Leistungs- und Projektbeschreibung für die Durchführung eines Teilprojektes im Rahmen des Vorhabens Elektromobilität Umsetzung der Normungs- Roadmap

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1 Leistungs- und Projektbeschreibung für die Durchführung eines Teilprojektes im Rahmen des Vorhabens Elektromobilität Umsetzung der Normungs- Roadmap Anforderungen an die funktionale Sicherheit von Batteriemanagementsystemen in der Elektromobilität mit Lithium-Ionen Batterien 1. Hintergrund Die Entwicklung der wiederaufladbaren Energiespeicher hat in den letzten Jahren mit der Lithium (Li)-Ionen-Batterie interessante Anwendungsmöglichkeiten und Produkte geschaffen. Heutige Li-Ionen-Akkus besitzen typischerweise eine Energiedichte zwischen 100 und 200 Wattstunden pro Kilogramm. Aufgrund der Kapazität, sowie den daraus resultierenden kleinen und leichten Batterien, wurde der Einsatz von Li-Ionen-Batterien in zahlreichen Anwendungen attraktiv. Zurzeit finden Batterien diesen Typs ihre Anwendung in unterschiedlichsten Branchen der Technik; von portablen Kleingeräten wie bspw. Handys oder Laptops bis zum Einsatz in Elektrofahrzeugen verschiedenster Art. Vor allem der Bereich der Flurförderzeuge ist ein großes Anwendungsfeld aber auch die stationären Speicher rücken stärker in den Fokus. Mit der Verbreitung von Li-Ionen-Batterien in vielfältige Anwendungsbereiche werden sicherheitsrelevante Fragestellungen stärker adressiert. Die Anforderungen an die Verfügbarkeit der gespeicherten Energie steigen und die Folgen von Defekten und Ausfällen werden gravierender. Li-Ionen-Batterien haben besondere Eigenschaften, die für ihre Sicherheit ausschlaggebend sind: - Schleichender Kapazitätsverlust: Dieser ist von der Zahl der Lade- und Entladezyklen aber auch stark von den Lagerbedingungen (Temperatur, Ladezustand) abhängig. Je höher die Temperatur und der Ladezustand, desto eher kommt es zu unerwünschten Defekten und unumkehrbaren chemischen Reaktionen und somit zum Ausfall. - Überladung: Bei Überladung verschiedener Li-Ionen-Batterien kann sich metallisches Lithium an der Anode ablagern (Dendrite) was zum Kurzschluss führen kann. Es folgt die Zersetzung des Elektrolyten, wodurch toxische Substanzen sowie brennbare Gasmischungen (bspw. Knallgas) freigesetzt werden können. Tiefenentladung: Bei einer Tiefentladung von Zellen (unter 1,5 V / Zelle) können sich Kurzschlüsse durch Materialschädigungen innerhalb der Zelle bilden, die zu einer Erhitzung und damit Brandgefahr führen. - Überstrom oder Überspannungen: Hierdurch können beim Laden irreversible Zellschädigungen auftreten. Die thermische Stabilität der Batterie kann damit herabgesetzt werden und in Folge der Überladung kann es zu irreversiblen Schädigungen kommen. In verschiedenen Anwendungsbereichen ist es bereits zu Erfahrungen mit Gefährdungen gekommen, die von Li-Ionen-Batteriesystemen hervorgerufen wurden. Die Herabsetzung der thermischen Stabilität kann u.u. zum sogenannten thermischen Durchgehen führen, einem Zustand in dem gespeicherte elektrische Energie in einer Kettenreaktion in thermische Energie umgewandelt wird. Als Ursachen dafür konnten außer Überladung auch mechanische Beschädigungen der Zellen sowie externe Überhitzung ermittelt werden. Die bekannten Sicherheitsmängel von Li-Ionen-Batterien werden bisher häufig mit Hilfe von inhärenten Maßnahmen behoben, wie z. B. starken mechanischen Gehäusen. Die Anwendung solcher Maßnahmen schützt zwar vor direkt bevorstehenden Gefahren, aber Seite 1 von 6

