Ihre Batterie sendet ein Warnsignal – ist Ihr Sensorsystem schnell genug, um es zu empfangen?
BTR-Erkennung: Schließen der Frühwarnlücke bei Lithium-Ionen-Batterien
Bis ein Gassensor ein Entweichen von Gasen, ein Temperatursensor einen Temperaturanstieg oder eine ungewöhnliche Spannungsmessung feststellt, hat der thermische Durchgang einer Lithium-Ionen-Zelle oft bereits begonnen. Das ist kein Konstruktionsfehler der Sensoren, sondern eine physikalische Einschränkung ihrer Position und ihrer Messfunktion. Jeder einzelne Sensor überwacht ein Ausfallsymptom, das außerhalb der Zelle sichtbar wird, nachdem die elektrochemische Schädigung im Inneren bereits mehrere irreversible Stadien durchlaufen hat.
DEP veranstaltete kürzlich ein technisches Webinar mit dem Titel „Neue Maßstäbe in der Batteriesicherheit“. Darin erläuterten Ingenieure die Ursachen der bestehenden Erkennungslücke und wie der elektrochemische Batterie-Thermo-Runaway-Sensor (BTR) von DEP diese mit einer validierten 12-minütigen Frühwarnung schließt. Die Tests wurden in verschiedenen Missbrauchsszenarien und mit unterschiedlichen Batterietypen durchgeführt. Dieser Beitrag fasst die technischen Inhalte der Sitzung zusammen – die zugrunde liegende Chemie, die regulatorischen Rahmenbedingungen, die die Dringlichkeit bedingen, die Sensorarchitektur und die realen Testdaten – und gibt Ihnen einen Link zur vollständigen Aufzeichnung.
Die Herausforderung für die Branche: Warum „Erkennen nach dem Ereignis“ nicht mehr ausreicht
Die herkömmliche Batteriesicherheitsüberwachung basiert auf vier Sensormodalitäten, von denen jede einen strukturellen blinden Fleck aufweist:
- Gassensoren erkennen Verbrennungs- oder Zersetzungsprodukte erst, nachdem die Zelle entlüftet wurde – das heißt, der thermische Vorgang hat bereits begonnen.
- Die Temperatursensoren befinden sich außerhalb der Zelle und reagieren langsam, da die Innentemperaturen lange ansteigen, bevor die Wärme durch das Gehäuse zu einer externen Sonde geleitet wird.
- Die Spannungsüberwachung unterliegt Schwankungen während völlig normaler Lade-/Entladezyklen, was sie als Frühindikator unzuverlässig macht und zu Fehlalarmen führen kann.
- Drucksensoren weisen ein niedriges Signal-Rausch-Verhältnis auf und benötigen typischerweise komplexe, chemiespezifische Kalibriermatrizen – und sind zudem anfällig für falsch positive und falsch negative Ergebnisse.
Alle vier Methoden messen – per Definition – außerhalb der Zelle nachgelagerte Effekte. Genau das ist das Kernproblem: Sie sind darauf ausgelegt, ein bereits bestehendes Problem zu erfassen, nicht aber die chemischen Prozesse, die es auslösen werden.
Gleichzeitig steigen die regulatorischen Mindestanforderungen an die Vorwarnzeit von Batteriesystemen rasant an, und in einigen Märkten ist dies bereits gesetzlich vorgeschrieben:
Region | Verordnung | Kernanforderung | |
|---|---|---|---|
China | GB 38031-2025 | Die Batterien müssen nach dem Einsetzen des thermischen Durchgehens 2 Stunden ohne Brand oder Explosion überstehen (bisher waren es 5 Minuten), wobei die Außentemperaturen ≤ 60 °C betragen müssen. Zusätzlich muss ein 5-Minuten-Warnsystem vorhanden sein, das sicherstellt, dass keine giftigen Dämpfe in die Kabine gelangen. | |
Europa / Weltweit | UN ECE R100.05 | Innerhalb von 5 Minuten nach dem Ertönen des Warnsignals für die thermische Ausbreitung dürfen weder Feuer, Explosionen noch Rauch in den Fahrgastraum gelangen; das Batteriesystem muss die Ausbreitung für 2 Stunden nach einem thermischen Durchgehen einer einzelnen Zelle verhindern oder einen gleichwertigen, dokumentierten Sicherheitsnachweis erbringen. | |
Vereinigte Staaten | FMVSS Nr. 305a / 49 CFR 571.305a | Fahrzeuge müssen ab dem Auftreten eines thermischen Ereignisses im REESS-System (Batterie) eine dreiminütige akustische und optische Warnung ausgeben, die mindestens fünf Minuten anhalten muss. Verpflichtend ab dem 1. September 2027 (leichte Fahrzeuge) und ab dem 1. September 2028 (schwere Fahrzeuge). |
Zwei dieser drei Vorgaben sind bereits in Kraft. Die dritte hat zum Zeitpunkt der Veröffentlichung dieses Artikels eine feste Frist für die Einhaltung in weniger als vierzehn Monaten. Für jedes Team, das heute eine Sicherheitsarchitektur für Batterien entwickelt, ist die Strategie „Erkennung nach Beginn der Entlüftung“ nicht mehr zeitgemäß – sie ist überholt.
