Schäden durch die neue Akkutechnologie
verbaut in einem E-Bike.
Lesen sie ausführlich die Bedienungsanleitung dieser anspruchsvollen Technik
Foto: Dipl. Ing. Axel Opp
- 1. Akkutechnologien
- 2. Energiedichte und Gefahren
- 3. Aufbau, Anwendungsfälle und Ladung
- 4. Schäden und Ursachen
- 5. Regress
- 6. Schlussfolgerungen
- 1. Akkumulator
Wiederaufladbare Energiespeicher für elektrische Energie auf elektrochemischer Basis
- 2. Historie
1803 erste aufladbare Zellen von Johann W. Ritter
1850 – 1886 Entwicklung der Bleiakkumulatoren
- 3. Funktionsweise
Beim Aufladen wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt. Wird ein Verbraucher angeschlossen wird die chemische Energie wieder in elektrische gewandelt.
- 4. Übliche Akkumulatortypen (Energiedichte Wh/kg)
- Bleiakkumulator 30, Nickel‐Zink 50, Nickel‐Cadmium 60, Nickel‐Metallhydrid 110,
- Lithium‐Polymer 140, Lithium‐Ionen 210, Lithium‐Schwefel 350
- 5. Zu erwartende Akkutypen
Lithium‐Sauerstoff‐Technik aus dem IBM 500 Meilen Programm erreicht momentan 1.000 Wh/kg Theoretisch sind 11.650 Wh/kg machbar was 1 kg Diesel entspricht
2. Schmelzleistung von Lithium‐Akkus (elektrische + chemische Energie)
Der aktuelle Tesla S hat eine 85 kWh Batterie. Damit kann man ca. 323 kg Metalle der Karosserie schmelzen.
Da jederzeit mit dem Durchgehen eines Lithium‐Akkus gerechnet werden muss, sollte das Gehäuse die frei werdende Energiemenge ableiten können, ohne das Flammen oder giftige Gase austreten können. Gehäuse sollten Druckausgleich zulassen. All dies ist üblicher Weise nicht der Fall.
3. Aufbau von Lithium‐Akku
Lithiumionenakkus (LiIon‐Akku) ist ein Oberbegriff für verschiedene Akkutypen, bei denen Lithiumionen beim Laden und Entladen zwischen den Elektroden hin und her wandern.
Aufbau:
- ‐ negative Grafit‐Elektrode
- ‐ positive Lithium‐Metalloxid‐Elektrode (Nickel, Kobald, Mangan)
- ‐ als Elektrolyt ein wasserfreies, brennwares Lösungsmittel
- ‐ Separator, durchlässig für Lithium‐Ionen
Gefahren durch Aufbau:
- 1. Höhere Energiedichte desto dünner werden die Schichten. Dadurch wirken sich Mängel in der Produktion und Überlastungen im Betrieb
(elektrisch und mechanisch) stärker aus. Folge höhere Brandgefahr
- 2. Elektrolyt ist brennbar und leicht entzündlich
- 3. Lithium reagiert mit Wasser und bildet Knallgas
- 4. Ladevorgang ist komplex
- 5. Falsche Handhabung kann zu Brand‐ und Explosion führen
- 6. Das verwendete Metalloxid bestimmt u.a. die Energiedichte und dadurch auch die mögliche Brandgefahr (siehe Lithium‐Cobalt‐Dioxid)
- 7. Die Konstruktion des Metallgehäuses bestimmt Schadenablauf
3. Problemfeld Ladung
Ladevorgang von LiPos ist komplex und erfordert eine intelligente Laderegelung UND Ladeüberwachung auch der Temperatur der einzelnen Zellen. Dies ist aufwendig und teuer!
Zum Laden von Li‐Akkus muss obige Kennlinie abgefahren werden. Das Laden erfolgt zuerst bei konstantem
Strom und danach mit konstanter Spannung. Ladeentspannung ist 4,2 Volt. Dies muss eingehalten werden.
3. Problemfeld Ladung, Alterung, Überlastung
Häufige Konstellation, keine gesonderte Überwachung der Akkuwerte, somit werden Fehlerzustände nicht erkannt und es wird unkontrolliert weiter geladen.
Altersbedingt verschlissene Akkus werden von den Ladegeräten nicht erkannt. Diese erreichen nie Ihren Ladeendpunkt und werden durch die andauernde Beladung heiß, können kurzschlüssig werden und anfangen zu brennen.
Mechanisch z.B. durch Sturz oder Stoß vorgeschädigte Akkus werden ebenfalls nicht erkannt und bilden
interne Kurzschlüsse aus, explodieren und brennen aus.