2 nicht vor einer längeren Ursache-Wirkungs-Ketten bei langsamer Fehlerausbreitung. Dadurch können große Gefährdungen und Verluste entstehen. Die o.g. Prozesse erregen Sorgen um die Sicherheit von Li-Ionen-Batterien, sowie des gesamten Systems. Batteriemanagementsysteme (BMS) werden gegenwärtig in unterschiedlichen Anwendungen mit Li-Ionen-Batterien eingesetzt und erfüllen zahlreiche sicherheitsrelevante Aufgaben. Da mit einem Anstieg der Energiedichte in Zukunft zu rechnen ist, werden die Sicherheitsanforderungen an das BMS analog steigen. Deswegen ist die zuverlässige Funktion von BMS für die Sicherheit, aber auch zur Akzeptanzerhöhung für den Einsatz und die Verwendung von Batterien, essentiell. Batteriemanagementsysteme kombinieren Sensoren unterschiedlicher Art (Temperatur-, Spannungs- und Strommessung) mit komplexen Steuerungen, sowie zuverlässigen Schalteinrichtungen, die oft im Hochleistungsbereich arbeiten. Die Komplexität und der hohe Grad der Sicherheitsrelevanz von BMS, erfordern die Anwendung von Methoden der funktionalen Sicherheit. Funktionale Sicherheit bezeichnet den Teil der Sicherheit eines Systems, der von der korrekten Funktion der sicherheitsbezogenen (Sub-)Systeme und externen Einrichtungen zur Risikominderung abhängt. Die Anwendung solcher Methoden kann die Sicherheit eines elektrischen, elektronischen oder programmierbaren elektronischen Systems, durch Beseitigung von systematischen Fehlern und die Reduzierung des Einflusses von zufälligen Fehlern, gewährleisten. Methoden der Funktionalen Sicherheit genießen heutzutage eine breite Anerkennung. Neben der Grundnorm IEC existiert die Norm ISO für die funktionale Sicherheit von Straßenfahrzeugen, sowie eine Reihe anderer spezifischer Normen. Im Rahmen der Umsetzung der deutschen Normungs-Roadmap Elektromobilität wurden zwei Arbeitsgruppen zum Thema Funktionale Sicherheit gegründet: Eine beschäftigt sich mit der funktionalen Sicherheit der Infrastruktur und die andere hat ihren Fokus auf der funktionalen Sicherheit des Gesamtfahrzeugs. Die Betrachtung der funktionalen Sicherheit auf Batterie-Ebene ist jedoch dabei nicht geplant. Da die ISO bereits die Betrachtung von BMS bei der Anwendung für das Gesamtfahrzeug einschließt, besteht derzeit keine Notwendigkeit, dieses vorgeschlagene Projekt entsprechend des Scopes von ISO/TC 22 (NAAuto) zu ergänzen. Weder gegenwärtige europäische Typgenehmigungsanforderungen noch Normen enthalten Prüfverfahren für BMS in ausreichender Präzision. Unter ausreichender Präzision des Prüfverfahrens für BMS wird die Festlegung von Mindestanforderungen zur Risikominimierung und die notwendige Reproduzierbarkeit und Vergleichbarkeit der Prüfverfahren verstanden. Das vorgeschlagene Projekt soll durch normenunterstützende Untersuchungen Erkenntnisse erarbeiten, die für die Festlegung der funktionalen Sicherheit von BMS und zur Entwicklung von geeigneten Prüf- und Bewertungsverfahren erforderlich sind. Hierzu werden bestehende nationale und internationale Normen hinsichtlich der Sicherheitsaspekte mit dem tatsächlichen Bedarf in der Praxis abgeglichen und ausgewertet. Die Ergebnisse werden anschließend in das relevante Normungsgremium DKE/K 371 Akkumulatoren (ggf. auch DKE/K 352 Flurförderzeuge ) eingebracht, welches dieses Thema als wichtig erachtet. 2. Zielsetzung Insbesondere für Flurförderzeuge (unter Ausschluss der Betrachtung von Straßenfahrzeugen). soll ein Satz von Sicherheitsfunktionen ausgearbeitet werden der Seite 2 von 6

