Warum die Wasserstofferkennung ein Muss in Ihrem Li-Ionen-Batteriemanagementsystem ist

Sie benötigen ein Batteriemanagementsystem (BMS) für Lithium-Ionen-Batterien – vielleicht für eine neue Batterieinstallation, ein Energiespeicherprojekt oder zur Einhaltung neuer Sicherheitsstandards. Das BMS fungiert als Gehirn des Batteriesystems: Es überwacht die Leistung, hält Lade- und Entladevorgänge innerhalb sicherer Grenzen und schaltet bei Bedarf ab.

Aber hier ist etwas, was Ihnen vielleicht nicht gesagt wurde: Unter den verschiedenen Gasarten, die unter abnormalen Bedingungen vorhanden sind, ist ein einziges Gas für die Überwachung wichtiger als alle anderen. Die Wasserstofferkennung ist nicht nur hilfreich – sie ist unerlässlich. Und sie sollte Teil jedes modernen, zuverlässigen BMS-Systems sein.

Warum Wasserstoff für die Sicherheit des Lithiumbatteriemanagements wichtig ist

Unter normalen Bedingungen geben Lithium-Ionen-Akkus kein Wasserstoffgas ab. Wenn jedoch etwas schiefgeht – beispielsweise Überladung, Zellschäden, Separatordefekte, interne Kurzschlüsse oder sogar die Bildung winziger Lithiumdendriten im Inneren des Akkus – kann der Akku in einen Zustand geraten, der als thermisches Durchgehen bekannt ist . Dann wird die Situation schnell gefährlich.

Beim thermischen Durchgehen steigt die Temperatur unkontrolliert mit einer Geschwindigkeit von 20 °C pro Minute an. Die kritische Temperatur liegt bei 125 °C und kann bis zu 500 °C erreichen. Diese extreme Hitze führt zum Schmelzen des Separators im Inneren der Batterie, wodurch die kritische Festelektrolyt-Grenzschicht (SEI) beschädigt wird. Die SEI-Schicht ist für den Batteriebetrieb von grundlegender Bedeutung, da sie die Bewegung der Lithium-Ionen erleichtert und gleichzeitig den Elektronenfluss einschränkt. Zersetzt sich diese Schicht, wird die Batteriechemie zunehmend instabil und bricht zusammen.

Eines der Hauptnebenprodukte dieses Abbauprozesses? Wasserstoffgas – zusammen mit Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und anderen giftigen oder brennbaren Gasen.

Untersuchungen haben gezeigt, dass Wasserstoff in den frühen Stadien des thermischen Durchgehens das primäre Gas ist, das freigesetzt wird. Dies macht ihn zu einem idealen Frühwarnindikator. Steigen die Temperaturen weiter über 200 °C, wird die Anode freigelegt, was den Zersetzungsprozess beschleunigt. Ab 300 °C beginnen die Kathodenmaterialien zu zerfallen, was die Gefahr von Verpuffungen und Explosionen deutlich erhöht.

Allerdings ist das hauptsächlich entstehende Gas, Wasserstoff, besonders gefährlich, weil:

• Es ist hochentzündlich
• Es ist geruchlos und unsichtbar
• Es kann sich in engen Räumen ansammeln
• Schon eine geringe Konzentration kann entzünden

Ohne ordnungsgemäße Erkennung und kontinuierliche Überwachung kann sich eine gefährliche Situation ohne Vorwarnung aufbauen, bis es zu spät ist.

Die Rolle der Batteriemanagementsysteme – und wo die Wasserstofferkennung hineinpasst

Sicherheit beginnt mit dem Batteriemanagementsystem (BMS), auch bekannt als Energiespeichermanagementsystem (ESMS). Das BMS überwacht wichtige Batterieleistungsindikatoren wie Ladezustand, Ladezustand, Tiefentladung und Temperatur. Erkennt das BMS Bedingungen, die zu einer Gefahrensituation führen könnten, schaltet es das System umgehend ab. Darüber hinaus optimiert das BMS die Batterieleistung, um maximale Effizienz, Langlebigkeit und Gesamtfunktionalität zu gewährleisten.

Moderne BMS-Systeme können Bedingungen erkennen, die zu thermischen Ereignissen führen könnten, sie können jedoch das Vorhandensein von Wasserstoff, das darauf hinweist, dass bereits ein thermisches Durchgehen begonnen hat, nicht direkt erfassen.

