Kann man einer Hochspannungs-Lithiumbatterie vertrauen? Alle Elemente, die ihre Sicherheit gewährleisten
12 September 2024
Die Umstellung der Industriefahrzeuge auf Strom ist bereits seit einiger Zeit im Gange und führt zu einer Zunahme nicht nur der Menge an elektrifizierten Anwendungen, sondern auch deren Größe und Leistung.
In der Tat entscheiden sich aufgrund der zahlreichen Vorteile der Elektrifizierung mit Lithium bezüglich der langfristigen Total Cost of Ownership, d. h. der Gesamtbetriebskosten, der Nachhaltigkeit und der Einsatzflexibilität immer mehr Hersteller für eine Technologieumstellung.
Die aktuellen technologischen Entwicklungen und die großen Fortschritte in diesem Sektor haben zur Folge, dass die Elektrifizierung mit Lithium auch für Segmente mit einem höheren Leistungsbedarf als eine praktikable Option zur Steigerung der Nachhaltigkeit und Effizienz ihrer Fahrzeuge in Betracht gezogen werden kann.
Die Antwort auf diese Bedürfnisse sind Hochspannungsbatterien, auch Hochvoltbatterien genannt, die leistungsintensive Anwendungen unterstützen können und eine Schlüsselrolle in der elektrischen Revolution in diesen Anwendungsbereichen einnehmen.
Was ist eine Hochspannungsbatterie? Anwendungsbereiche, Vorteile und Bedenken
Vor der Analyse ihrer Funktionsweise und ihres Potenzials muss zunächst geklärt werden, was genau eine Hochspannungsbatterie ist und über welche wichtigen Merkmale sie verfügt.
In der Industrie werden Batterien bis zu einer Nennspannung von 102,4 V gemeinhin als Niederspannungsbatterien definiert, obwohl in den Normen und Richtlinien diese Kategorie offiziell auf maximal 60 V begrenzt ist. Hochspannungsbatterien beginnen dagegen mit 300 V und erreichen mehr als 800 V.
Wann werden Hochspannungsbatterien eingesetzt?
Die Kosten einer Niederspannungslösung sind niedriger als die einer Hochspannungslösung, da sie aus handelsüblichen Komponenten besteht, die in der Industrie leichter verfügbar sind, und keine speziellen Hochspannungskomponenten erfordert, z. B. Anschlüsse und Vorrichtungen, für die zur Erhöhung des Sicherheitsgrades mehr Kosten anfallen.
Wenn die Anforderung an die Leistung steigt, ist eine Versorgung mit Niederspannung jedoch keine Option. Die Wahl der Spannung wird häufig durch die Leistung des Elektromotors bestimmt: Im industriellen Bereich benötigen Motoren mit einer Leistung von mehr als 20/30 kW eine höhere Spannung, damit sie kompakt und effizient bleiben können.
Noch immer stehen viele OEMs der Einführung von Hochspannungslösungen skeptisch gegenüber, vor allem aufgrund von Sicherheitsbedenken und aus Angst vor den potenziellen Risiken im Zusammenhang mit Hochspannung.
Hochspannungsbatterien: eine Lösung, die auf die Bedürfnisse von Hochleistungsanwendungen zugeschnitten ist
Um den Anforderungen von Fahrzeugen mit leistungsstarken Motoren, die folglich eine hohe Leistung und eine lange Autonomie (z. B. im Schwerlastbereich) erfordern, gerecht zu werden, sind Hochspannungsbatterien unerlässlich.
Ein typisches Beispiel hierfür ist die Flash Battery 396,8 V – 420 Ah 166,6 kWh. Es handelt sich um ein maßgeschneidertes Hochspannungsbatteriepaket, das wir für einen Raupenkran mit Hybridantrieb entwickelt haben.
Das Projekt war mit umfangreichen Untersuchungen auf Ebene der Mechanik verbunden, denn es musste herausgefunden werden, wo die Batterie im Fahrzeug am besten untergebracht wird. In Anbetracht des hohen Strombedarfs wurde eine Struktur aus vier in Reihe geschalteten Einheiten entworfen, die in zwei separaten Fächern des Rahmens untergebracht sind. Darüber hinaus ist die Batterie mit speziellen Systemen zur Kontrolle der Isolation und einer HVIL ausgestattet und erfüllt somit die strengen Sicherheitsstandards, die für Hochspannungsanwendungen erforderlich sind.