3 für BMS genutzt werden kann, um Sicherheitsrisiken auf vertretbare Niveaus zu minimieren Diese Sicherheitsfunktionen werden auf Basis eines allgemeinen Entwurfes des BMS entwickelt. Jeder Sicherheitsfunktion werden bestimmte Sicherheitsziele zugeordnet. Die Mindestanforderungen an die Entwicklung und Prüfung von BMS bilden einen gemeinsamen Anhaltspunkt, dem Stand der Technik entsprechend, an dem wiederum die weitere Normung im Bereich der Batteriemanagementsysteme für Li-Ionen- Batterien angelehnt werden kann. Es werden sowohl qualitative als auch quantitative Anforderungen aufgelistet. Um diese Anforderungen auf einen gemeinsamen Nenner zu bringen wird zusätzlich die Sicherheitsintegrität betrachtet. Die Norm ISO Straßenfahrzeuge Funktionale Sicherheit regelt die Anforderungen der Funktionalen Sicherheit für Straßenfahrzeuge und deckt die BMS-Funktionen in diesen Fahrzeugen ab. Das vorliegende Projekt betrachtet daher insbesondere BMS-Funktionen in anderen Anwendungen, wie Flurförderzeuge oder Pedelecs, und soll hierzu als Grundlage der Untersuchung die ISO heranziehen. Projektergebnisse werden sofern sie für die ISO zutreffen könnten an das entsprechende Normungsgremium zu Beratungen weitergeleitet. Abschließend wird das erreichte Sicherheitslevel betrachtet. Hierzu werden technisch umsetzbare Prüfmethoden, die sich an den heute weitverbreitet eingesetzten Verfahren anlehnen, unter Sicherstellung einer ausreichenden Reproduzierbarkeit und Vergleichbarkeit der Ergebnisse, angewendet. Im Folgenden sind die Inhalte der einzelnen Arbeitspakete aufgeführt. 3. Arbeitspakete AP1 Abgleich zum Stand der Technik mit Bezug auf: a. Sicherheitsrelevante Eigenschaften der Li-Ionen-Batterien b. Bestehende Methoden zur Gewährleistung der Sicherheit von Li- Ionen-Batterien i. Passive Methoden (Aufbau der Zellen, Aufbau der Batterie, Gehäuse usw.) ii. Aktive Methoden Batteriemanagementsystem (allgemeiner Entwurf, oft realisierte sicherheitsrelevante und nicht sicherheitsrelevante Funktionen) c. Gap-Analyse: Heutiger Stand der Technik und Herausforderungen der Sicherheit AP2 Durchführung einer Gefährdungs- und Risikoanalyse zu einem allgemeinen Entwurf eines BMS AP3 Entwicklung eines allgemeinen Satzes an Sicherheitsfunktionen und Sicherheitszielen, die die Sicherheit des Gesamt-Batteriesystems inkl. BMS auf einem vertretbaren Niveau gewährleisten. Ausarbeitung der Anforderungen an die Sicherheitsfunktionen, inkl. Anforderungen an die Sicherheitsintegrität. AP4 Evaluierung der bestehenden Prüfverfahren, Normen und europäischen Richtlinien sowie Bewertung deren Anwendbarkeit zur Beurteilung der funktionalen Sicherheit von BMS. AP5 Erörterung von erweiterten Verfahren zur Transparenzsteigerung der Vorgehensweise von Prüfungen, zur Festlegung von Mindestanforderungen und zur Steigerung der Reproduzierbarkeit von Prüfungen. AP6 Dokumentation der Ergebnisse Seite 3 von 6

4 AP7 Konstruktive Zusammenarbeit mit und Einbringung der Ergebnisse in das Normungsgremium DKE/K 371 Akkumulatoren. Seite 4 von 6

