Eine Antwort zu “Jo mei, Elektro-Busse lieben das Feuerwerk.”
Im nachfolgenden Link wird gut erklärt, warum der geringe Innenwiederdstand von Lithium-Ionen-Akkus, binnen weniger Millisekunden zu dessen Zerstörung führen kann ( = Brand , vor allem beim Aufladen )
Leistungsstarke Lithium-Ionen-Akkus haben einen sehr geringen Innenwiderstand, der bei externen Kurzschlüssen in sehr kurzer Zeit zu sehr hohen Kurzschlussströmen führt. Mit den heute bekannten DC-Schalt- und Schutzeinrichtungen kann dieser Fehlerfall nur unzureichend beherrscht werden. Mit einer relativ einfachen elektronischen Schaltung lässt sich dieses Problem aber lösen.
Das Verfahren kombiniert das schnelle Schaltvermögen leistungselektronischer Bauelemente mit der hohen Stromtragfähigkeit von Leistungswiderständen. Die vorgestellte Lösung lässt sich überall dort vorteilhaft einsetzen, wo eine selektive Kurzschlussklärung durch einen definierten Überstrom erforderlich ist und/oder der Einschaltstrom beim Zuschalten von Batterie oder Verbraucher begrenzt werden muss. Eine solche Schutzeinrichtung schließt auch eine heute noch bestehende Sicherheitslücke in Batteriemanagementsystemen für Lithium-Ionen-Akkus großer Leistung.
Lithium-Ionen-Akkus
Die Speicherung elektrischer Energie – insbesondere in Elektrofahrzeugen – erfordert im besonderen Maß Akkus, die eine hohe Energiedichte und eine geringe Selbstentladung aufweisen. Beim heutigen Stand der Technik entsprechen vor allem Lithium-Ionen-Akkus diesen Anforderungen. Daneben befinden sich noch zahlreiche weitere Batterietechnologien mit noch größerer Energiedichte in Frühstadien der Entwicklung, wie z.B. Lithium-Schwefel-Akkus und Lithium-Luft-Akkus [1], [2].
Allen diesen neuen Batterietechnologien ist gemeinsam, dass sie im Interesse einer hohen Effizienz, d.h. eines hohen Wirkungsgrads, einen sehr kleinen Innenwiderstand haben. Im Fehlerfall, insbesondere bei Kurzschlüssen, führt dies aber zu extrem hohen Kurzschlussströmen. Die Problematik nimmt dabei mit der Größe der Batterieanlage, d.h. der gespeicherten Energie und der Spannung zu.
Batterieanlagen hoher Leistung
Ab einer Verbraucherleistung von ca. 1 kW ist eine Batteriespannung größer 100 V(DC) von Vorteil, damit die Ströme in einem moderaten Bereich bleiben. Eine sinnvolle Obergrenze dürfte zur Zeit für viele Anwendungen bei ca. 1.000 V liegen. Für die an der DC-Spannung betriebenen Stromrichter lassen sich dann herkömmliche leistungselektronische Bauelemente (z.B. IGBTs) mit einer Sperrspannungsfestigkeit von 1.700 V verwenden.
Die Nennspannung einer einzelnen Lithium-Ionen-Zelle liegt gewöhnlich im Bereich von 3,6 V bis 3,7 V. Um den genannten Spannungsbereich von 100 bis 1.000 V zu erreichen, ist somit die Reihenschaltung einer Vielzahl von Zellen erforderlich. Diese erfolgt zweckmäßigerweise gestaffelt, d.h. zunächst wird eine definierte Anzahl von Zellen zu einem Batteriemodul zusammengefasst. Aus der Reihenschaltung von Modulen wird dann ein kompletter Batteriestrang gebildet. Bei Verwendung entsprechend leistungsstarker Einzelzellen können durch die Parallelschaltung von Batteriesträngen auf diese Weise schon heute Fahrzeug-Batterieanlagen im MWh-Bereich aufgebaut und betrieben werden; siehe z.B. [3].
Sicherer elektrischer Betrieb von großen Lithium-Ionen-Akkus
Für den sicheren Betrieb eines Lithium-Ionen-Akkus ist ein „Batteriemanagementsystem“ (BMS) unbedingt erforderlich. Das BMS überwacht den Zustand jeder einzelnen Zelle zumindest bezüglich Spannung und Temperatur und steuert auch die Ausgleichsströme, die dafür sorgen, dass alle in Reihe geschalteten Batteriezellen eine möglichst gleiche Spannung aufweisen. Höher entwickelte Systeme ermöglichen darüber hinaus auch die stetige Bestimmung des Ladezustands der einzelnen Zellen durch permanente Analyse des Energieflusses bei Ladung und Entladung.
Bemerkenswert ist, dass bislang nur wenige Batteriemanagementsysteme direkten Einfluss auf den (Haupt-) Stromfluss beim Laden und Entladen nehmen können. Insbesondere für Lithium-Ionen-Akkus hoher Leistung besteht somit hier noch eine Sicherheitslücke.
