Benötigt ein maßgeschneidertes Lithium-Akkupack die UN 38.3-Prüfung?

Bei der Entwicklung eines kundenspezifischen Lithium-Akkupacks für ein bestimmtes Gerät oder eine bestimmte Anwendung wählen OEMs häufig zunächst Zellen aus, die ihre geforderten Spannungs-, Kapazitäts- und Leistungsanforderungen erfüllen. Der Zelllieferant stellt möglicherweise bereits die UN-38.3-Prüfdokumentation bereit, was eine wichtige Frage aufwirft: Können diese vorhandenen Testergebnisse den fertigen Akkupack abdecken, oder ist für das individuelle Design zusätzliche Prüfung erforderlich?

Die Antwort hängt von der Batterietypart, ihrer Konfiguration und dem Umfang der vorhandenen Prüfdokumentation ab. Gemäß dem UN-Handbuch für Tests und Kriterien unterliegen Lithiumzellen und Lithiumbatterien unterschiedlichen Prüfanforderungen. Für wiederaufladbare Lithiumbatterietypen gelten die entsprechenden batteriebezogenen Anforderungen auch dann, wenn die Batterien aus zuvor geprüften Zellen zusammengesetzt werden.

Dieser Unterschied ist entscheidend, wenn ein OEM die Zellkonfiguration ändert, ein Batteriemanagementsystem (BMS) integriert oder ein neues Gehäuse entwickelt. Ein frühzeitiges Verständnis dieser Anforderungen kann helfen, Lücken in der Dokumentation und unerwartete Prüfarbeiten später im Entwicklungsprozess zu vermeiden.

Braucht ein maßgeschneidertes Lithium-Akkupack eine UN-38.3-Prüfung?

UN 38.3 bezieht sich auf die Prüfanforderungen in Teil III, Unterabschnitt 38.3 des UN-Handbuchs der Tests und Kriterien. Darin werden eine Reihe von Konstruktionsprüfungen festgelegt, die Lithiumzellen und -batterien bestehen müssen, bevor sie zum Transport angeboten werden dürfen, vorbehaltlich der jeweils geltenden Transportvorschriften.

Ob ein kundenspezifisches Akkupack getestet werden muss, hängt davon ab, ob das fertige Design bereits durch einen getesteten Akkutyp abgedeckt ist und welche Anforderungen für diesen Typ gelten. Die vorhandenen UN-38.3-Testergebnisse einer Zelle belegen nicht automatisch, dass ein separat entwickeltes Akkupack die anwendbaren Anforderungen auf Akkuebene erfüllt.</p>

Zellbasierte Prüfung vs. Akkupack-Prüfung

Eine Lithiumzelle„Akku“ und „Lithium-Batterie“ sind unter UN 38.3 keine austauschbaren Begriffe. Ein Akku besteht im Allgemeinen aus zwei oder mehr Zellen, die dauerhaft elektrisch miteinander verbunden sind, sowie aus den für seine Verwendung erforderlichen Komponenten wie Gehäuse, Anschlussklemmen und Kennzeichnung. Ein Einzell-Akku wird in den Definitionen des Handbuchs gesondert behandelt.

Der Prüfungsumfang unterscheidet sich ebenfalls:

• Lithium-Zelltypen: Alle Lithium-Zelltypen unterliegen den Prüfungen T.1 bis T.6 und T.8.
• Nicht wiederaufladbare Lithium-Batterietypen: Diese unterliegen den Prüfungen T.1 bis T.5, einschließlich Batterietypen, die aus zuvor geprüften Zellen bestehen.
• Aufladbare Lithium-Batterietypen: Diese unterliegen den Prüfungen T.1 bis T.5 und T.7, einschließlich Batterietypen, die aus zuvor geprüften Zellen bestehen.

Das Handbuch enthält außerdem eine spezifische Regel für Komponentenzellen, die nicht separat von der Batterie transportiert werden, zu der sie gehören: Diese Zellen müssen nur die Prüfungen T.6 und T.8 durchlaufen. Diese Bestimmung betrifft die Komponentenzellen und darf nicht mit den Prüfanforderungen für die fertige Batterie verwechselt werden.