5 Zum Nachweis der abgeschlossenen Arbeiten der einzelnen Arbeitspakete sind die im Folgenden genannten Dokumente dem Auftraggeber in verwertbarer Weise zum Projektende zur Verfügung zu stellen: - Detaillierter Bericht zum Stand der Technik (siehe Arbeitspaket 1) - Nachweis zur Entwicklung eines allgemeinen Entwurfs eines BMS und detaillierter Bericht zur Durchführung einer Gefährdungs- und Risikoanalyse. Veröffentlichung der Risikobewertung für einen allgemeinen BMS-Entwurf (siehe Arbeitspaket 2) - Detaillierter Bericht zu den entwickelten Sicherheitsfunktionen und Sicherheitszielen, Ausarbeitung der Anforderungen an die Sicherheitsfunktionen und der Anforderungen an die Sicherheitsintegrität (siehe Arbeitspaket 2) - Detaillierter Bericht zur Evaluierung der bestehenden Prüfverfahren, Normen, europäischen Richtlinien und der Anwendbarkeit zur Beurteilung der funktionalen Sicherheit von BMS (siehe Arbeitspaket 4) - Detaillierter Bericht zur Transparenzsteigerung der Vorgehensweise von Prüfungen, zur Festlegung von Mindestanforderungen und zur Steigerung der Reproduzierbarkeit von Prüfungen - Detaillierter Abschlussbericht zu den einzelnen Arbeitspaketen, der die Spezifikation der Anforderungen an die Sicherheit eines BMS enthalten soll. Die Spezifikation soll in ihrer Form mit der Norm ISO konform sein und damit die folgenden Informationen aufweisen: - Sicherheitsziele - Sicherheitsfunktionen, damit die Sicherheitsziele erreicht werden können - Anforderungen an die Sicherheitsintegrität der Sicherheitsfunktionen (ASIL) - Leistungsanforderungen an die Sicherheitsfunktionen (vor allem zeitliche Abfolge der Systemüberwachung sowie Reaktion) - Prüfverfahren zur Bestätigung der o.g. Anforderungen. - Nachweis zur Präsentation der Ergebnisse im Normungsgremium DKE/K 371 Akkumulatoren 4. Zeitplan: AP1 AP2 AP3 AP4 AP5 AP6 AP7 2015/2016 (geplanter Projektstart: ) AP1 AP2 AP3 AP4 AP5 AP6 AP7 AP Dokumentation der Ergebnisse Alle Ergebnisse wie Analyse-, Evaluations- und Umfrageergebnisse sowie Empfehlungen sind vollständig zu dokumentieren und in schriftlicher sowie elektronischer Form in einem mit dem Auftraggeber abzustimmenden Format vorzulegen. Die Ergebnisse sind so aufzubereiten, dass sie für den Auftraggeber verwertbar sind. Die Durchführung des Auftrags beinhaltet die Unterstützung der öffentlichen Präsentation zu den Ergebnissen nach Abschluss des Auftrags. Seite 5 von 6

6 6. Voraussetzungen für den Projektnehmer A) Technisch-wissenschaftlicher Hintergrund und praktische Erfahrung mit Elektromobilität, Batteriesystemen, Batteriemanagementsystemen und Funktionale Sicherheit sowie benachbarte Fachgebiete, wie z.b. Elektrotechnik, Maschinenbau, etc. B) Der Projektnehmer soll zusätzlich über Erfahrung in der aktiven Normung und in der Festlegung der europäischen und internationalen (UN ECE WP.29) Typgenehmigungsanforderungen verfügen. C) Erfahrungen in der Qualitätssicherung, Auditierung und Begutachtung von technischen Diensten im Bereich Batteriesicherheit und Funktionale Sicherheit in der Automobilindustrie sind notwendig. 7. Literaturverzeichnis [1] Trueb, L. F. und Rüetschi, P. Batterien und Akkumulatoren: Mobile Energiequellen Für Heute und Morgen. Berlin, Heidelberg : Springer, ISBN [2] FAA. Press Release - FAA Statement. FAA. [Online] 16. January [Zitat vom: 12. August 2014.] [3] Drew, C. und Muawad, J. Boeing Fix for Battery Is Approved by F.A.A. The New York Times [4]. Loew, Peter, Pabst, Roland und Petry, Erwin. Functional Safety in Practice (in German). Heidelberg : dpunkt.verlag, Seite 6 von 6