Thermal Runaway bei Batterien

Unter Thermal Runaway versteht man das thermische Durchgehen eines Systems, also die unvermittelte Freisetzung der Energie eines Systems in Form von Wärme. Es tritt auf, wenn mehr Wärme entsteht, als abgeführt bzw. gekühlt werden kann.

Bei der Kernschmelze eines Reaktors oder dem Durchgehen eines Batteriepacks, ist dieser Mechanismus des Thermal Runaways am Werk.

Man kann sich das wie eine Kiste mit Feuerwerkskörpern vorstellen. Ein Funke fällt hinein und ein Feuerwerkskörper explodiert.  Die Explosion des einen Feuerwerkskörper setzt weitere in Brand. Jetzt brennt nicht nur die eine Kiste, sondern auch die Nachbarkisten und das Inferno nimmt seinen Lauf.

Wie sieht das nun konkret bei Batterien oder Akkus für E-Fahrzeuge aus?

Es können einzelne Zellen defekt sein und lokal überhitzen, es kann aber auch aufgrund der Deformation der Batterie oder von Zellen bei einem Unfall lokal zu einem Kurzschluss und infolgedessen zur Kettenreaktion kommen.

Wie bei den Feuerwerkskörpern gilt, je mehr Kapazität, desto mehr Energie wird frei. Hier spielen die Chemie und die Aufladung, also die aktuell eingelagerte Kapazität eine wichtige Rolle.

Ausgiebige Tests auf Prüfständen scheitern oder verzögern sich, aufgrund sehr langen Vorlaufzeiten, da die Prüfkapazitäten aktuell noch zu gering sind.

Auch gibt der Versuch zwar Aufschluss darüber, was passiert, weniger aber, was zur Vermeidung oder zur Optimierung getan werden kann.

Wie kann die Simulation hier unterstützen?

Sie macht Dinge sichtbar, die sonst im Verborgenen bleiben.

Eine einfache Überlegung hilft. In einer Batteriezelle steckt eine gewisse Menge an gespeicherter Energie. Wird diese z.B. durch einen Kurzschluss freigesetzt, kommt es zum Thermal Runaway, wenn das Kühlsystem die dabei auftretende Wärme nicht ausreichend ableiten kann, Nachbarzellen eine Grenztemperatur überschreiten, der Stromwiderstand steigt und die Kühlung auch hier versagt, oder wenn Nachbarzellen durch explodierende Zellen ebenfalls kurzgeschlossen werden.

Die Physik dazu kann mit Simulationsmodellen unterschiedlichster Komplexität beschrieben werden.

Am wichtigsten ist dabei, dass das Kühlkonzept an allen Zellen hinreichend gut funktioniert. Es gibt immer Nester, die nicht ganz so gut gekühlt werden und daher besonders anfällig sind.

Die Simulation gibt dazu einen Einblick, aber auch die Gefährdung der Nachbarzellen durch explodierende Zellen kann abgebildet werden. Von einem einfachen Zellaufbau (Karton, in dem ein Gasvolumen entsteht) bis zu einer detaillierten Nachbildung der Zellen.

Die Untersuchung von Crashszenarien bei einem Unfall hilft, eine Beschädigung der Zellen durch entsprechende Auslegung des Akkugehäuses zu vermeiden. Das einfachste sind hier statische Drücktests bis hin zur Betrachtung des ganzen Fahrzeugs im Crashfall.

Die Sicherheit von Akkus bei E-Fahrzeugen lässt sich durch richtige Konstruktion und die Verwendung geeigneter Werkstoffe somit deutlich erhöhen. Die Simulation zeigt, wie.

Wir bei Merkle & Partner unterstützen Sie sichere Kühlungskonzepte zu entwickeln, kritische Bereiche zu identifizieren und zu optimieren.

Gerne beraten wir Sie unverbindlich, wie wir auch Ihnen helfen können, für mehr Sicherheit bei E-Fahrzeugen zu sorgen.

Wenden Sie sich an Maik Brehm oder Chadi Serhan mit dem Stichwort „Thermal Runaway“.

Ihr Stefan Merkle