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Sicherheit von Lithium Batterien


Meldungen über Brandfälle, die durch Lithiumakkus verursacht wurden, stellen die Frage in den Raum, wie gefährlich Lithiumakkus sind und wie man Risiken vermeiden kann. Anbei ein Resumée über Gefahren und Sicherheitsanforderungen von Akkus, insbesondere beim TWIKE.

Energiebetrachtungen
Energiespeicher haben grundsätzlich die (durchaus ja erwünschte) Eigenschaft, dass sie Energie aufnehmen und wieder abgeben können. Bei Batterien entsteht dabei Wärme, bedingt durch die chemischen Vorgänge. Je mehr Energie drin ist und je schneller diese entladen wird, desto heisser wird die Batterie.

Bleiakkus haben eine Energiedichte von nur 20 Wh/kg, bei den neusten Lithiumakkus ist man bereits bei über 200 Wh/kg. Also 10 mal mehr Energie bei gleicher Masse. Das bedeutet aber auch, dass bei einer unkontrollierten Entladung der Akku schneller viel heisser werden kann. Zudem nimmt man in einem Fahrzeug nicht nur 2 kWh sondern gleich am liebsten 20 kWh mit, sodass die gesamte Energie, die freigesetzt werden kann auch 10 mal grösser ist.

Im Vergleich zum Benzin ist das natürlich immer noch sehr bescheiden, von den 10'000 Wh/kg Benzin ist die Energiedichte selbst der Lithiumbatterien noch weit entfernt, sodass ein so heftiger Brand oder allenfalls eine Explosion wie beim Benzinauto gar nicht machbar ist.

Ähnlich wie beim Benzintank kann es gefährlich werden wenn die Batterie ein "Leck" hat. Dabei kann man zwischen einem "externen Leck" und einem "internen Leck" unterscheiden. Beiden gemeinsam ist, dass die chemisch gespeicherte Energie in Wärme gewandelt wird.


"Externes Leck"
Ein "Leck" ausserhalb der Batterie muss man mit entsprechenden Sicherheitsvorkehrungen absichern. Ein "heftiges Leck" (= Kurzschluss) kann man mit einer Schmelzsicherung am richtigen Ort absichern. Ist der Strom grösser als erlaubt, so brennt der dünne Draht in der Sicherung durch. Beim TWIKE ist am Anschluss jedes Akkublocks rsp. bei den LiFe-Akkus zwischen den Teilblöcken eine 16A Sicherung angebracht. Erfolgt im Fahrzeug, z.b. durch Wasser ein Kurzschluss, so schmelzen diese Sicherungen durch und verhindern weitere Folgeschäden.

Überwachung: Fliesst nur ein kleiner Strom, so merkt die Sicherung nicht, ob dies beabsichtigt ist oder ob es sich um ein "Leck" handelt. Selbst eine umfassende Elektronik kann nicht immer erkennen, ob nun der Strom die beabsichtigte Wirkung hat oder z.B. durch einen überhitzten Stecker einen Brand auslösen wird. Solange sich eine Person in der Nähe befindet, ist das nicht so heikel, da die Nase sehr empfindlich ist, und schmelzendes Isolationsmaterial übelriechende Gase abgibt. Die Reaktion, dann den Strom durch Drücken des Not-Aus rsp. Ausstecken des Netzkabels zu unterbrechen, ist naheliegend und zumutbar.



"Internes Leck"
Der schlimmste Fall, vor dem sich jeder Akkuhersteller fürchtet, ist der interne Zellendefekt. Durch Alterung, mechanische Belastung oder Fertigungsfehler kann in der Zelle ein Kurzschluss entstehen. Die Zelle entlädt sich, ohne dass ein externer Verbraucher angeschlossen ist. D.h die enthaltene Energie wird in Wärme umgewandelt. Je nach Zellenkonstruktion und Chemie ist dieser Kurzschluss mehr oder weniger heftig und hat unterschiedliche Folgen.