Wann ist eine zusätzliche Prüfung erforderlich?

Zusätzliche Prüfungen können erforderlich sein, wenn ein kundenspezifisches Akkupack einen anderen Akkutyp darstellt als denjenigen, der durch die bestehende Prüfdokumentation abgedeckt ist.

Zum Beispiel kann ein OEM getestete Lithium-Ionen-Zellen verwenden, aber ein Akkupack mit einer anderen Serien- und Parallelkonfiguration, einem anderen Schutzsystem oder einer anderen mechanischen Struktur entwickeln. Das Ingenieurteam muss bewerten, ob das resultierende Design durch einen bereits getesteten Typ abgedeckt ist oder als neuer Typ gemäß UN 38.3 behandelt werden muss.</p>

Unter Unterabschnitt 38.3.2.2 können bestimmte Änderungen an einer geprüften wiederaufladbaren Zelle oder Batterie zu einem neuen Typ führen. Dazu gehören:</p>

• Eine Änderung von mehr als 20 % der Nennenergie, gemessen in Wattstunden.
• Eine Erhöhung der Nennspannung um mehr als 20 %.
• Eine Änderung, die zum Fehlschlagen eines der vorgeschriebenen Tests führen könnte.

Das Handbuch nennt Beispiele für möglicherweise relevante Konstruktionsänderungen, darunter Änderungen an Elektroden- oder Elektrolytmaterialien, Schutzvorrichtungen, Sicherheitskonstruktionen, der Anzahl der Komponentenzellen sowie der Art und Weise, wie die Komponentenzellen miteinander verbunden sind.

Nicht jede Änderung erfordert automatisch ein vollständig neues Prüfprogramm. Die Auswirkungen der Änderung müssen im Hinblick auf das geprüfte Design und die relevanten Anforderungen bewertet werden. Die OEMs sollten daher den Umfang der bestehenden Dokumentation überprüfen, bevor sie sich bei einem geänderten Batteriedesign auf diese stützen.

Welche Batteriekonstruktionsfaktoren beeinflussen die Prüfanforderungen gemäß UN 38.3?

Ein maßgeschneiderter Akkupack kombiniert elektrische, elektronische und mechanische Komponenten. Jede davon kann das endgültige Design und dessen Beziehung zu einem bereits getesteten Akkutyp beeinflussen.

Deshalb sollten die Anforderungen gemäß UN 38.3 bereits bei der Definition der Batteriearchitektur berücksichtigt werden, anstatt sie bis zum Versand des Akkupacks aufzuschieben.

Zelltyp und Batteriekonfiguration

Die Auswahl der Zellen ist eine der ersten Entscheidungen bei einem individuellen Batterieprojekt. Unterschiedliche Zellchemien, Formate, Abmessungen und elektrische Eigenschaften können die Konstruktions- und Prüfungsüberlegungen für die Batterie beeinflussen.

Die Konfiguration ist ebenfalls entscheidend. Das Ändern der Anzahl der in Reihe oder parallel geschalteten Zellen kann sich auf die Nennspannung, die Kapazität, die Gesamtenergie und die physikalische Anordnung des Akkus auswirken.

Die OEMs sollten definieren:

• Zellchemie und Zellformat, z. B. zylindrische, prismatische oder Beutelzellen.
• Zellhersteller und -modell.
• Serielle und parallele Konfiguration.
• Nennspannung und Kapazität.
• Gesamtnennenergie in Wattstunden.

Diese Spezifikationen bilden die Grundlage für die Bewertung der vorgeschlagenen Batteriearchitektur und den Vergleich mit bestehenden Zellen- oder Batteriedokumentationen.

Akkukapazität und Energiebewertung

Kapazität und Nennenergie der Batterie sind wichtige Spezifikationen sowohl für die Systemauslegung als auch für die Transportklassifizierung.

Für einen Akku wird die Nennenergie im Allgemeinen anhand der Nennspannung und der Nennkapazität berechnet:

Zum Beispiel hat eine Batterie mit einer Nennspannung von 48 V und einer Nennkapazität von 100 Ah eine Nennenergie von 4.800 Wh.

