Thermisches Durchgehen der Batterie in Batteriespeichersystemen: Ursachen, Prävention und Systemdesign

Da Batteriespeichersysteme (BESS) hinsichtlich Größe und Energiedichte immer weiter skalieren, ist die Sicherheit zu einem der wichtigsten Anliegen geworden – insbesondere das Risiko eines thermischen Durchgehens.

Obwohl thermisches Durchgehen oft als Ausfall einer einzelnen Zelle beschrieben wird, stellt es in realen Energiespeichersystemen grundsätzlich eine Herausforderung auf Systemebene dar. Der Ausfall einer einzelnen Zelle kann sich über Module, Racks und sogar ganze Container ausbreiten, wenn er nicht ordnungsgemäß kontrolliert wird.

Erschwerend kommt hinzu, dass die thermische Durchgehung nicht durch einen einzigen Faktor verursacht wird. Sie resultiert aus dem Zusammenwirken elektrischer, thermischer und mechanischer Belastungen – oft verstärkt durch Temperaturungleichgewicht und unzureichende Wärmeabfuhr.

In diesem Artikel konzentrieren wir uns speziell auf die Ursachen des thermischen Durchgehens, dessen Ausbreitung in Batteriesystemen und die technischen Strategien zu dessen Verhinderung.

Was ist ein thermisches Durchgehen bei Lithiumbatterien?

Thermisches Durchgehen bezeichnet einen unkontrollierbaren Temperaturanstieg innerhalb eines Batteriezelle, ausgelöst durch interne Reaktionen, die Wärme schneller erzeugen, als sie abgeführt werden kann.

Sobald dieser Prozess in Gang gesetzt ist, kann er zu einem raschen Temperaturanstieg, Gasaustritt, Brand oder Explosion führen. In BESS, thermisches Durchgehen ist kein isoliertes Phänomen – es kann sich von einer Zelle auf benachbarte Zellen ausbreiten und schließlich ganze Module oder Systemstrukturen beeinträchtigen.

Was verursacht ein thermisches Durchgehen in BESS-Systemen?

Das thermische Durchgehen in Energiespeichersystemen ist typischerweise das Ergebnis mehrerer interagierender Faktoren.

Elektrischer Missbrauch, wie z. B. Überladung oder Kurzschlüsse, kann zu übermäßiger interner Wärmeentwicklung führen.Mechanische Beschädigungen – einschließlich Kompression, Vibration oder Durchstich – können die Zellintegrität beeinträchtigen und zum Zellversagen führen.

Ein entscheidender, aber oft übersehener Faktor ist die Wärmespeicherung. In Systemen mit hoher Leistungsdichte kann die während des Betriebs entstehende Wärme, insbesondere bei kontinuierlichem oder schnellem Betrieb, nicht effektiv abgeführt werden. Dies führt zu einem allmählichen Anstieg der Basistemperatur im Laufe der Zeit.

Aus materialwissenschaftlicher Sicht beginnt bei Lithium-Eisenphosphat-Batterien (LFP) ab etwa 60 °C eine beschleunigte Degradation, da die inneren Schutzschichten instabil werden. Bei Temperaturen von 80–100 °C verstärken sich die internen Reaktionen. Oberhalb von 120 °C können exotherme Reaktionen ein thermisches Durchgehen auslösen.

Bei großflächigen BESS-Installationen erhöht die thermische Akkumulation die Wahrscheinlichkeit, diese kritischen Schwellenwerte zu erreichen, erheblich.

Wie sich ein thermisches Durchgehen in Batteriesystemen ausbreitet

Das Verständnis der Ausbreitung ist von entscheidender Bedeutung, da es darüber entscheidet, ob ein lokaler Fehler zu einem systemweiten Vorfall wird.

In BESS-Architekturen breitet sich ein thermisches Durchgehen typischerweise über eine hierarchische Struktur aus:

• Zelle → benachbarte Zellen
• Zellen → Modul
• Modul → Rack oder Packung
• Packung → Container-System

Wenn eine Zelle ausfällt, setzt sie Wärme und brennbare Gase frei. Diese lösen verschiedene Wärmeübertragungsmechanismen aus:

• Leitung durch strukturelle Bauteile wie Rahmen und Stromschienen
• Konvektion durch Heißgasbewegung zwischen Zellen
• Strahlung Beschleunigung des Wärmeaustauschs zwischen nahe beieinander liegenden Oberflächen

Diese kombinierten Reaktionswege lösen eine Kettenreaktion aus. Ohne wirksame thermische Isolation kann der Ausfall einer einzelnen Zelle rasch zu einem größeren Systemereignis führen.