Ein interner Kurzschluss fängt meistens langsam an – dies gilt unabhängig von der Chemie der Zelle. Am Anfang ist es ein "kleines Leck", als ob ein kleiner Entladestrom dauernd aus der Zelle fliessen würde. Dieser Effekt ist zunächst so klein, dass nichts auffällt und ein normaler Betrieb immer noch möglich ist. Die betroffene Zelle ist dann aber die erste, die jeweils komplett entladen und bei einer weiteren Entladung kurzgeschlossen oder sogar umgepolt wird. Je nach Konstruktion "überlebt" sie es oder es entsteht ein interner, niederohmiger Kurzschluss. "Überlebt" die Zelle, so ist sie trotzdem geschädigt, die Kapazität ist stark reduziert und die interne Selbstentladung wird immer grösser. Das führt während der Ladung zu einer starken Erwärmung bis zur Überhitzung der Zelle.

Überwachung: Eine externe Abschaltung oder Überwachung kann hier gar nichts ausrichten, da sich alles im geschlossenen Gehäuse des Akkus abspielt. Hier entscheidet die Qualität der Zelle und die Ausführung der zelleninternen Schutzmassnahmen, wie gefährlich es werden kann.


Der "Super GAU"
Findet die "Sterbephase" der Zelle rasch statt, z.B. bei einer Tiefentladung, so machen "gutmütige" Zellen einen niederohmigen Kurzschluss. Sie verhalten sich dann so, wie wenn diese Zelle ein Stück Draht wäre. Damit hat der Akku 3.2V weniger Spannung, aber ist ansonsten wieder voll funktionsfähig.

Der andere Fall, dass die Zelle nur halb stirbt und dann während der Ladung stetig heisser wird, führt dann zum gefürchteten "Super GAU". Sie erhitzt sich so stark, dass die Zellen in der Nachbarschaft ebenfalls heiss werden, und der Innendruck der Zellen des ganzen Pakets stetig zunimmt. Das Ganze wird noch beschleunigt, wenn eine "(zu) intelligente" Elektronik diese Zelle (korrekterweise) als schwach erkannt hat und sie mit einem zusätzlichen Strom versucht zu "balancen".

Bei hochwertigen Zellen geht nun das Überdruckventil auf und der Elektrolyt entweicht kontrolliert. Die ausgetrocknete Zelle wird hochohmig, da ein hochwertiger Kunststoffseparator zwischen den Kontakten in der Zelle dieser Temperatur standhalten kann.

Bei qualitativ schlechten Zellen wo das Überduckventil fehlt, wäre nun eine heftige Explosion des Gehäuses die Folge. Die mechanischen Schäden durch die Explosion können externe Kurzschlüsse auslösen und je nach verwendetem Elektrolyt das Gas zum Brennen bringen. Das Weitere lässt sich ausmalen.


Brand in Abwesenheit
Die gefährlichste Zeit ist, wenn Strom fliesst – absichtlich oder unabsichtlich – und keine "gut Nase" dies überwachen kann. Dies ist – unabhängig von Akkus oder TWIKE – üblicherweise die Ursache der meisten Hausbrände, sei es durch eine Herdplatte, Kaffeemaschine oder nur ein defektes Netzteil.

Dazu wurden ausgeklügelte Brandschutzsysteme und Überwachungsanlagen geschaffen. Diese sind fast so gut wie die menschliche Nase, aber meist in der Reaktion etwas dumm, voreilig oder heftig, sodass die Folgeschäden z.B. durch Sprinkleranlagen ebenfalls gross sein können.

Die beste Massnahme ist, nur dann den Strom einzuschalten, wenn eine Person anwesend ist, ansonsten grundsätzlich alle Stomquellen komplett, mechanisch abzutrennen, wenn diese nicht gebraucht werden. Beim Fahrbetrieb ist das ja kein Problem, da das TWIKE nicht fahren sollte, wenn niemand drin sitzt. Beim Laden ist es jedoch anders. Hier will man nicht die ganze Zeit im TWIKE sitzen bleiben.

Um hier das Risiko zu minimieren, lädt das TWIKE standardmässig nur mit kleinem Strom (5A), um die Erwärmung auch z.B. bei schlechten Verlängerungskabeln zu reduzieren. Der dreifels Controller schaltet dann nach Abschluss der Ladung alle Verbraucher komplett aus und trennt den Akku mit einem Relais von der Elektronik. Damit ist auch die Selbstentladung der Batterie bei Abwesenheit auf ein Minimum reduziert.


