Technische Sicherheit bei Lithium-Ionen Speichersystemen. Christian Kluth Offenbach

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1 Technische Sicherheit bei Lithium-Ionen Speichersystemen Christian Kluth Offenbach

2 Inhalt VDE Testlab Batterie und Umwelt Notwendigkeit von Sicherheitsprüfungen Konzept der Sicherheitsprüfungen Standardisierung VDE Anwendungsregel &

3 VDE Testlab Batterie & Umwelt Kontakt: Christian Kluth VDE Prüf- und Zertifizierungsinstitut, Batterie & Umwelt Goethering Offenbach Tel

4 Aufbau des VDE Testlab VDE Testlab Automotive Komponenten Energie Speicher Systeme Vibration/ Schock Powertools / Pedelecs / E-Bikes Brennstoffzellen Batterien & Brennstoffzellen Umweltsimulation IP- Schutzarten Korrosion Klima PTB Braunschweig Explosionsschutz 4

5 Dienstleistungen des VDE Testlab Batterien & Brennstoffzellen Elektrische Tests Entwicklungsbegleitende Tests Konformitätstests Zertifizierung Mißbrauchstests VDE Test und Zertifizierungsinstitut Umweltsimulation Lebensdauer Tests Performance Tests United Nation Transporttest Benchmark Tests 5

6 Dienstleistungen des VDE Testlab Umweltsimulationen Elektrische Tests Entwicklungsbegleitende Tests Konformitätstests Zertifizierung Explosionsschutz VDE Test und Zertifizierungsinstitut Komponenten Vibration/ Schock Klima IP Schutzarten Korrosion 6

7 Inhalt VDE Testlab Batterie und Umwelt Notwendigkeit von Sicherheitsprüfungen Konzept der Sicherheitsprüfungen Standardisierung VDE Anwendungsregel &

8 Notwendigkeit von Sicherheitsprüfungen Herausforderung: Komplexität der Speicher viele verschiedene Hersteller Inverter viele verschiedenen Zelltypen/-chemien System Inverter BMS unterschiedliche Sicherheitssysteme Pack Modul BMS BMS ϑ ϑ verschiedene Aufbauvarianten Zellblock Zelle ϑ Material 8

9 Notwendigkeit von Sicherheitsprüfungen Produktlebenszyklus potentielle Gefahren während jedem Lebensabschnitt

10 Notwendigkeit von Sicherheitsprüfungen Gefährdungskategorien elektrisch thermisch chemisch mechanisch elektrischer Schlag Extern angeschlossene Geräte Schutzleiter Heiße Oberflächen Feuer Explosion Gas Emission Korrosion durch Chemikalien Verätzungen Instabilität Deformation Fliegende Teile Fehler entstehen oft aus der Kombination verschiedener Ursachen z.b.: Fehlfunktion eines BMS in einem Li-Ionen Speichersystem Zellüberladung Temperaturanstieg, exotherme Reaktion Gasbildung Abgasung Feuer Explosion 10

11 Notwendigkeit von Sicherheitsprüfungen Li-ion Zellen mit LiPF 6 Salz chemische Aspekte einer exothermischen Reaktion 11

12 Inhalt VDE Testlab Batterie und Umwelt Notwendigkeit von Sicherheitsprüfungen Konzept der Sicherheitsprüfungen Standardisierung VDE Anwendungsregel &

13 Konzept der Sicherheitsprüfungen Fehlerbaum Ursache Fehlerursache Komponente Umwelt Alterung Fehlfunktionen Fehler Temperatur Feuchtigkeit Mechanische Kräfte Verletzung des Betriebsfensters elektrische chemische thermische mechanische Wirkung Gefahren Simulieren der Fehler & absichtliche Verletzung des Betriebsfensters 13

14 Inhalt Der VDE in Zahlen und Fakten VDE Testlab Batterie und Umwelt Notwendigkeit von Sicherheitsprüfungen Konzept der Sicherheitsprüfungen Standardisierung VDE Anwendungsregel &