Problem: hohe Kurzschlussströme
Der prospektive, also der unbeeinflusste Kurzschlussstrom von Lithium-Ionen-Akkus beträgt ca. das 5- bis 10-fache dessen, was bisher von anderen Akku-Typen, wie etwa Blei-Akkus, bekannt ist. Wegen des sehr hohen Werts des unbeeinflussten Kurzschlussstroms steigt der Betrag des Kurzschlussstroms im Vergleich zu herkömmlichen Akkus auch viel schneller an, da etwa gleich große elektrische Zeitkonstanten auftreten, die im Bereich weniger Millisekunden liegen. Bei der Anwendung von im DC-Bereich bewährten Lösungen für den Kurzschlussschutz treten folgende Probleme auf:
1. Leistungsschalter mit magnetischer und/oder thermischer Überstromerkennung benötigen Einrichtungen zur Lichtbogenlöschung. Sie sind damit vergleichsweise groß und teuer. Außerdem sind sie in vielen Fällen zu langsam. Zum Abschaltzeitpunkt fließt dann bereits ein solch hoher Batterie-Entladestrom, dass der Leistungsschalter durch die dann sehr hohe Abschaltenergie überlastet und zerstört werden kann.
2. DC-taugliche Schmelzsicherungen können als Kurzschlussschutz verwendet werden, müssen aber nach Behebung der Kurzschluss-Fehlerursache ersetzt werden. Das ist in vielen Fällen nicht erwünscht oder in kurzer Zeit auch nicht möglich. Die Sicherungsauslegung ist zudem recht problematisch.
3. Abschaltbare leistungselektronische Bauelemente sind prinzipiell schnell genug, um den Strom im Kurzschlussfall vor Erreichen kritisch hoher Stromwerte abzuschalten. Wegen des vergleichsweise kleinen I²t-Werts muss die Abschaltung aber sehr schnell erfolgen, so dass mit ihnen praktisch keine selektive Kurzschlussklärung möglich ist. Das Schutzorgan der eigentlich gestörten/defekten Anlagenkomponente kann wegen des dann fehlenden Stroms gar nicht mehr auslösen
Die ohnehin nicht einfache Abschaltung von hohen DC-Strömen gewinnt somit bei leistungsstarken Lithium-Ionen-Batterien eine neue, bislang wenig beachtete Brisanz, da die Verwendung bekannter DC-Schutzeinrichtungen meist nicht zum gewünschten Ergebnis führt.
Eine Antwort zu “Jo mei, Elektro-Busse lieben das Feuerwerk.”
Im nachfolgenden Link wird gut erklärt, warum der geringe Innenwiederdstand von Lithium-Ionen-Akkus, binnen weniger Millisekunden zu dessen Zerstörung führen kann ( = Brand , vor allem beim Aufladen )
Kurzschlussstrom bei großen Lithium-Ionen-Akkus abschalten‚
Leistungsstarke Lithium-Ionen-Akkus haben einen sehr geringen Innenwiderstand, der bei externen Kurzschlüssen in sehr kurzer Zeit zu sehr hohen Kurzschlussströmen führt. Mit den heute bekannten DC-Schalt- und Schutzeinrichtungen kann dieser Fehlerfall nur unzureichend beherrscht werden. Mit einer relativ einfachen elektronischen Schaltung lässt sich dieses Problem aber lösen.
Das Verfahren kombiniert das schnelle Schaltvermögen leistungselektronischer Bauelemente mit der hohen Stromtragfähigkeit von Leistungswiderständen. Die vorgestellte Lösung lässt sich überall dort vorteilhaft einsetzen, wo eine selektive Kurzschlussklärung durch einen definierten Überstrom erforderlich ist und/oder der Einschaltstrom beim Zuschalten von Batterie oder Verbraucher begrenzt werden muss. Eine solche Schutzeinrichtung schließt auch eine heute noch bestehende Sicherheitslücke in Batteriemanagementsystemen für Lithium-Ionen-Akkus großer Leistung.
Lithium-Ionen-Akkus
Die Speicherung elektrischer Energie – insbesondere in Elektrofahrzeugen – erfordert im besonderen Maß Akkus, die eine hohe Energiedichte und eine geringe Selbstentladung aufweisen. Beim heutigen Stand der Technik entsprechen vor allem Lithium-Ionen-Akkus diesen Anforderungen. Daneben befinden sich noch zahlreiche weitere Batterietechnologien mit noch größerer Energiedichte in Frühstadien der Entwicklung, wie z.B. Lithium-Schwefel-Akkus und Lithium-Luft-Akkus [1], [2].
Allen diesen neuen Batterietechnologien ist gemeinsam, dass sie im Interesse einer hohen Effizienz, d.h. eines hohen Wirkungsgrads, einen sehr kleinen Innenwiderstand haben. Im Fehlerfall, insbesondere bei Kurzschlüssen, führt dies aber zu extrem hohen Kurzschlussströmen. Die Problematik nimmt dabei mit der Größe der Batterieanlage, d.h. der gespeicherten Energie und der Spannung zu.