Der kleine Unterschied
Der Unterschied von qualitativ guten und schlechten Zellen ist zum einen die Fertigungskonstanz dank hoher Anforderungen der Qualitätsüberwachung in der Produktion und der Selektion vor der Auslieferung. Eine Streuung in der Fertigung ist nie ganz zu vermeiden, aber bei hochwertigen Zellen, wie z.B. bei den SANYO NiCd, ist nur eine von 1000 Zellen etwas unterschiedlich. Bei Billigzellen ist jede ein Individuum, da sie mit wenig Automatisation "handmade in China" gefertigt sind. Die Qualitätsparameter Kapazität, Innenwiderstand und Selbstentladung sind bereits im Neuzustand so, dass eine Selektion kaum möglich ist. Für kleine Akkus mit 12V oder 24V lässt sich dieser "Flohhaufen" mit vertretbarem Elektronikaufwand etwas einfangen, aber für höhere Spannungen und mit zunehmendem Alter wird es nicht besser.

Kosten lassen sich auch sparen, indem man Sicherheitsvorkehrungen weglässt. Gute Zellen haben ein stabiles Gehäuse und ein Überdruckventil, sodass auch im schlimmsten Fall nur der Elektrolyt verdampft und über das Ventil austritt, aber keine Verformung der Zelle oder gar Explosion stattfindet. Bei Polymerzellen und prismatischen Zellen mit Kunststoffgehäuse ist ein definiertes Überdruckverhalten technisch gar nicht möglich. Aus diesem Grund haben wir im TWIKE nur Zellen mit Metallgehäuse eingesetzt.


Die Folgerung
Die Erfahrung mit den TWIKE Akkus in den letzten 15 Jahren hat uns gezeigt, dass nur die bestmögliche Qualität beim Akku für Fahrzeuge gut genug ist. Bei der Fertigung der Akkus werden alle Zellen kontrolliert und aufeinander abgestimmt. Das kontrollierte Balancing wird nur in Anwesenheit von Mitarbeitern und ausserhalb des Fahrzeugs durchgeführt. Auf ein automatisches Balancing im Fahrzeug wurde aus Sicherheitsgründen verzichtet, denn solange die Zellen gut sind, ist dies nicht notwendig. Driftet eine Zelle deutlich davon, so muss diese ersetzt werden und ein Balancing wäre nur eine temporäre Symptombekämpfung. Die hochwertigen Zellen erleiden beim "Sterben" einen niederohmigen Kurzschluss, sodass der Betrieb ohne Einschränkungen auch mit bis zu 3 defekten Zellen möglich ist. (Dies gilt nur bei Systemen mit mehr als 50 Zellen, bei Niederspannungssystemen ist ein Betrieb mit defekten Zellen nicht möglich.)

Die Erfahrung hat uns Recht gegeben. Betrachtet man die Akkuprobleme beim TWIKE, sowohl bei den NiCd als auch bei den Lithiumakkus, so kann man feststellen, dass die wenigsten Probleme durch die Akkus selbst entstanden sind, sondern meistens Probleme bei der Elektronik waren. Der Entscheid Akku-Rundzellen zu verwenden, die in grosser Stückzahl gefertigt werden, hat sich immer wieder als korrekt bestätigt.

In allen Fällen, wo Akkuzellen durch interne "Lecks" kaputt gingen, war das Verhalten so gutmütig, dass der Benutzer meist kaum etwas davon bemerkt hat, ausser, dass die Spannung etwas tiefer war.

Bei externen "Lecks" haben die Sicherungen zuverlässig funktioniert. Die einzigen, teuren Schäden entstanden durch das "systembedingte Leck" der Batterieüberwachung, denn diese verursacht mit dem kleinen Standbystrom von 3 mA eine Tiefentladung, wenn das TWIKE während länger als 2 Wochen nie aufgeladen wird. Beim neuen dreifels Controller konnte das Problem behoben werden.


MainEngineering1 dreifels Akkupaket mit LiFePO4-Rundzellen




VW_brennt Brennstoff Benzin: 400kWh werden in Wärme umgewandelt



Sicherung Überstromsicherung 16A



Akku_Explosion Bleiakku nach einer Explosion


LiPo_Akku_geblaeht_2._254 Aufgeblähter Lithium-Polymer Akku durch eine Tiefentladung




Aufbau_LION_Zelle Aufbau einer hochwertigen Lithiumzelle



Rundzellen_Ventil_254 Überdruckventil einer hochwertigen Rundzelle nach einer Zellenüberhitzung



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