Und das ist noch nicht alles! Hochspannungsbatterien gehören zu den wichtigsten Elementen von Elektrofahrzeugen und bieten mehrere Vorteile: hohe Leistung, lange Autonomie und schnelles Aufladen. Während die Nennspannung der Lithiumbatterie eines Elektroautos in den meisten Fällen 400 V beträgt (z. B. Tesla Model S), gibt es bereits Autohersteller, die beschlossen haben, auf Batterien mit einem 800-V-System umzusteigen (z. B. Porsche Taycan).
Vorteile in Bezug auf die Effizienz, aber Zweifel an der Sicherheit
Wie immer im Leben müssen wir jedoch auch die Kehrseite der Medaille betrachten: Hochspannungs-Lithiumbatterien können ebenso leistungsfähig wie gefährlich sein, wenn sie nicht richtig konzipiert sind.
Die hohen Spannungen, die eine Hochspannungsbatterie benötigt, machen strenge Sicherheitsmaßnahmen und -protokolle erforderlich, um die Zuverlässigkeit des Systems und die Sicherheit der Mitarbeiter zu gewährleisten.
Deshalb ist es wichtig, sich auf einen erfahrenen Lithiumbatterien-Anbieter zu verlassen: Es ist der Hersteller, der strenge Gestaltungs- und Produktionsstandards, einhalten und moderne Technologien und genaue Prüfverfahren einsetzen muss, um sicherzustellen, dass die Batterie in allen Betriebssituationen sicher und zuverlässig funktioniert.
Sicherheit und die Rolle des Herstellers: der Ansatz von Flash-Battery
Bereits bei der Gründung von Flash Battery im Jahr 2012 haben wir uns für die Entwicklung eines Beratungs- und Gesprächsansatzes entschieden, der es uns ermöglicht, im Dialog mit dem Kunden genau zu definieren, welche Eigenschaften die Batterie haben soll und welche Anforderungen sie erfüllen muss.
Dieser Ansatz hat es uns ermöglicht, Hunderte von vollständig maßgeschneiderten Batteriemodellen herzustellen, die mit einem Effizienz- und Sicherheitskonzept entwickelt wurden, das auf die Arbeitsanforderungen der einzelnen Anwendungen abgestimmt ist.
Safety first: Die Schlüsselwörter für eine sichere Lithium-Batterie
Es gibt drei grundlegende Aspekte, an denen wir jeden Tag arbeiten, um die vollständige Sicherheit unserer Batterien beginnend mit der Entwurfsphase zu gewährleisten: die Chemie, eine intelligente Montage und die Entwicklung moderner proprietärer Steuerelektronik.
Die Chemie, d. h. LFP (Lithium-Eisen-Phosphat), hat sich als am besten geeignet für die spezifischen Anforderungen der Industrie erwiesen, nicht nur in Bezug auf die Effizienz, sondern auch auf die Sicherheit. Sie garantiert nicht nur eine lange Lebensdauer der Fahrzeuge mit über 4.000 Ladezyklen, sondern ist auch die sicherste und stabilste Lösung, die auf dem Markt erhältlich ist.
Nach der Chemie ist die Montage der Zellen das zweite Element, das über die Sicherheit der Lithium-Batterie entscheidet. Insbesondere die Kapazität und damit die Anzahl der parallel im Batteriepaket geschalteten Zellen sind entscheidend.
Die Verwendung von Zellen kleiner Abmessungen erfordert viele Parallelschaltungen (Anschlüsse), um die gewünschte Kapazität zu erreichen, was wiederum das Risiko von Kurzschlüssen stark erhöht. Um dieses Risiko zu vermeiden, werden die Batterien von Flash-Battery mit bis zu vier parallel geschalteten Zellen hergestellt, eine Lösung, die sich nach Tests und Studien unserer F&E-Abteilung als die beste erwiesen hat, um in allen Situationen maximale Sicherheit zu gewährleisten.