Warum die Temperaturdifferenz (ΔT) die thermische Durchgehung beschleunigt

Eine gleichmäßige Temperaturverteilung spielt eine entscheidende Rolle bei der Vermeidung von Ausfällen.

Zellen, die bei höheren Temperaturen arbeiten, degradieren schneller und erreichen kritische Schwellenwerte eher als andere. Diese lokalisierten „Hotspots“ fungieren als Ausgangspunkte für den Zellausfall.

In praktischen Systemen:

• Durch Flüssigkeitskühlung kann die Temperaturschwankung innerhalb von ±2–3°C gehalten werden.
• Luftkühlung kann zu Temperaturschwankungen von ±8–15°C führen.

Aufrechterhaltung eines stabilen Betriebstemperaturbereich der Batterie hilft, diese Risiken zu verringern.

Temperaturungleichgewicht beeinträchtigt nicht nur die Leistung, sondern erhöht auch die Wahrscheinlichkeit des Ausbruchs und der Ausbreitung einer thermischen Kettenreaktion.

Für ein tieferes Verständnis, wie sich die thermische Auslegung auf die Leistung und die Systemzuverlässigkeit auswirkt, lesen Sie bitte unseren Leitfaden zu diesem Thema. 

Thermisches Batteriemanagement in Energiespeichersystemen.

Wie man ein thermisches Durchgehen in BESS verhindert

Um ein thermisches Durchgehen zu verhindern, ist ein mehrstufiger Sicherheitsansatz für das gesamte System erforderlich.

Zellbezogene Messungen

Die Zellchemie und der interne Aufbau beeinflussen die inhärente thermische Stabilität. LFP-Batterien bieten im Vergleich zu anderen Lithium-Zellchemien eine verbesserte Beständigkeit gegen thermisches Versagen.

Modul-Design

Auf Modulebene tragen Wärmedämmung und strukturelle Gestaltung dazu bei, die Wärmeausbreitung zwischen den Zellen zu verhindern. Geeignete Abstände und Dämmmaterialien sind unerlässlich, um die Wärmeausbreitung zu begrenzen.

Systemschutz

Auf Systemebene müssen mehrere Schutzmechanismen zusammenarbeiten.

Batteriemanagementsysteme (BMS)Temperatur, Spannung und Stromstärke werden überwacht, um Anomalien frühzeitig zu erkennen. Hardware-Schutzvorrichtungen – wie Sicherungen und manuelle Trennschalter (MSDs) – ermöglichen eine schnelle Fehlerisolierung.

Diese Systeme müssen koordiniert zusammenarbeiten, um anormale thermische Ereignisse zu erkennen, einzudämmen und abzuschwächen, bevor sie sich verschlimmern.

Das Verständnis dafür, wie Betriebsbedingungen das Batterieverhalten beeinflussen – insbesondere durch Ladezustand der Batterie (SOC)—ist auch für die Aufrechterhaltung eines sicheren Betriebs unerlässlich.

Die Rolle der Flüssigkeitskühlung bei der Verhinderung von thermischem Durchgehen

Die Kühlung spielt eine entscheidende Rolle bei der Kontrolle des Risikos eines thermischen Durchgehens.

Im Gegensatz zur Luftkühlung ermöglicht die Flüssigkeitskühlung eine effizientere und gezieltere Wärmeabfuhr und damit eine präzisere Steuerung der Zelltemperatur.

Durch die Einhaltung eines engen Temperaturbereichs reduziert die Flüssigkeitskühlung die Bildung von Hotspots, die zu Ausfällen führen können.

Noch wichtiger ist, dass es den Ausbreitungsprozess selbst verlangsamen kann. Durch die kontinuierliche Wärmeabfuhr wird der Temperaturanstieg verzögert und die Zeit verlängert, die für die Ausbreitung eines thermischen Durchgehens benötigt wird. Diese zusätzliche Reaktionszeit ist entscheidend, damit die Schutzmechanismen des Systems aktiviert werden und das Ereignis eindämmen können.

