, und eine effektive Gasableitung verhindert in der Anfangsphase der thermischen Kettenreaktion gefährliche Lichtbögen. Letztendlich kommt es jedoch zu einem Toalverlust des Fahrzeugs. Der Level 1 ist die gesetzliche Mindestanforderung aus der UN GTR No. 20 (Electric Vehicle Safety) [1], die in vielen Ländern übernommen wurde.

Level 2

Die TP wird eingedämmt, und der Schaden beschränkt sich auf das Batteriegehäuse. Die Insassen haben genügend Zeit, um sich in Sicherheit zu bringen. Allerdings kann aus dem Gehäuse etwas Rauch entweichen. Ein effektiver Zellseparator mit hoher Wärmeisolierung unterbricht die thermische Kettenreaktion. Ein isolierender Hitzeschild sowie eine Gas- und Partikelableitung vervollständigen das Sicherheitskonzept. Das Fahrzeug wird zur Reparatur abgeschleppt, und die Batterie kann ausgetauscht werden

Level 3

Das Stop-TP- oder Zero-TP-Konzept verhindert die Eskalation eines TRs. Der Fahrer wird über einen Batterieausfall informiert, eine Evakuierung ist nicht nötig. Eine hochwirksame Wärmedämmung zwischen den Zellen verhindert die thermische Kettenreaktion. Das Ereignis bleibt auf eine Zelle beschränkt. Die Anforderungen an den Hitzeschild und die Gasableitung werden geringer. Das Fahrzeug kann abgeschleppt werden, um die Batterie zu reparieren.

Level 4

Zusätzlich zum Level 3 ermöglicht ein Batteriemanagementsystem hier, dass das Fahrzeug aus eigener Kraft in die Werkstatt gefahren werden kann.

Massgeschneiderte Sicherheitslösungen

Aufbau und Konstruktion von Batteriesystemen sind abhängig von Strategien und Präferenzen der Hersteller. Das be - ginnt bei der Zellchemie, wie etwa Li - thium-Eisenphosphat-, NMC- oder auch Natrium-Ionen-Batterien, geht weiter über das Format, wie Pouch, zylindrisch oder prismatisch, bis hin zum Zellpaket, ob Cell-to-Module, Cell-to-Pack oder Cell-to-Body. Jedes Batteriesystem erfordert ein spezielles Sicherheitskonzept mit entsprechenden Komponenten. Eine effektive technische Lösung für Wärmedämmsysteme (Thermal Insulation Systems, TIS) ist eine Kombination aus einem hitzebeständigen Material mit einem intelligenten Design.

Die Basis einer guten Wärmeisolierung ist das Isoliermaterial, nämlich ein Konstruktionsverbundstoff, der die grundlegenden physikalischen, chemischen und mechanischen Eigenschaften mitbringt. Die wichtigste ist eine hohe Hitzebeständigkeit, denn das Material sollte so lange wie möglich intakt bleiben, auch wenn es zu einem TR oder sogar einer TP kommt.

Der andere Aspekt einer guten Lösung ist das Design. Die entwickelten Bauteile sollten die spezifischen Sicherheitsanforderungen des Batteriekonzepts erfüllen und gleichzeitig leicht sowie platzsparend sein. Das Sicherheitskonzept ist ein integraler Bestandteil der Batterie und sollte bereits in der frühen Phase der Entwicklung berücksichtigt werden.

Zelltrennelemente

Zellseparatoren verhindern vor allem, dass Wärme von einer zur benachbarten Zelle übertragen wird. Das Stop-TP- oder Zero-TP-Konzept verlangt, dass die Temperatur einer Zelle 100 °C nicht übersteigt. Multifunktionale Zelltrennelemente sind zudem elastisch, um die Zellatmung sowie die Montagetoleranzen des Zellenpakets zu kompensieren. Die geforderten thermischen und mechanischen Eigenschaften können nicht allein durch Werkstoffe wie Glimmer, AerogelVlies oder Schaumstoff erreicht werden. Um dünne Zellseparatoren zu realisieren, ist eine unterstützende Konstruktionskomponente erforderlich.

Figure 5: Mechanisches Modell eines multifunktionalen Zelltrennelements (© Oerlikon)

Der entwickelte Zellseparator verfügt über zwei Bereiche mit unterschiedlichen elastischen Eigenschaften, BILD 5. Ein fester Rahmen aus einem Elastomermaterial gleicht die Maßtoleranz des Zellstapels beim Zusammenbau zum Modul oder Paket aus, und eine Rippenstruktur sorgt für eine verringerte Elastizität in der Mitte, um die Ausdehnung der Zelle zu kompensieren. Dieses Konzept ermöglicht eine unabhängige Anpassung der Elastizität des festen Rahmens und der Rippenstruktur an die Einbausituation und die Zelleigenschaften. Dies verdeutlicht das mechanische Modell in BILD 5.

BILD 6 zeigt die Ergebnisse der thermischen und mechanischen Analyse von zwei Mustern mit unterschiedlichen Rippenabmessungen (Design 1 und 2). Thermisch gesehen ist ihr Verhalten nahezu identisch: Beide Proben begrenzen die Temperatur auf der kalten Seite auf unter 100 °C, während die Temperatur auf der heißen Seite innerhalb von 200 s von Raumtemperatur auf 700 °C ansteigt.

Beide Designs erlauben eine Zellausdehnung von mindestens 0,45 mm innerhalb der typischen Pressungsgrenzen, die entscheidend sind für die Zyklenstabilität der Zelle (mindestens 0,05 MPa, höchstens 1 MPa). Die Dicke im Einbauzustand liegt zwischen 1,4 und 1,6 mm, das bedeutet eine Kompressibilität von mehr als 30 %. Die mechanische Charakteristik ist jedoch deutlich anders: Der Druck-Dicken-Gradient von Design 1 ist etwa doppelt so hoch wie jener von Design 2, Design 1 ist also „härter“ als Design 2. Mit größeren Dicken von 1,8 bis 2,0 mm lässt sich die Kompressibilität auf >50 % steigern.

Bild 6: Thermische und mechanische Eigenschaften eines multifunktionalen Zelltrennelements (© Oerlikon)

Reference [1] United Nations: Global Technical Regulation on the Electric Vehicle Safety (EVS), May 3, 2018. Online: https://unece.org/transport/standards/ transport/vehicle-regulations-wp29/global-technical-regulations-gtrs, access: January 24, 2024