4. Brand und Explosionen von Akkus ‐ siehe Video 1
- 1. Videos und Beispielfälle zu Brand und Explosion von LiPos
- 2. Ist der Akkubrand einfach durch den VN zu löschen?
- 3. Massive Flammenbildung, durch Explosion umherfliegende Akkus führen zu multiplen Brandzündungen
5. Regress – Rückrufaktionen (Auszug)
- 1. 2006, Dell muss 4,1 Millionen Akkus wegen Brandgefahr rückrufen
- 2. 2008, Apple ruft 1,8 Millionen Akkus wegen Brandgefahr zurück
- 3. 2006, Sony‐Rückrufaktion wegen zu dünner Separator der Li‐Ion‐Akkus. Kosten ca. 200 Millionen $
- 4. 2007, Rückrufaktion von Lenovo wegen gefährlicher Akkus
- 5. 2008. Toshiba ruft gefährliche Akkus von Notebooks zurück
- 6. 2009, Rückrufaktion Clartronic wegen mangelhafter gefährlicher Akkus von DVD‐Playern
- 7. 2009, Fujitsu‐Siemens ruft Notebook‐Akkus wegen Brandgefahr zurück
- 8. 2011, Gigaset ruft Akkus der Mobiltelefone wegen Brandgefahr zurück
- 9. 2011, E‐Bikes Hersteller Victoria Rückruf wegen explodierender Akkus
- 10. 2012, Nikon ruft Lithium‐Ionen‐Akkus von Kameras zurück wegen Brandgefahr
- 11. 2012, Columbia ruft Akkus von beheizbaren Jacken wegen Brandgefahr zurück
5. Regress: Basis Europäische Richtlinien, Gesetze und Normen
- 1. In der EU werden Sicherheitsnormen über Richtlinien und Gesetze geregelt.
- 2. EU‐Mitglieder sind verpflichtet diese Richtlinien in nationale Gesetze umzusetzen.
- 3. Richtlinien enthalten verbindliche Vorgaben.
- 4. Konkretisierungen erfolgen über harmonisierte Europanormen, diese müssen von allen Normungsorganisationen der EU anerkannt werden.
5. Regress: Niederspannungsrichtlinie 73/23/EWG
- 1. Gilt für Betriebsmittel mit Nennspannung 50 – 1000 Volt.
- 2. Diese müssen bei der ordnungsgemäßen Verwendung Schutz vor „bestimmten Gefahren“ gewährleisten.
- 3. Es dürfen keine Temperaturen entstehen aus denen sich Gefahren ergeben
können.
- 4. Dürfen bei Überlastung Menschen, Nutztiere und Sachen in keiner Weise gefährden.
- 5. Müssen den nicht mechanischen Einwirkungen so weit standhalten, dass Menschen, Nutztiere oder Sachen nicht gefährdet werden.
- 6. CE‐Kennzeichnung ist vorgeschrieben
5. DIN 31000 – Sicherheitsgerechtes Gestalten technischer Erzeugnisse aus März 1979
7. Fazit
Hauptursachen für Brandgefahr bei Akkus:
- 1. Produktionsfehler der Akkuzellen
- 2. unzureichende Lade‐ und Sicherheitselektroniken
- 3. unzureichende Einhausung der Akkus
- 4. Sturz‐ und Stoßereignisse, sowie eindringende Feuchtigkeit können zu Brand führen
- 5. Überspannungen können Zellen schädigen
- 6. falsche Lagerung, wie beständig voll oder tiefentladen führen zur Brandgefahr
- 7. zu hohe oder zu kalte Umgebungsbedingungen schädigen die Zellen
Schlussfolgerungen:
- 1. Unser Leben ist und wird zunehmend von gefährlichen Stromspeichertechnologien durchsetzt. Dies birgt eine beständig wachsende Brand‐ / Explosionsgefahr.
- 2. Die Sicherheit dieser Systeme hängt primär von der Güte der Akkus und der Ladeelektroniken ab.
- 3. Die untersuchten Brandschäden zeigen, dass durchgängig Mängel in der Konstruktion und Produktion der Produkte Ursache für die Schadenereignisse sind.
- 4. Die Richtlinien, Gesetzte (GPSG) und die DIN 31000 stellen hohe Anforderungen an die Sicherheit der technischen Geräte und fordern schon lange entsprechende Sicherheitsmaßnahmen.
- 5. wesentlich für den erfolgreichen Regress ist der exakte Nachweis des Produktmangels oder des Errichterfehlers über eine qualifizierte Ursachenanalyse.
- 6. hier besteht hohes Regresspotential!
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