Die nominelle Energienennleistung sollte in der Batteriespezifikation und der UN 38.3-Prüfzusammenfassung konsistent sein. Sie liefert außerdem eine wichtige Referenz bei der Bewertung von Änderungen an einem geprüften wiederaufladbaren Batterietyp.

BMS- und Schutzdesign

Die Batteriemanagementsystem ist für die Überwachung und Steuerung wichtiger Batteriebetriebsbedingungen zuständig. Je nach Anwendung können seine Funktionen die Überwachung der Einzelzellenspannung, die Temperaturüberwachung, den Stromschutz, das Ausbalancieren und die Kommunikation mit der Host-Ausrüstung umfassen.

Die Hardware und Software des BMS können ebenfalls für die UN 38.3-Bewertung von Konstruktionsänderungen relevant sein. Im Handbuch werden Änderungen an Schutzeinrichtungen – einschließlich Hardware und Software – als Beispiele für Modifikationen genannt, die zum Versagen eines vorgeschriebenen Tests führen könnten.

Bei der Definition eines benutzerdefinierten Akkupacks sollten OEMs folgende Aspekte berücksichtigen:

• Überspannungs- und Unterspannungsschutz.
• Überstrom- und Kurzschlusschutz.
• Temperaturüberwachung und -schutz.
• Strategie zur Zellenausgleichung.
• Kommunikationsschnittstellen wie CAN oder RS485, falls durch die Anwendung erforderlich.

Die Schutzstrategie ist als Teil der Batteriespezifikation zu dokumentieren, einschließlich der Hardware- und Softwarekonfiguration, die im endgültigen Design verwendet wird.

Akkugehäuse und mechanische Struktur

Das Gehäuse schützt die Zellen und internen Komponenten und stellt gleichzeitig die mechanische Schnittstelle zwischen der Batterie und der Host-Ausrüstung bereit.

Das Design kann Befestigungspunkte, strukturelle Stützen, Isolierung, Steckverbinder und Vorkehrungen für das thermische Management umfassen. Diese Merkmale können die Masse, Abmessungen und das mechanische Verhalten der Batterie beeinflussen.

Für OEM-Projekte sollten die Gehäuseanforderungen gemeinsam mit den elektrischen Spezifikationen definiert werden. Wichtige Aspekte umfassen:

• Verfügbarer Installationsraum und Montagemethode.
• Gehäusematerial und konstruktive Gestaltung.
• Steckerverbindungsort und Kabelverlegung.
• Isolier- und Schutzanforderungen.
• Kühl- oder Wärmeabfuhranordnungen.
• Betriebsumgebung, einschließlich Schwingungs- und Temperaturbedingungen.

Eine Gehäuseänderung erfordert nicht automatisch neue UN-38.3-Prüfungen, aber Änderungen, die möglicherweise das Ergebnis einer vorgeschriebenen Prüfung beeinflussen könnten, müssen im Hinblick auf das bereits geprüfte Design bewertet werden.</p>

Was sollten OEMs vor Beginn eines kundenspezifischen Akku-Projekts vorbereiten?

Klare Projektanforderungen helfen Batterieherstellern bei der Bewertung des Designs, der Auswahl geeigneter Zellen und der Identifizierung möglicher Konformitätsaspekte vor der Prototypentwicklung.</p>

Die OEMs müssen nicht bereits zu Beginn jedes technische Detail festlegen. Die Vorbereitung der folgenden Informationen kann jedoch die erste technische Bewertung genauer machen.

Elektrische und Leistungsanforderungen

Beginnen Sie mit den elektrischen Anforderungen der Geräte oder des Systems, das von der Batterie versorgt wird.

Relevante Informationen umfassen:

• Erforderliche Nennspannung und Betriebsspannungsbereich.
• Zielkapazität und Energieeffizienzklasse.
• Dauer- und Spitzenentladestrom.
• Ladestrom und Ladeverfahren.
• Erwartete Betriebszeit und Einschaltdauer.</p>
• Erforderliche Zyklenlebensdauer und Betriebslebensdauer.
• Kommunikationsprotokolle und Datenanforderungen.