Diese Maßnahmen wären ohne eine intelligente Steuerelektronik jedoch nicht ausreichend. Nur wenn dieser Aspekt sorgfältig berücksichtigt wird, ist eine zuverlässige und sichere Lithiumbatterie möglich.
Das firmeneigene Batteriemanagementsystem von Flash Battery, das Flash Balancing System ist heute patentgeschützt und bietet mehr als den Ausgleich der Zellen. Es kann jedes einzelne Akkupaket vollständig und konstant kontrollieren und gewährleistet so eine lang anhaltende stabile Leistung.
HVIL (High voltage interlock)
Das High Voltage Interlock System (auch HVIL genannt) überwacht mithilfe einer Niederspannungs-Gleichstromschleife den einwandfreien Anschluss aller Hochspannungskomponenten im Fahrzeug.
Wenn das HVIL-Signal aus irgendeinem Grund unterbrochen wird, wird die Hochspannungsversorgung durch Abschalten der Stromabgabe unterbrochen, um die Sicherheit der Benutzer zu gewährleisten.
MSD (Mechanical safety disconnect)
Der mechanische Sicherheitstrennschalter (MSD) ist eine Sicherheitsvorrichtung, mit deren Hilfe in Hochspannungsbatteriesystemen der Stromkreis physisch unterbrochen wird. Der MSD wird in der Regel von Hand ausgelöst, um die Sicherheit der Bediener und Techniker bei der Wartung oder in Notfallsituationen zu gewährleisten.
Sicherungen
Sicherungen sind zwar die einfachsten und kostengünstigsten Vorrichtungen zum Unterbrechen des Stromflusses, sie können das System jedoch wirksam vor Überlastungen durch Kurzschlüsse schützen.
Das Funktionsprinzip einer Sicherung ist sehr einfach: Sie besteht aus einem Glas-, Keramik- oder Kunststoffbehälter, in dem sich ein leitendes Element befindet (das mit Sand bedeckt ist, um die Entstehung eines Lichtbogens zu verhindern). Dieses leitende Element erwärmt sich, wenn Strom durch es fließt, und schmilzt aufgrund des Joule-Effekts, wenn es eine bestimmte Temperatur überschreitet, wodurch der Stromfluss unterbrochen wird.
Eigene Platine für die Kontrolle der Isolation
Die Hauptfunktion dieses Elements ist die ständige Überwachung des Isolationswiderstands zwischen den Hochspannungskomponenten der Batterie und dem Fahrzeugrahmen. Diese Überwachung trägt dazu bei, die Sicherheit der Bediener zu gewährleisten und Kurzschlüsse oder andere elektrische Störungen zu verhindern.
Steckverbinder
Die Steckverbinder einer Hochspannungsbatterie unterscheiden sich von den herkömmlichen Steckverbindern einer Niederspannungsbatterie: Sie müssen größere Isolationsabstände aufweisen, sie dürfen nicht direkt mit den Fingern berührt werden können und sie müssen über Kontakte für den HVIL-Stromkreis verfügen, damit der fehlerfreie Anschluss überprüft werden kann.
Schaltschütze
Ein Schütz ist eine elektromechanische Sicherheitseinrichtung. In geschlossenem Zustand fließt der Strom zwischen der Batterie und dem Abnehmer (wie bei einem Elektromotor). In Notsituationen oder bei Störungen wie einer Überlast, einem Kurzschluss, einer Überhitzung oder anderen Ereignissen kann sich das Schütz öffnen, um den Stromkreis zu unterbrechen und Schäden an der Batterie oder den Systemkomponenten zu verhindern.
Schütze sind unerlässlich, um den Stromkreis auch dann zu unterbrechen, wenn das Fahrzeug ausgeschaltet ist, wodurch die Risiken nach der Batterie gemindert werden. Zudem wird zur Erhöhung der Sicherheit in der Regel mehr als ein Schütz verwendet, z. B. eines am Pluspol und eines am Minuspol, um sicherzustellen, dass im Bedarfsfall mindestens eines auslöst.