Während das Batteriemanagementsystem (BMS) Laden, Balancieren und Temperaturüberwachung für einen umfassenden Schutz übernimmt, sollte es mit einer Wasserstoffgasdetektion kombiniert werden. Integriert in den Energiespeicher, können Wasserstoffsensoren frühzeitig reagieren und eine Gasansammlung erkennen, bevor sich die Situation verschlimmert. Dadurch gewinnt Ihr System Zeit, um:

• Alarme auslösen
• Batteriemodule ausschalten
• Lüftung einschalten
• Personal alarmieren
• Verhindern Sie Feuer oder Explosionen

Es ist das fehlende Stück, das die elektronische Steuerung mit der Gefahrenminderung in der realen Welt verbindet.

Warum Vorschriften jetzt eine Wasserstofferkennung vorschreiben

Sicherheitsvorschriften und -standards weltweit verlangen zunehmend die Erkennung von Wasserstoff, und Unternehmen können davon ausgehen, dass der Versicherungsschutz diesen Standards entspricht. Zahlreiche Vorschriften und Sicherheitsstandards schreiben den Einsatz von Wasserstofferkennungssystemen in Batterieräumen oder an Standorten mit Lithiumbatterien vor.

• NFPA 855 schreibt Detektionssysteme für brennbare Gase (wie Wasserstoff) in Energiespeichersystemen vor
• UK COSHH Die Vorschriften verlangen von Arbeitgebern, die mit gefährlichen Stoffen wie Wasserstoff verbundenen Risiken zu bewerten und Aktionspläne für Unfälle, Zwischenfälle oder Notfälle zu erstellen.
• IEC 62933-5-2 gibt Empfehlungen zur ESS-Sicherheit, einschließlich Gaserkennungssystemen zur Frühwarnung vor thermischen Ereignissen
• UL 9540A Testmethoden bewerten die Ausbreitung von thermischem Durchgehen in Batterie-Energiespeichersystemen, wobei die Ergebnisse häufig die Anforderungen an die Gaserkennung bestimmen.

Viele örtliche Brandschutzbehörden und Versicherungen fordern mittlerweile Gaswarnsysteme als Bestandteil der Planung von Lithiumlagerräumen.

Fazit : Bei der Installation von Lithiumbatterien ist die Wasserstofferkennung zu erwarten und für das Batteriemanagementsystem von Lithium-Ionen-Batterien oft erforderlich.

Der intelligente Weg zur Integration der Wasserstofferkennung

Nicht alle Gassensoren sind gleich – und viele wurden nicht für den Einsatz mit Lithiumbatterien entwickelt. Hier kommt H2scan ins Spiel.

Die Technologie von H2scan stellt in mehreren entscheidenden Punkten einen deutlichen Fortschritt im Vergleich zu herkömmlichen elektrochemischen oder katalytischen Perlensensoren dar. Unsere Sensoren liefern präzise Messungen ohne Störungen durch andere in Batterieanlagen übliche Gase. Dies ist auf eine wasserstoffspezifische Edelminerallegierung zurückzuführen, die Wasserstoffmoleküle selektiv absorbiert.

Herkömmliche Sensoren erfordern oft eine vierteljährliche Kalibrierung, den Austausch der Sensorelemente alle ein bis zwei Jahre und sind anfällig für Drift und Fehlalarme. H2scan-Sensoren hingegen behalten ihre Genauigkeit über ihre gesamte lange Lebensdauer hinweg ohne diese Probleme bei. Dies reduziert die Wartungskosten drastisch, vermeidet unnötige Vor-Ort-Besuche und beugt den Risiken vor, die mit Sensoren verbunden sind, deren Kalibrierung nicht mehr stimmt. Unsere kontinuierliche Überwachung ermöglicht es, frühzeitig den Batteriezustand zu erkennen und so kostspielige und unvorhergesehene Ausfälle zu vermeiden.