Thermisches Durchgehen verstehen: Was passiert tatsächlich im Inneren der Zelle?
Thermisches Durchgehen beginnt selten als einzelnes, dramatisches Ereignis. Typischerweise wird es durch Temperaturanstieg, physische Beschädigung, Überladung, Herstellungsfehler oder wiederholtes Tiefentladen ausgelöst, was zu einem internen Kurzschluss führen kann. Einmal initiiert, durchläuft es eine gut dokumentierte chemische Kaskade. Diese umfasst die Auflösung von Metallionen, die Zersetzung der SEI-Schicht, Lithium-Elektrolyt-Reaktionen, das Schmelzen des Separators, interne Kurzschlüsse, Sicherheitsentlüftung, die Zersetzung von Kathode und Elektrolyt und schließlich die Verbrennung des Elektrolyten.
Der Mechanismus hinter dieser Kaskade sieht auf chemischer Ebene ungefähr so aus:
- Formationsgase . Die Elektrolytreduktion an der Graphitanode erzeugt ein Gas, das hauptsächlich aus C₂H₄ besteht, mit geringen Mengen an H₂ und CO. Diese Gase nehmen ab, sobald sich die SEI-Schicht im Normalbetrieb stabilisiert hat.
- Bei der schnellen Ladung oder niedrigen Temperaturen kommt es zur Abscheidung und zum Dendritenwachstum . Das abgeschiedene Lithium reagiert mit dem Lösungsmittel und erzeugt H₂ und Alkane, während Dendriten in Richtung des Separators wachsen
- Bei steigender Temperaturzersetzen sich SEI und Lösungsmittel-Nebenprodukte in CO₂, CO und C₂H₄; das Elektrolytsalz (LiPF₆) beginnt sich zu zersetzen, wodurch HF und POF₃ in die Mischung gelangen, und die Reaktionen werden selbstbeschleunigend (exotherm).
- Durch einen Bruch des Separators und interne kurze Dendriten durchdringen den Separator physisch, was einen internen Kurzschluss und einen raschen Anstieg der Joule-Erwärmung sowie die Entstehung von Gasen verschiedener Spezies auslöst.
- Entlüftung und Durchgehen: Das Sicherheitsventil öffnet sich, verdampfter Elektrolyt wird ausgestoßen, und der von der Kathode freigesetzte Sauerstoff treibt die chemische Oxidation weiter an – wodurch die Zelle in ein vollständiges thermisches Durchgehen gerät.
- Temperaturabhängigkeit: Alle diese Reaktionsgeschwindigkeiten steigen mit der Temperatur stark an, und das Risiko erhöht sich erheblich, sobald die Innentemperatur einer Zelle etwa 100 °C übersteigt, wobei der genaue Schwellenwert von der Zellchemie und dem Zelldesign abhängt.
Die entscheidende Erkenntnis für die Sensorentwicklung ist, an welcher Stelle dieser Kaskade ein Signal tatsächlich erfasst werden kann. Die frühen Stadien – die SEI-Zersetzung und die damit verbundene Oberflächenchemie – finden statt, solange ein thermisches Durchgehen noch vermeidbar ist. Sobald jedoch Gasaustritt, ein Ausfall des Separators oder ein messbarer Temperaturanstieg auftreten, hat die Zelle bereits den Abschnitt der Kaskade erreicht, in dem ein thermisches Durchgehen nicht mehr gestoppt, sondern nur noch eingedämmt werden kann.
