Testen von Li-Ion-Batterien - Die wichtigsten Normen in Europa, Asien und den USA

Diese Normen sind sehr genau ausgelegt und werden in den Regionen, in denen sie gültig sind, kontrolliert, sodass es für die Hersteller von Traktionsbatterien und Fahrzeugen sowie für Batterie-Testlabors notwendig ist, diese Normen und Testverfahren Li-Ion-Batterien zu kennen.

Die Sicherheitsnormen für LIBs sind vielfältig, sie beziehen sich auf Betriebs- und Umweltaspekte sowie auf Spannungen, Temperaturen und mechanische Beschädigungen, die im Betrieb der Batterien zu Problemen führen können. Eine allgemeingültige internationale Norm für elektrische, mechanische, Umwelt- und Missbrauchstests ist beispielsweise die Norm UN 38.3, hier werden mehrere Tests miteinander kombiniert. Innerhalb der EU- und in Japan hat darüber hinaus die Norm ECE R100 Rev.2 für LI-Batterien Gültigkeit, in den USA die Norm UL 2580.

Wir führen hier einige häufigsten Test- und Messverfahren und die zugehörigen Normen auf, ergänzt durch unser Praxiswissen, das wir in der Zusammenarbeit mit unseren Kunden gewonnen haben.

Häufige Tests zur Prüfung von Li-Ion-Batterien nach Norm:

• ECE R100 | Typprüfung
• Vibrationsprüfung
• Hitzeschock- und Zyklustest
• Vibration und mechanische Integrität
• Feuerbeständigkeit
• Externer Kurzschlussschutz
• Schutz vor Überladung
• Schutz gegen übermäßige Entladung
• Schutz vor Überhitzung

Batterien, die von den Vereinten Nationen als Gefahrgut der Klasse 9 eingestuft werden, müssen zunächst vor allem die Anforderungen nach Norm UN 38.3 erfüllen, da diese den sicheren Transport der Batteriezellen belegen. UN 38.3 wird daher von Regulierungs- und Zollbehörden auf der ganzen Welt anerkannt und ist als ein Zugangskritierium zu globalen Märkten bedeutsam. Aus technischer Sicht kann die UN 38.3-Prüfung auf Zellen-, Modul- oder Packungsebene durchgeführt werden und ist eine Kombination aus strengen mechanischen, elektrischen und vor allem umwelttechnischen Prüfungen zur Beurteilung der Stabilität einer Batterie während des Transports.

Da Lithium-Ionen-Batterien in einer Vielzahl von batteriebetriebenen Geräten verwendet werden, können sie bei unsachgemäßer Konstruktion verschiedene Gefahren bergen. Daher ist die Prüfung der Sicherheit und Leistung von Lithiumbatterien nach Normen wie UN 38.3 von enormer Bedeutung, um sicherzustellen, dass sie für den Batterietransport sicher sind, damit sie legal auf ausländische Märkte gelangen können. Die Prüfung nach Norm umfasst dabei acht Tests (T1 - T8), die sich alle auf spezifische Transportgefahren konzentrieren.

UN 38.3 Prüfung für den Versand und die Beförderung von Batterien:

• Höhen-Simulation
• Thermische Prüfung
• Schwingung
• Schlag
• Externer Kurzschluss
• Aufprall oder Quetschtest
• Überladung
• Erzwungene Entladung

Viele Sicherheitsprobleme bei Li-Ion-Batterien lassen sich auf deren Temperatur- und Spannungsempfindlichkeit zurückführen. In der US-Norm UL 2580 geht es daher um die Sicherheit von Batterien in Elektrofahrzeugen. Sie besteht aus mehreren Tests, von denen hier drei zum besseren Verständnis beschrieben werden.

Batteriekurzschluss:
Betrieb mit vollgeladenem Prüfling. Der Prüfling wird mit einem Gesamtstromkreiswiderstand ≤ 20 mΩ kurzgeschlossen. Die Funkenzündung erkennt das Vorhandensein von brennbaren Gaskonzentrationen im Prüfling, es dürfen keine Anzeichen einer Explosion oder eines Brandes auftreten. Außerdem entweichen die Dämpfe nur durch die dafür vorgesehenen Lüftungsöffnungen oder -systeme ins Freie. Es gibt keinen Bruch des Gehäuses und keine sichtbaren Anzeichen für das Auslaufen von Elektrolyten. Bleibt die Batterie nach der Kurzschlussprüfung funktionsfähig, wird sie einem Lade- und Entladezyklus nach den Angaben des Herstellers unterzogen. Kurzschlusstests können an Unterbaugruppen anstelle einer ganzen elektrischen Energiespeicherbaugruppe durchgeführt werden.