Battery Management System: Wenn Elektronik den Unterschied macht
Eines ist klar: Eine intelligente Steuerelektronik spielt eine entscheidende Rolle, wenn es um die Sicherheit Ihres Systems geht. Vor allem ist es ein Element, das in gefährlichen Situationen wirklich den Unterschied macht: das Battery Management System, bzw. die Steuersoftware der Batterie.
Wir können das BMS als das Gehirn der Batterie bezeichnen, das ständig die Spannung und die Temperatur jeder Zelle überwacht und sicherstellt, dass keine der Zellen die sicheren Grenzen überschreitet.
Wenn eine Zelle eine kritische Spannung oder Temperatur erreicht, greift das BMS ein, um die Zellen auszugleichen oder den Lade-/Entladevorgang zu unterbrechen, wobei es direkt mit dem Fahrzeug und dem Ladegerät kommuniziert. Ebenso kann das BMS im Falle einer Überhitzung die Leistung reduzieren oder das System abschalten, um Schäden oder Brände zu verhindern, es öffnet dann das Schütz und unterbricht so den Stromfluss.
Die verschiedenen BMS sind jedoch nicht alle gleich und vor allem nicht gleichwertig
Flash Battery ist seit jeher der Überzeugung, dass man sich auf die Elektronik konzentrieren muss, um im Bereich der industriellen Anwendung von Lithiumbatterien wirklich etwas bewegen zu können. Bereits 2009 erkannten die Freunde und Gründungspartner Marco Righi und Alan Pastorelli, heute CEO bzw. CTO des Unternehmens, dass für die Entwicklung eines wirklich innovativen Produkts ein hochmodernes Batteriemanagementsystem (BMS) unerlässlich ist.So begannen sie gemeinsam, ihr eigenes Lithium-Batterie-Management-System zu entwickeln.
Flash Battery führte 2012 sein firmeneigenes, leistungsstarkes (20 A), aktives und passives Ausgleichssystem für Zellenpakete Flash Balancing System ein und eroberte sich einen herausragenden Platz in dem sich entwickelnden Markt der Lithiumbatterien für Industrieanwendungen.
„Zu Beginn der Geschäftstätigkeit haben wir uns hauptsächlich auf die Herstellung von Elektronik konzentriert, um die bereits bei unseren Kunden vorhandenen Batterien sicherer und leistungsfähiger zu machen. Wir haben jedoch bald erkannt, dass der wirkliche Mehrwert in der Entwicklung kompletter Batteriepakete liegt, die dank des Flash Balancing Systems nicht nur zuverlässig, sondern auch intelligent und sicher sind und eine längere Lebensdauer als das Fahrzeug bieten, in das sie eingebaut werden. Das italienische Patent für industrielle Innovation, das unserem BMS im Jahr 2022 erteilt wurde, setzte unseren mehr als 10 Jahren kontinuierlicher Bemühungen, die industrielle Elektrifizierung für eine wachsende Zahl von Anwendungen effizienter und sicherer zu machen, die Krone auf.“
Vorausschauende Wartung: Dank der Fernüberwachung können Störungen im Voraus gesehen werden
Aber das ist noch nicht alles! Stellen Sie sich die Vorteile vor, wenn Sie ein Sicherheitsproblem vorhersehen können, noch bevor es auftritt. Wenn ein BMS sorgfältig konzipiert wurde, kann es die Stabilität der Leistung über die Zeit gewährleisten, Störungen vorbeugen und eine eigenständige Fehlersuche und vorausschauende Wartung durchführen: das Batteriepaket wird folglich in jeder Hinsicht umfassend kontrolliert.
Dank Flash Data Center, unserem cloudbasierten Fernüberwachungssystem, das künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen nutzt, müssen Sie nicht warten, um eine Störung zu bemerken, wenn es dann bereits zu spät ist.
Unsere KI-Technologie sammelt und analysiert in Echtzeit die Betriebsdaten aller Flash-Batterien weltweit und kann ein potenziell abnormales Verhalten proaktiv erkennen und direkt an unsere After-Sales-Abteilung melden, die dann zeitnah eingreifen kann. Auf dieses Weise kann der Hersteller kostspielige Ausfallzeiten und die weitaus schwerwiegenderen Sicherheitsprobleme an den Fahrzeugen vermeiden.