Vorstellung des elektrochemischen BTR-Sensors von DEP
Der Battery Thermal Runaway (BTR)-Sensor von DEP wurde speziell dafür entwickelt, die Chemie in diesem früheren, vermeidbaren Stadium zu messen – indem er sich im Inneren der Zelle befindet und nicht von außen überwacht wird.
Wie unterscheidet es sich von herkömmlichen Sensoren, direkt
Fähigkeit | DEP BTR Sensor | Konventionelle Sensoren | |
|---|---|---|---|
Sensorposition | In die Zelle gelegt | Außerhalb der Zelle platziert | |
Was es erkennt | Elektrochemische Veränderungen – reaktive Vorläuferspezies aus der Elektrolytfragmentierung, Oberflächenschichtzersetzung und Freisetzung von Metallspezies | Nachgelagerte physikalische Effekte (Wärme, Gas, Druck, Spannungsschwankungen) | |
Erkennt vor dem Austritt von Gas | Ja | NEIN | |
Chemie-agnostisch | Ja | Nein – in der Regel sind chemiespezifische Kalibrierungsmatrizen erforderlich | |
Falsch-Positiv-/Falsch-Negativ-Rate | Hohe Genauigkeit, keine gemeldeten falsch positiven oder falsch negativen Ergebnisse bei den Validierungstests des DEP | Anfällig für falsch positive und falsch negative Ergebnisse | |
Abhängigkeit von der Belüftung oder thermischen Verzögerung | Von beidem nicht abhängig | Abhängig von einem oder beiden | |
Skalierbarkeit | Zellen-, Modul- oder Packungsebene | Teilweise – typischerweise nur auf Paket- oder Modulebene |
Der Sensor ist so konzipiert, dass er sich flexibel in seiner Bauform gestalten lässt – von der Größe einer 10-Cent-Münze bis hin zur Kombination mit einer externen Signalaufbereitungseinheit oder als integrierte Einheit. Je nach Anwendung und der vom Kunden gewünschten Sicherheitsarchitektur kann er am Lüftungsschlitz, in Kanälen, innerhalb eines Moduls oder in jeder einzelnen Zelle integriert werden. In den Validierungstests von DEP wurde der Sensor an prismatischen Zellen demonstriert und über eine Signalaufbereitungseinheit mit dem Batteriemanagementsystem (BMS) verbunden. Zusätzlich bietet er die Möglichkeit, Flammenzündpunkte zu visualisieren und die Wärmeausbreitung innerhalb eines Akkupacks in Abhängigkeit von Zeit und Ort abzubilden. Dies ist sowohl für die Sicherheitsvalidierung auf Prototypenebene als auch für die Produktionsüberwachung nützlich.
Validierte Testleistung: Reale Zellen, reale Missbrauchsbedingungen
Der technische Kern des Webinars bestand aus einer detaillierten Darstellung von vier validierten Testszenarien, die mit realen prismatischen NMC- und LMO-Zellen und nicht mit simulierten Daten durchgeführt wurden:
Test 1 – Überladung (50-Ah-NMC-Zelle, 4,2 V, überladen mit 1C): 14 Minuten nach Beginn der Überladung setzte ein thermisches Durchgehen ein. Der Sensor detektierte die Bildung von Vorläuferstoffen des thermischen Durchgehens 12 Minuten vor dessen Auftreten – die Zelle begann etwa 9 Minuten nach der ersten Detektion durch den Sensor zu entlüften.
Test 2 - Externe Heizung (50Ah NMC-Zelle, 4,2V, 300W Heizelement): 7 Minuten nach Heizbeginn setzte ein thermisches Durchgehen ein, und der Sensor erkannte die Bildung von Vorläuferstoffen 6 Minuten vor dem Durchgehen.
Test 3 - Wärmeableitung über einen Zellenpack (25Ah LMO-Zellen, 4,2 V, 300-W-Heizung an einer von drei benachbarten Zellen): Der Sensor erkannte Vorläufer des thermischen Durchgehens nach 7 Minuten in der direkt beheizten Zelle, nach 11 Minuten in der benachbarten Zelle und nach 15 Minuten in der am weitesten entfernten Zelle – er erfasste also korrekt das Vorläufersignal, das durch die von der benachbarten Zelle übertragene Temperaturerhöhung und nicht nur durch die direkte Erwärmung erzeugt wurde.
