HERAUSFORDERUNGEN BEIM TESTEN VON ANTRIEBSBATTERIEN - Dr.-Ing. Benedikt Plaumann - Innotesting

HERAUSFORDERUNGEN
BEIM TESTEN VON
ANTRIEBSBATTERIEN

Dr.-Ing. Benedikt Plaumann

AGENDA

•   Vibration und Schock in der Elektromobilität
•   Anforderungen der Prüfmethoden / Normen
•   Herausforderung Brandrisiko
•   Überblick Lösungsansätze

                                               https://www.ntsb.gov/investigations/accidentreports/pages/hwy18fh014-preliminary.aspx

Ziele des Vortrages:
• Berührungsängste nehmen
• Austausch und Diskussion zu Lösungsansätzen

Anwendertag bei Paconsult in Berlin 16.06.20

                            Innotesting 2020                                               Folie 2

VIBRATION UND SCHOCK IN DER ELEKTROMOBILITÄT

   Wandel von Verbrennungsantrieben zur Elektromobilität
   Batteriespeicher bedürfen weiterhin intensiver Entwicklung
   Zur Untersuchung von Sicherheit und Performance gehören
    anspruchsvolle Tests
   Schnelle Markteinführung

Basisanforderungen
 Deutliche höhere bewegte Massen als bei bisherigen
   Komponententests
 Brandrisiko mit Batteriespeichern, insbesondere im
   Entwicklungsstadium

                          Innotesting 2020             Folie 3

ANFORDERUNGEN DER PRÜFMETHODEN / NORMEN

   Abhängig vom Nachweisziel zu
    unterscheiden
    •   Betrieb oder Transport?
    •   Zelle, Modul oder
        Gesamtbatterie?
   Transportbeispiel
    •   UN ECE 38.3 Lithium-Ionen-
        Batterien als Gefahrgut
   Traktionsbatterie
                                                                                                                                               NEU:
                                                                                                                                     ISO 6469-1:2019

    •   UN ECE R100 Zulassung als
        Traktionsbatterie
    •   ISO 6469-1

                                                     Recharge / The European Association for Advanced Rechargeable Batteries – Safety of lithium-ion batteries

                                  Innotesting 2020                                                           Folie 4

ANFORDERUNGEN DER PRÜFMETHODEN / NORMEN

Grobe Übersicht über Testanforderungen Lithium-Ionen-Batterien

         Norm                       Vibration                     Schock

      UN ECE 38.3           Sinus 3h je Achse           3 Schocks je Richtung
                            7-200Hz                     Halb-Sinus,
Für Transport von Zellen,   12kg: 50 – 16g / 11ms
                            > 90%SOC                    > 90%SOC
     UN ECE R100            Sinus 3h je Achse           Halb-Sinus / Trapez;
                            7-50Hz mit 10 – 2m/s²       100ms
 Für Traktionsbatterien                                 Spitze Z: 24g / X;Y: 11,5g
                            Bei 20+/- 10°C,             Bei 20+/- 10°C,
                            >50%SOC                     >50%SOC
    ISO 6469-1 :2019        Rauschen 12h je Achse       6 Schocks je Richtung
                            5 – 200 Hz                  Halbsinus, 6ms
 Für Traktionsbatterien     RMS Z;X;Y:                  Spitze Z;X;Y:
                            2,6m/s²; 2,3m/s²; 2,5m/s²   70m/s²; 50m/s²; 30m/s²
                            max SOC
                                 Innotesting 2020
                                                        max SOC       Folie 5

ANFORDERUNGEN DER PRÜFMETHODEN / NORMEN

   UN ECE 38.3 Transportprüfung

                cells & small batteries
                duration: 6ms                     large batteries
                                                  duration: 11ms

                                                                               UN ECE 38.3
                                                                           www.eveurope.eu
                                                                    www.teslamotorsclub.com