Batterie Aufpralltest:
Die Durchführung wird an vollständig geladenen Proben durchgeführt und simuliert die Auswirkungen eines Fahrzeugaufpralls auf die Integrität der Energiespeicherbaugruppe. Wie bei der Kurzschlussprüfung wird eine Funkenzündung verwendet, um das Vorhandensein von brennbaren Gaskonzentrationen im Inneren der Probe festzustellen, wobei es keine Anzeichen für eine Explosion oder einen Brand geben darf. Es wird kein giftiges Gas freigesetzt.

Quetschen von Batteriezellen (vertikal):
Durchführung an vollständig geladenen Prüflingen. Die bei der Quetschprüfung angewandte Kraft ist auf das 1000-fache des Batteriegewichts begrenzt. Wie bei der Quetschprüfung wird eine Funkenzündung verwendet, um das Vorhandensein brennbarer Gaskonzentrationen im Inneren des Prüflings festzustellen, und es dürfen keine Anzeichen einer Explosion oder eines Brandes auftreten. Es wird kein giftiges Gas freigesetzt.

Die Sicherheitskriterien für Traktionsbatterien von Elektrofahrzeugen (EV) werden unterschiedlich betrachtet und jeder OEM hat seinen eigenen, auf seine Fahrzeugplattform zugeschnittenen Ansatz. 

Zwei Ziele sind jedoch für alle Bemühungen von grundlegender Bedeutung:

• Die Ausfallrate von Zellen, die zu thermischem Durchgehen führen, muss extrem selten werden.
• Die Ausbreitung des thermischen Durchgehens von Zelle zu Zelle, die zu einem kaskadenartigen Ausfall eines Batteriemoduls oder -pakets führt, darf nicht zugelassen werden.

In der Vergangenheit wurde vielfach für eine höhere Batteriesicherheit eine geringere Leistung in Kauf genommen. Ziel der Industrie ist , eine hohe Batterieleistung bei gleichzeitiger Sicherheit zu erreichen. Die verschiedenen Batterie-Sicherheits Prüfnormen schützen Verbraucher und Hersteller davor das unsichere Produkte in Verkehr gebracht werden.

Messtechnik für HV-Batterie-Tests

Typischerweise werden bei Sicherheitstests an E-Fahrzeug- Batterien die Batteriezellenspannung und -temperaturen erfasst. Bei mechanischen Belastungstests kommen zudem häufig Wärmebild- oder Hochgeschwindigkeitskameras zum Einsatz, um den Grad der Zellreaktion zu beobachten. Unabhängig davon, welches Equipment eingesetzt wird - entscheidend ist vor allem die zeitsynchrone Speicherung der verschiedenen Messkanäle.

Da die Tests im HV-Bereich durchgeführt werden, ist die eingesetzte Messtechnik üblicherweise hochisoliert. Dies gewährleistet die Sicherheit des Personals und schützt die verwendete Messtechnik. Aktuelle Messsysteme sind für eine Spannung von bis zu 1500V ausgelegt. Vorteilhaft sind dabei kompakte, HV-sichere Messlösungen mit einer modularen Systemarchitektur, die verteilbar sind und sich auch in räumlich begrenzten Testumgebungen installieren lassen. Beim Erfassen von Temperaturen und Zellspannungen an Traktionsbatterien sind über 100 Messstellen keine Seltenheit, ein modulares Messsystem, das sich an unterschiedliche Tests anpassen und gegebenenfalls durch zusätzliche Module (und Kanäle) erweitern lässt, ist auch hier von Vorteil.

 Eine Messlösung, die von SK On, einem E-Fahrzeug-Batterie-Hersteller und Tochterunternehmen des koreanischen Unternehmens SK Innovation wird an verschiedenen Standorten weltweit eingesetzt und bringt die oben beschriebene Flexibilität in der Anwendung mit.

SKI führt verschiedene Prüfungen durch, bei denen die LiBs auf Zell-, Modul- oder Packebene verschiedenen Belastungen ausgesetzt sind. Dafür setzt das Unternehmen eine auf dem Messsystem imc CRONOSflex basierende Messlösung ein, die mit Messmodulen auf einem Spannungsniveau von bis zu 1000V ausgestattet ist. Diese erfassen die Spannung des Batteriemoduls sowie synchron Zellspannungen sowie Temperaturen (PT100/Thermoelemente) erfassen. Die Messlösung ist skalierbar und lässt sich in Bezug auf die Anzahl der Kanäle durch weitere Messmodule erweitern. Darüber hinaus bietet die integrierte Echtzeit-Datenverarbeitung sowie eine software-seitige Messsystem-Steuerung mit einem Post-Processing und automatisierten Reporting der Messdaten weitere Vorteile. Unterschiedliche Tests lassen sich hier in der Messsystem-Software vorgeben und so zeitsparend im Labor am Prüfstand durchführen.

Autor: Rolf Spellmeyer, Business Development Expert E-Mobility

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