Test 4 - Wiederholbarkeit (25Ah NMC-Zelle, 4,2 V, überladen mit 0,5C über drei separate Zyklen): Der Sensor erkannte zuverlässig Vorboten eines thermischen Durchgehens bei jedem der drei Überladungsereignisse (etwa 40, 70 und 105 Minuten nach Testbeginn) und erfasste die stärkste Zellverschlechterung 9,5 Minuten vor dem thermischen Durchgehen im letzten Zyklus – was beweist, dass die Erkennung kein einmaliges Ereignis ist, sondern auch wiederholter Überbeanspruchung standhält.
Zusammengenommen deuten die vier Tests auf ein konsistentes Muster hin: Die Erkennungsvorlaufzeit variiert etwas mit dem Missbrauchsmodus (Überladungsbedingungen führten in diesen Tests zu längeren Vorlaufzeiten als direktes Erhitzen), aber der Sensor registrierte stets ein Signal während der chemisch vermeidbaren Phase der unkontrollierten Kaskade – lange vor der Entlüftung und über zwei verschiedene Kathodenchemikalien hinweg.
Warum das für Entwicklungsteams jetzt wichtig ist
Die technischen Aspekte werden zusammengeführt, und der BTR-Sensor von DEP bietet Ingenieurteams einige konkrete Vorteile, die es wert sind, mit einem aktuellen Sensorsystem verglichen zu werden:
- Es ist chemieunabhängig. Das gleiche zugrundeliegende Detektionsprinzip (reaktive Vorläuferspezies aus der Elektrolytzersetzung) gilt für NMC, LMO und andere Lithium-Ionen-Chemien, sodass keine separate Kalibrierungsmatrix pro Zelltyp erforderlich ist.
- Es erkennt Fehler früher in der Fehlerkaskade als Temperatur-, Druck- oder Gassensoren, weil es die Elektrochemie direkt misst, anstatt auf einen nachfolgenden physikalischen Effekt zu warten.
- Es ist hinsichtlich Größe und Platzierung konfigurierbar, von einem münzgroßen Sensor in der Zelle bis hin zu einer an Lüftungsöffnungen oder Kanälen montierten Ausführung – sodass es je nach der bereits vorhandenen Sicherheitsarchitektur auf Zellen-, Modul- oder Packungsebene integriert werden kann.
- Es verfügt über einen definierten Integrationszeitplan: Rund 16 Wochen von der ersten Anforderungserhebung über Sensor- und Leiterplattendesign, Fertigung, Integrationstests bis hin zur Auslieferung – ein abgegrenztes, planbares Entwicklungsprogramm und keine ergebnisoffene Forschungs- und Entwicklungsübung.
Für Teams, die sich bereits mit GB 38031-2025, UN ECE R100.05 oder den kommenden FMVSS 305a-Konformitätsfristen auseinandersetzen müssen, ist ein früheres und chemisch konsistenteres Detektionssignal direkt relevant dafür, wie viel Zeit tatsächlich zur Verfügung steht, um eine Warnung auszulösen, Gegenmaßnahmen einzuleiten oder die Insassen zu schützen – genau das ist die Messgröße, um die sich alle drei Vorschriften jetzt drehen.
Wenn Ihr Team aktiv an der Entwicklung von Sicherheitsarchitekturen für Batterien, der Vermeidung von thermischem Durchgehen oder der Einhaltung anstehender regulatorischer Vorgaben arbeitet – sei es für Elektrofahrzeuge, Energiespeicher, Luft- und Raumfahrt, Verteidigung oder industrielle Anwendungen – bietet DEP auch maßgeschneiderte technische Schulungen an, in denen erläutert wird, wie die BTR-Sensorik in Ihr spezifisches Programm integriert werden kann. Kontaktieren Sie uns hier: https://depusa.com/contact
Sehen Sie sich das vollständige Webinar auf Abruf an
In der Live-Session, die von Herrn Youssef Mansour, dem Projektleiter des DEP für die Erkennung des thermischen Durchgehens von Batterien, geleitet wurde, wurden diese Themen eingehend behandelt. Anschließend gab es eine Live-Fragerunde zu Integration, Batteriechemie und regulatorischen Aspekten.
Sehen Sie sich das Video hier an:
https://youtu.be/4Rb52JvzIek?si=xVe3twRjXACJyMVK
Die zweite exklusive Webinar-Aufzeichnung ist auf dem offiziellen YouTube-Kanal von DEP verfügbar:
https://www.youtube.com/@DetroitEngineeredProductsUSA