15 Standardisierung Normen und Vorschriften 15

16 Standardisierung Gesetzesvorgaben Beispiel UN 38.3 Lithium-Ion Batterien sind Gefahrgut der Klasse 9 Prototyp-Produktion max. 100 Stck. UN38.3 ADR 1) (SV310) Prüfinstitut Serienproduktion UN38.3 ADR 1) (SV230) Kunde 1) ADR=Accord européen relatif au transport international des marchandises Dangereuses par Route 16

17 Standardisierung Gesetzesvorgaben Beispiel UN 38.3 T.1 Höhensimulation (11,6 kpa, 20 C) T.2 Temperatur Wechselprüfung (72 C/-40 C) T.3 Vibration (7 200Hz, 1 8G) T.4 Schock (50G/150G, 18x) Test Zelle Batterie T.5 Externer Kurzschluss (55 C, 0,1Ω) Anforderung Keine Leckage Kein Abgasen Keine Zerlegung Keine Risse Kein Feuer Aussentemperatur 170 C Ladesspannung nicht weniger als 90 % Ladespannung vor der Prüfung Kein Feuer innerhalb von 7 Tagen Lagerung T.6 Schlag (9,1 kg, 61cm Höhe) T.7 Überladen T.8 Erzwungene Entladung 17

18 Standardisierung Gesetzesvorgaben? ist damit das Speichersystem sicher? 18

19 Standardisierung Rückblick 19

20 Standardisierung Rückblick (Beispiele) NATIONAL STANDARD 0100 NATIONAL STANDARD ????? 20

21 Standardisierung VDE Anwendungsregeln und (Beispiele) NATIONAL STANDARD 0100 Anwendungsregel NATIONAL STANDARD 4105 VDE AR Stationäre elektrische Energiespeichersysteme am Niederspannungsnetz Anwendungsregel VDE AR Stationäre Energiespeichersysteme mit Lithium-Batterien Sicherheitsanforderungen ! 21

22 Inhalt VDE Testlab Batterie und Umwelt Notwendigkeit von Sicherheitsprüfungen Konzept der Sicherheitsprüfungen Standardisierung VDE Anwendungsregel &

23 VDE Anwendungsregel & : Anforderungen an den Speicher VDE AR FMEA RA / FMEA Risikobewertung Konstruktive Anforderungen elektrischer Schlag Kurzschluss elektrisch Anwendungsregel mechanisch Mechanik mech. Widerstandsfähigkeit Explosion VDE AR Feuer Temperatur thermisch Stationäre Energiespeichersysteme mit Lithium-Batterien Sicherheitsanforderungen Flüssigkeiten Elektrolyt Gase chemisch Überprüfung der Systemschnittstellen Überprüfung der Systemkomponenten Schutzeinrichtungen Funktionale Anforderungen VDE AR beschreibt die Sicherheit des gesamten Batteriesystems! Dokumentation Befugnis BMS & SW UN 38.3 Transporttests BMS Anleitungen Dokumentation (Grobübersicht) 23

24 VDE Anwendungsregel & : Anforderungen u.a. an den Anschluss VDE AR Bereiche Aufstellungsort Behausungen Installation Schieflast Ersatz & Koppelbetrieb Spannungsqualität Anwendungsregel VDE AR Stationäre elektrische Energiespeichersysteme am Niederspannungsnetz elektrischer Schutz Schalt & Steuergeräte Erdung & Schutzleiter Betriebsarten Leistungskoordinierung Prüfungen Warn & Hinweisschilder Kennzeichnungen & Markierungen Anleitungen Dokumentation Betrieb Inbetriebnahme Betriebsführung VDE AR beschreibt die Integration & Segregation des Speichers gesetzliche Grundlagen und Regelungen Deinstallation Entsorgung Reclycling (Grobübersicht) 24

25 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Nutzen Sie unsere Kompetenz für Ihren Erfolg

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