• Unser patentierter Feststoff-Zustands-Wasserstoffsensoren sind ausgelegt für:
• Keine Wartung — selbstkalibrierend ohne Kalibriergase oder Vor-Ort-Besuche, es sei denn, es werden Anomalien festgestellt
• Lange Sensorlebensdauer — passt zum Lebenszyklus Ihres Batteriesystems
• Schnelle, präzise Reaktion — erkennt frühzeitig auch niedrige Wasserstoffwerte
• Einfache Integration — funktioniert mit Ihren vorhandenen SPS-, BMS- oder Alarmsystemen
• Selbstdiagnose — weist Sie automatisch auf Betriebsprobleme hin

Mit dem allgemeinen Positionssensor HY-ALERTA® 5020 von H2scan oder dem eigensicheren Sensor HY-ALERTA® 5320 mit 4-20mA und Modbus- oder Modbus-RTU-Funktionalität in einem NEMA 4X-Gehäuse erfüllen Sie nicht nur eine Konformitätsanforderung – Sie fügen mit unserer marktführenden Gen 5-Technologie eine zusätzliche Sicherheitsebene hinzu.

Abschließende Gedanken: Ein intelligenteres Batteriemanagementsystem umfasst die Wasserstofferkennung

Ihr Batteriemanagementsystem ist die Schaltzentrale. Ohne Wasserstofferkennung erkennt es jedoch eines der gefährlichsten Ausfallsymptome nicht. Lassen Sie nicht zu, dass eine vermeidbare Gasansammlung zu einer Katastrophe wird. Mit einer zuverlässigen Wasserstofferkennung in Ihrem System erhalten Sie frühzeitig Einblick in anormale Zustände und können so Schäden an Ihrer Ausrüstung und Anlage verhindern und vor allem die Sicherheit Ihres Personals gewährleisten. Dank dieser Erkenntnisse können Betriebsteams auf zustandsorientierte Wartungsstrategien umsteigen und so die für regelmäßige Wartungen typischen unnötigen Kosten vermeiden.

Quellen:

1. NFPA 855: Standard für die Installation stationärer Energiespeichersysteme: https://www.nfpa.org/codes-and-standards/all-codes-and-standards/list-of-codes-and-standards/detail?code=855
2. UK COSHH-Vorschriften: https://www.hse.gov.uk/coshh/
3. IEC 62933-5-2: Sicherheitsanforderungen für elektrische Energiespeichersysteme: https://webstore.iec.ch/publication/30966
4. UL 9540A: Testmethode zur Bewertung der thermischen Brandausbreitung in Batterie-Energiespeichersystemen: https://www.ul.com/services/9540a-test-method
5. Feng, X., et al. (2018). „Thermischer Durchgehenmechanismus von Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge: Eine Übersicht.“ Energy Storage Materials, 10, 246-267: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2405829716303453
6. Kong, L., et al. (2018). „Gasentwicklungsverhalten verschiedener Kathodenmaterialien in Lithium-Ionen-Batterien.“ Journal of Power Sources, 396, 358-367: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0378775318304377
7. Lee, JY, et al. (2024). „Eine Studie zur Minderungsmethode des thermischen Durchgehens in Energiespeichersystemen mit Lithium-Ionen-Batterien mittels numerischer Analyse.“ Journal of Energy Storage, 76, 109812: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2352152X24007461

Jeff Donato ist Vertriebsleiter für Sicherheitsprodukte bei der H2scan Corporation, einem führenden Anbieter von Wasserstoffsensorlösungen. Donato ist Mitglied der IEEE PES und Vorsitzender der Arbeitsgruppe 1578 und bringt Fachwissen zu technischen Standards in die Branche ein. Zuvor war Donato als Chief Technology Officer und Chief Marketing Officer bei EnviroGuard tätig und verfügt über umfassende Erfahrung in der Notstrombatteriebranche, die für Stromversorgungssysteme und Sicherheitsanwendungen von entscheidender Bedeutung ist.

Über den Autor: Jeff Donato

Jeff Donato ist Vertriebsleiter für Sicherheitsprodukte bei der H2scan Corporation, einem führenden Anbieter von Wasserstoffsensorlösungen. Donato ist Mitglied der IEEE PES und Vorsitzender der Arbeitsgruppe 1578 und bringt Fachwissen zu technischen Standards in die Branche ein. Zuvor war Donato als Chief Technology Officer und Chief Marketing Officer bei EnviroGuard tätig und verfügt über umfassende Erfahrung in der Notstrombatteriebranche, die für Stromversorgungssysteme und Sicherheitsanwendungen von entscheidender Bedeutung ist.