                               Innotesting 2020                 Folie 6

BETRACHTUNG MASSEN UND GEGENBEWEGUNG

Actio = Reactio
 Beispiel 80/160kN Shaker
          Schwingspule:           53kg
          Gleittisch 1x1m:        140kg
          DUT Batterie-Modul:     75kg
          Aufbau:                 50kg
   • Bewegte Massen m0 :           ca. 320kg
   • Masse Erreger mE :            ca. 2900kg
   Annahme: ideale Isolation
   • m 0 ⋅ a0 = m E ⋅ a E
   • m0 ⋅ x0 = mE ⋅ xE
   • Damit grob:          xE = 0,11 ⋅ x0

   Bei a0 = 50g, 11ms: v0 = 1,7m/s und x0 = 21mm Weg
   • Antwortbewegung Schwingungserreger:
       ca. a0 = 5g, v0 = 0,2m/s und x0 = 2mm
                                                       Folie 7

BETRACHTUNG MASSEN UND GEGENBEWEGUNG

Actio = Reactio
 Beispiel 140/280kN Shaker
          Schwingspule:            100kg
          Gleittisch 1,5x1,5m:     600kg
          DUT Traktionsbatterie:   650kg
          Aufbau:                  400kg
   • Bewegte Massen m0 :            ca. 1750kg
   • Masse Erreger mE :             ca. 4500kg
   Annahme: ideale Isolation
   • m 0 ⋅ a0 = m E ⋅ a E
   • m0 ⋅ x0 = mE ⋅ xE
   • Damit grob:          xE = 0,4 ⋅ x0

   Bei a0 = 16g, 11ms: v0 = 0,5m/s und x0 = 7mm Weg
   • Antwortbewegung Schwingungserreger:
       ca. a0 = 6,4g, v0 = 0,2m/s und x0 = 2,8mm
                                                      Folie 8

RISIKOBETRACHTUNG VIBRATION AND SCHOCK

Relevante Schadensfälle „Brand“
 Hauptschadensfall: Kurzschluss (intern oder extern) führt zu
    starker Erwärmung und Thermal Run-Away (fortschreitender
    Isolationsverlust innerhalb einer Zelle und zur nächsten)
 Mechanische Beschädigung mit Austritt von Elektrolyt

   Kein primärer Schaden aus Vibration&Schock-Umgebung:
    • Überladen (mit starker Erwärmung) und lokalem Isolationsverlust,
      Thermal Run-Away wie oben
    • Überhitzen allgemein durch innere und/oder externe Einflüsse

                                                           Folie 9

RISIKOBETRACHTUNG VIBRATION AND SCHOCK

Zelle (z.B. 0,1 - 0,5kWh)
       Viele Untersuchungen notwendig
       Hohe Unsicherheit, vergleichsweise hohe Schadenswahrscheinlichkeit                     www.teslamotorsclub.com

       Eher geringes Schadenspotential in Prüflabor
       Härteste Schärfegrade in Prüfspezifikationen
Batterie-Modul (z.B. 5kWh)
                                                                         system                           www.eveurope.eu

       Bereits hohes Schadenspotential (Folgebrände, Brandbekämpf.)
       Mittlere Schadenswahrscheinlichkeit
       Anspruchsvolle Schärfegrade in Prüfspezifikationen              module
Batterie-System, Antriebsbatterie etc. (z.B. 100kWh)
       Vergleichsweise seltene Gesamtsystemnachweise
       Höchstes Schadenspotential
       Geringste Schadenswahrscheinlichkeit,                              cell
        da gut erprobte Substrukturen
       Geringste Schärfegrade

                                            Zelle
               Schadenswahrscheinlichkeit

                                                                        Modul

                                                                           System

                                                                                    Folie 10
                                                    Schadenspotential

BTP1000       1/50 SCALE DOWN HOT PRETEST

   proof of concept erfolgreich
   nur erhitzte Zellen haben gezündet
   andere Zellen vom fortschr. Thermal Run-away geschützt