Einen detaillierten Vergleich finden Sie hier:Flüssigkeitskühlung vs. Luftkühlung in Batteriespeichersystemen

Sicherheitsstandards und Prüfungen (UL9540A und darüber hinaus)

Das thermische Durchgehen muss durch standardisierte Tests validiert werden.

UL9540A untersucht, wie sich thermische Ereignisse auf verschiedenen Systemebenen ausbreiten, einschließlich Zellen-, Modul-, Rack- und vollständigen Containerkonfigurationen. Diese Tests liefern wichtige Daten für die Systemauslegung und Sicherheitsplanung.

Zusätzliche ingenieurtechnische Methoden, wie zum BeispielIEC-Normen und DFMEA werden verwendet, um Risiken während der Entwicklung zu identifizieren und zu minimieren.

Diese Validierungsprozesse sind entscheidend für die Gewährleistung eines sicheren Einsatzes in kommerzielle und industrielle Energiespeichersysteme.

Ingenieurtechnischer Ansatz zur Sicherheit bei thermischem Durchgehen

Bei fortschrittlichen Energiespeichersystemen wird die Verhinderung eines thermischen Durchgehens nicht durch eine einzelne Komponente, sondern durch ein koordiniertes Systemdesign erreicht.

Dazu gehören:

- Zellauswahl basierend auf thermischer Stabilität  

- Strukturelle Isolation auf Modulebene zur Begrenzung der Ausbreitung  

- Systemintegration der BMS-Überwachung und Störungsreaktion  

- Strategien für das Wärmemanagement zur Steuerung der Temperaturverteilung  

In der Praxis wird dieser systemorientierte Entwicklungsansatz zunehmend bei Hochleistungs-Batteriespeichersystemen angewendet, bei denen Sicherheit, Zuverlässigkeit und Lebenszyklusleistung gemeinsam und nicht unabhängig voneinander betrachtet werden müssen.

Batteriesystementwickler wie ACE-BatterieDiesen integrierten Ansatz wenden wir in realen Projekten an, indem wir thermisches Design, intelligente Steuerung und strukturelle Sicherheit kombinieren, um einen stabilen Betrieb unter anspruchsvollen Bedingungen zu gewährleisten.

Überlegungen zur Gestaltung von BESS-Projekten

In realen Anwendungen hängt die Verhinderung eines thermischen Durchgehens eher vom Systemdesign als von einzelnen Komponenten ab.

Umgebungen mit hoher Last – wie das Laden von Elektrofahrzeugen, Rechenzentren und industrielle Systeme – setzen Batteriesysteme einer kontinuierlichen thermischen Belastung aus. Mit steigender Energiedichte, insbesondere bei großformatigen Zellen wie 314 Ah, gewinnt eine präzise Temperaturregelung zunehmend an Bedeutung.

Die Systemkoordination zwischen Batteriedesign, Schutzmechanismen und Wärmeregelung ist für einen sicheren Betrieb unerlässlich.

Fazit – Thermisches Durchgehen als Herausforderung für das Systemdesign

Thermisches Durchgehen ist nicht einfach nur ein Batterieausfall – es ist eine systemweite Herausforderung, die eine abgestimmte Konstruktion in Bezug auf Materialien, Überwachungssysteme, Strukturtechnik und Wärmeregelung erfordert.

Mit zunehmender Skalierung von Energiespeichersystemen werden die Fähigkeit zur Temperaturkontrolle, zur Begrenzung der Ausbreitung und zur effektiven Reaktion auf anormale Bedingungen die langfristige Sicherheit und Zuverlässigkeit der Systeme bestimmen.

Für Projektentwickler und Systemintegratoren ist die Bewertung des Zusammenspiels von Wärmedesign, Systemarchitektur und Sicherheitsmechanismen bei der Auswahl einer Batterielösung unerlässlich.

Die Zusammenarbeit mit erfahrenen Entwicklern von Batteriesystemen kann dazu beitragen, dass Sicherheitsaspekte frühzeitig im Entwicklungsprozess berücksichtigt werden – und nicht erst, nachdem Probleme beim Einsatz auftreten.

ACE-Batterie entwickelt Energiespeichersysteme mit integriertem Wärmemanagement und sicherheitsorientiertem Design zur Unterstützung anspruchsvoller kommerzieller und industrieller Anwendungen.