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.

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. 

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.

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.

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.

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.