                                                     Folie 11

ÜBERBLICK HERAUSFORDERUNGEN UND LÖSUNGSANSÄTZE

                                                                                                                                         ignition
              Reagieren heißt: spät dran!
                                                                                                                                          chain
                                                                                                                                         reaction

              Brennstoff und Sauerstoff in Zelle                                                                               oxygen               fuel

                                                                                                                                 Siehe auch DIN EN ISO 19353:2019-06

              Initiale Wärme-Entwicklung
              Rauch, Reizgase, Wasserstoff

              Thermal Run-Away                                                                                        Abluft
               • Fortschritt von Zelle zu Zelle
               • Fortschreitende Zündenergie

                                                                                                                    Kühlung

                                                                                                 Innotesting 2020                 Folie 12
Recharge / The European Association for Advanced Rechargeable Batteries – Safety of lithium-ion batteries

BTP – BATTERY TESTING PACKAGE – PATENT PENDING
Abluft
                              Abnehmbare Schutzhaube
                                             Düsen und Kühlkreislauf

             Schraubbare Schutzwanne

                                            Kühlmittel-Aggregat mit
                                            Reservoir, Rückkühlung
                                            und Steuerung
                                                       Folie 13

BTP VARIANTEN

      BTP1000                    BTP1200                BTP2400
   1000x1000mm                1200x1200mm             2400x2400mm

• Kompromiss zwischen Massenzuwachs und Steifigkeit/Festigkeit
=> Weitere zusätzliche Massen, größerer Shaker, mehr Gegenbewegung

• Abwägen: Entfernbare Schutzwanne gegenüber Demontage auf Maschine
• In jedem Fall: Business Case mit Risiko rechnen

                                                         Folie 14

BTP ANALYSIS UND DEVELOPMENT

                               Folie 15

BTP1000 FIRST FULL SCALE HOT TEST

   proof of concept erfolgreich
   nur erhitzte Zellen haben entlüftet
   andere Zellen vom fortschr. Thermal Run-away geschützt

                                                    Folie 16

BTP1000 FIRST FULL SCALE HOT TEST

   proof of concept erfolgreich
   nur erhitzte Zellen haben entlüftet
   andere Zellen vom fortschr. Thermal Run-away geschützt

                                                    Folie 17

BTP - KLIMAÜBERLAGERUNG

   Aktuell in Entwicklung mit Fa. Weiss/Vötsch
   Mehrere Varianten sind möglich
   Ausprägung entsprechend
    • des Risikolevels
    • der Batteriegröße
    • den Räumlichkeiten

                                                  Folie 18

BTP – WAS PASSIERT NACH EINER HAVARIE?

   Drei Schritte:
    • Handling am Labor
    • Transport
    • Verwertung
   Kooperation mit professionellen Entsorgern sinnvoll
   Sicherheitsboxen für Lagerung und Transport
   nach einer Havarie oder als Stand-by Option?
   Zulassungen ADR nach UN Regularien und BAM

ZUSAMMENFASSUNG

   Risiko beherrschbar dank verschiedener Sicherheitssysteme,
    Untersuchungen und Schutzmaßnahmen

                                              Kong - Li-Ion Battery Fire Hazards and Safety Strategies

   Risikoabschätzung und Business Case notwendig

   Unterschiedliche Lösungen für verschiedene Anwendungen
                       Ganzheitlich denken!

                          Innotesting 2020                              Folie 20

KONTAKT

RMS Regelungs- und Messtechnik Dipl.-Ing. Schaefer GmbH & Co KG
Phone:         +49 (0) 40 727 603 – 0
E-Mail:        sales@rms-testsystems.de
Homepage:      rms-testsystems.de
Adresse:       Gutenbergstraße 27
               21465 Reinbek / Germany

                           Innotesting 2020              Folie 21