Diese Informationen geben dem technischen Team einen klaren Ausgangspunkt für die Bewertung der Zelloptionen und die Definition der elektrischen Leistung des Akkus.

Für ein praktisches Beispiel der Informationen, die bei der Angabe einer benutzerdefinierten USV-Batterie benötigt werden, siehe individuelle Anforderungen an Lithium-USV-Batterien.

Mechanische und umweltbedingte Anforderungen

Die Batterie muss in den verfügbaren Einbauraum passen und unter den in der Anwendung erwarteten Bedingungen betrieben werden.

Die OEMs sollten bereitstellen:

• Maximale Batterieabmessungen und -gewicht.
• Montageposition und mechanische Schnittstelle.
• Steckertyp und Anschlussposition.
• Betriebs- und Lagertemperaturbereiche.
• Vibration, Stoß und andere Umgebungsbedingungen.
• Kühl-, Lüftungs- oder thermische Managementanforderungen.

Wo die Batterie in Industrieanlagen, medizinischen Geräten, Notstromversorgungssystemen oder anderen speziellen Anwendungen installiert wird, sollte der OEM außerdem alle anwendungsspezifischen Sicherheits- und Integrationsanforderungen identifizieren.

Transport- und Compliance-Anforderungen

Die Anforderungen an den Transport sollten besprochen werden, bevor das endgültige Batteriedesign genehmigt wird.

Die OEMs sollten klären:

• Ob die Batterien separat oder bereits in Geräten eingebaut versandt werden.</p>
• Erwartete Transportarten, wie Luft-, See- oder Straßenverkehr.
• Zielmärkte und anzuwendende Transportvorschriften.
• Erforderliche UN-38.3-Dokumentation.
• Weitere produkt-, system- oder marktspezifische Konformitätsanforderungen.

UN 38.3 regelt die Konstruktionsprüfung von Lithiumzellen und -batterien für den Transport. Sie ersetzt nicht alle anderen Transportverpflichtungen. Verpackung, Kennzeichnung, Etikettierung, Dokumentation und Versandbedingungen müssen ebenfalls anhand der jeweils geltenden Vorschriften geprüft werden, beispielsweise der ADR für den Straßenverkehr, des IMDG-Codes für den Seeverkehr und der IATA-Vorschriften für gefährliche Güter für den Luftverkehr.</p>

Diese Anforderungen frühzeitig festzulegen, hilft dem OEM und dem Batteriehersteller dabei, die Dokumentations- und Prüfarbeiten zu identifizieren, die möglicherweise vor der Auslieferung erforderlich sind.

Wie kann ein ODM-Batteriehersteller die Einhaltung der UN 38.3 unterstützen?

Für OEMs, die eine Batterie mit spezifischen elektrischen, mechanischen und Kommunikationsanforderungen entwickeln, kann ein ODM-Partner dabei helfen, Entscheidungen zum Produktdesign mit Überlegungen zu Tests und Dokumentation zu verbinden.</p>

Die Rolle des Herstellers besteht darin, den Konstruktionsprozess zu unterstützen und die erforderliche Konformitätsarbeit zu koordinieren. Die UN 38.3-Prüfung selbst muss von einer qualifizierten Prüfstelle durchgeführt werden, und die anzuwendende Prüfdokumentation muss dem jeweiligen Zell- oder Batterietyp entsprechen.

ACE Battery bietet Individuelle Akkukonstruktion und -fertigung Unterstützung für OEM-/ODM-Projekte, um Kunden bei der Bewältigung ihrer Anforderungen an Batterien – von der Zellauswahl und Packarchitektur bis hin zur BMS-Integration und Prototypentwicklung – zu helfen.

Zellenauswahl und Akkupack-Konstruktion

Ein ODM-Batteriehersteller kann dabei helfen, die Zelloptionen anhand der Spannungs-, Kapazitäts-, Entlade-, Lade-, Größen- und Betriebsanforderungen des OEM zu bewerten.