Batterieanlagen hoher Leistung
Ab einer Verbraucherleistung von ca. 1 kW ist eine Batteriespannung größer 100 V(DC) von Vorteil, damit die Ströme in einem moderaten Bereich bleiben. Eine sinnvolle Obergrenze dürfte zur Zeit für viele Anwendungen bei ca. 1.000 V liegen. Für die an der DC-Spannung betriebenen Stromrichter lassen sich dann herkömmliche leistungselektronische Bauelemente (z.B. IGBTs) mit einer Sperrspannungsfestigkeit von 1.700 V verwenden.
Die Nennspannung einer einzelnen Lithium-Ionen-Zelle liegt gewöhnlich im Bereich von 3,6 V bis 3,7 V. Um den genannten Spannungsbereich von 100 bis 1.000 V zu erreichen, ist somit die Reihenschaltung einer Vielzahl von Zellen erforderlich. Diese erfolgt zweckmäßigerweise gestaffelt, d.h. zunächst wird eine definierte Anzahl von Zellen zu einem Batteriemodul zusammengefasst. Aus der Reihenschaltung von Modulen wird dann ein kompletter Batteriestrang gebildet. Bei Verwendung entsprechend leistungsstarker Einzelzellen können durch die Parallelschaltung von Batteriesträngen auf diese Weise schon heute Fahrzeug-Batterieanlagen im MWh-Bereich aufgebaut und betrieben werden; siehe z.B. [3].
Sicherer elektrischer Betrieb von großen Lithium-Ionen-Akkus
Für den sicheren Betrieb eines Lithium-Ionen-Akkus ist ein „Batteriemanagementsystem“ (BMS) unbedingt erforderlich. Das BMS überwacht den Zustand jeder einzelnen Zelle zumindest bezüglich Spannung und Temperatur und steuert auch die Ausgleichsströme, die dafür sorgen, dass alle in Reihe geschalteten Batteriezellen eine möglichst gleiche Spannung aufweisen. Höher entwickelte Systeme ermöglichen darüber hinaus auch die stetige Bestimmung des Ladezustands der einzelnen Zellen durch permanente Analyse des Energieflusses bei Ladung und Entladung.
Bemerkenswert ist, dass bislang nur wenige Batteriemanagementsysteme direkten Einfluss auf den (Haupt-) Stromfluss beim Laden und Entladen nehmen können. Insbesondere für Lithium-Ionen-Akkus hoher Leistung besteht somit hier noch eine Sicherheitslücke.
Problem: hohe Kurzschlussströme
Der prospektive, also der unbeeinflusste Kurzschlussstrom von Lithium-Ionen-Akkus beträgt ca. das 5- bis 10-fache dessen, was bisher von anderen Akku-Typen, wie etwa Blei-Akkus, bekannt ist. Wegen des sehr hohen Werts des unbeeinflussten Kurzschlussstroms steigt der Betrag des Kurzschlussstroms im Vergleich zu herkömmlichen Akkus auch viel schneller an, da etwa gleich große elektrische Zeitkonstanten auftreten, die im Bereich weniger Millisekunden liegen. Bei der Anwendung von im DC-Bereich bewährten Lösungen für den Kurzschlussschutz treten folgende Probleme auf:
1. Leistungsschalter mit magnetischer und/oder thermischer Überstromerkennung benötigen Einrichtungen zur Lichtbogenlöschung. Sie sind damit vergleichsweise groß und teuer. Außerdem sind sie in vielen Fällen zu langsam. Zum Abschaltzeitpunkt fließt dann bereits ein solch hoher Batterie-Entladestrom, dass der Leistungsschalter durch die dann sehr hohe Abschaltenergie überlastet und zerstört werden kann.
2. DC-taugliche Schmelzsicherungen können als Kurzschlussschutz verwendet werden, müssen aber nach Behebung der Kurzschluss-Fehlerursache ersetzt werden. Das ist in vielen Fällen nicht erwünscht oder in kurzer Zeit auch nicht möglich. Die Sicherungsauslegung ist zudem recht problematisch.
3. Abschaltbare leistungselektronische Bauelemente sind prinzipiell schnell genug, um den Strom im Kurzschlussfall vor Erreichen kritisch hoher Stromwerte abzuschalten. Wegen des vergleichsweise kleinen I²t-Werts muss die Abschaltung aber sehr schnell erfolgen, so dass mit ihnen praktisch keine selektive Kurzschlussklärung möglich ist. Das Schutzorgan der eigentlich gestörten/defekten Anlagenkomponente kann wegen des dann fehlenden Stroms gar nicht mehr auslösen
Die ohnehin nicht einfache Abschaltung von hohen DC-Strömen gewinnt somit bei leistungsstarken Lithium-Ionen-Batterien eine neue, bislang wenig beachtete Brisanz, da die Verwendung bekannter DC-Schutzeinrichtungen meist nicht zum gewünschten Ergebnis führt.