Die ausgewählten Zellen bilden dann die Grundlage der Batteriepack-Architektur, einschließlich der Reihen- und Parallelkonfiguration, der elektrischen Verbindungen, des Gehäuses und der Schutzstrategie.

In diesem Stadium sollte der Hersteller auch die verfügbare Dokumentation auf Zellebene prüfen und feststellen, ob das vorgeschlagene Batteriedesign möglicherweise eigene, anwendbare UN-38.3-Tests erfordert.

BMS-Integration und Prototypentwicklung

Das BMS muss auf die Batteriekonfiguration und die Anforderungen der Host-Ausrüstung ausgerichtet sein. Dazu gehört die Definition von Schutzfunktionen, Überwachungsparametern, Kommunikationsschnittstellen und Systemintegrationsanforderungen.

Die Prototypentwicklung ermöglicht es dem OEM und dem Hersteller, zu bewerten, ob die Batterie ihre elektrischen, mechanischen und funktionalen Spezifikationen erfüllt.

Die Bewertung des Prototyps ermöglicht es dem Ingenieurteam zudem, Konstruktionsprobleme zu identifizieren, die Systemintegration zu verifizieren und die technischen Informationen vorzubereiten, die für die anschließenden Tests erforderlich sind.

Weitere Informationen zu Batteriekommunikation und Integrationsaspekten finden Sie unter Individuelle Akkupack-Konstruktion und -Integration.

Testkoordination und Dokumentation

Sobald das Batteriedesign ausreichend definiert ist, kann der Hersteller die Vorbereitung von Proben und technischen Informationen für die jeweils geltenden UN-38.3-Tests unterstützen.

Die OEMs sollten auf die Beziehung zwischen der Prüfdokumentation und der zu erwerbenden Batterie achten. Unter Abschnitt 38.3.5 umfasst die Prüfzusammenfassung Informationen wie Hersteller, Prüflabor, Berichtsreferenz, Prüfdatum, Batteriebeschreibung, Modellnummer, Wattstunden-Angabe und Prüfergebnisse.</p>

Bei der Überprüfung der Dokumentation eines Lieferanten stellen Sie sicher, dass:

• Der Hersteller und das Batteriemodell entsprechen dem gelieferten Produkt.
• Die physikalische Beschreibung, die Masse und die Wattstunden-Angabe stimmen mit der Batteriespezifikation überein.
• Die aufgeführten Tests und Ergebnisse sind für den Batterietyp geeignet.
• Dokument verweist auf die geltende Ausgabe des UN-Handbuchs für Prüfverfahren und Kriterien.
• Jegliche relevante Prüfinformationen für die zusammengesetzte Batterie sind enthalten.

Eine Testbericht enthält die detaillierten Aufzeichnungen der durchgeführten Prüfung, während ein Testzusammenfassungbietet die standardisierte Information gemäß Unterabschnitt 38.3.5. Die Hersteller von Originalausrüstung (OEMs) sollten die Prüfzusammenfassung für den jeweiligen Zellen- oder Batterietyp anfordern und gegebenenfalls die Verfügbarkeit des zugehörigen Prüfberichts klären.

Planen Sie die Anforderungen gemäß UN 38.3 frühzeitig in Ihrem individuellen Akku-Projekt

Für OEMs, die maßgeschneiderte Lithium-Batteriepacks entwickeln, sollte UN 38.3 neben der Zellauswahl, der Batteriekonfiguration, dem BMS-Design und der mechanischen Integration berücksichtigt werden.

Die Überprüfung der endgültigen Batteriekonfiguration anhand der bestehenden Testdokumentation vor der Freigabe des Designs hilft OEMs dabei, potenzielle Lücken bei den Tests zu identifizieren und die erforderliche Konformitätsarbeit zu planen.

Frühzeitige Abstimmung zwischen dem OEM und dem Batteriehersteller hilft dabei, den Prüfumfang, die Dokumentationsanforderungen und die Projektverantwortlichkeiten festzulegen, bevor die Batterie in die Serienfertigung geht.</p>