Wie Trennschalter die passive Sicherheit für E-Auto-Batterien erhöhen

Die Erhöhung der Ausfallsicherheit von Energiespeichern ist oberstes Ziel bei der Entwicklung aktueller E-Autos. Spätestens bei einer Risikobetrachtung wird schnell klar: es ist unzulässig, die Fehlerbetrachtung rein auf die Steuerung und Elektronik zu beschränken. Hier kann der Einsatz eines sekundären Sicherheitssystems zum Schutz vor Totalausfall des Gesamtsystems sinnvoll sein. In Bezug auf die Ausfallsicherheit sind Sekundärsysteme notwendig und nicht überflüssig. Ein möglicher Lösungsansatz ist die gleichzeitige Verwendung eines elektronischen und eines passiven Abschaltsystems.

Rein mechanische, autarke Auslösemechanismen sind bewährte Komponenten in diversen Anwendungen, wie zum Beispiel an Automatik-Schwimmwesten im Offshorebereich oder bei Sprinkleranlagen im Gebäudebrandschutz. Ihr Vorteil ist der einfache Aufbau und die Robustheit dieser Systeme.

Intercable hat diesen Grundsatz weiterverfolgt und ein passives „Failsafe-device“ entwickelt: Die Thermofuse ist ein Hochvolt-Trennschalter, welcher bei Überschreitung einer definierten Temperatur im inneren des Energiespeichers selbständig und irreversibel öffnet (Bild 1).

Die Technik, die hinter der Thermofuse steckt, ist denkbar simpel: Als Aktuator kommt eine Glasampulle (Bild 2) wie bei einer Sprinkleranlage zum Einsatz, welche in diesem Fall jedoch einen elektrischen Hochvolt-Schalter geschlossen hält. Bei Überschreiten einer bestimmten Umgebungstemperatur (Triggertemperatur) platzt die Ampulle und öffnet den Hochvoltschalter. Die Ampulle enthält die ungiftige, nichtleitende Löschflüssigkeit Novec Engineered Fluid von 3M, welche beim Platzen schlagartig in die Schaltkammer expandiert und dort den entstehenden Lichtbogen löscht.

Da die Glasampulle keinen direkten Kontakt zu stromführenden Bauteilen hat, wird die Auslösecharakteristik auch nicht durch die Bestromung beeinflusst. Somit ist lediglich die Umgebungstemperatur ausschlaggebend. Die Thermofuse kann dabei auch gezielt in den Entgasungskanal bzw. Hot-Venting-Bereich von Energiespeichern platziert werden, um die Reaktionszeiten entsprechend zu reduzieren. Dazu ist sogar eine kopfüber-Montage möglich, um die Fensteröffnungen zur Ampulle gut platzieren zu können.

Die Entwicklung dieses Aktuators erfolgte in enger Zusammenarbeit mit der Ahrensburger JOB-Gruppe, Hersteller von Thermo-Bulbs für die Sprinkler – und Automobilindustrie. Diese Ampullen sind alles andere als fragil: mechanischer Schock bis 100 g und eine Axial-Dauerbelastung von 3 kN sind kein Problem für diese Bauteile. Die Auslösecharakteristik ist eindeutig definiert, das Aktivierungsfenster ist zu 100 Prozent reproduzierbar. E-Bulbs sind für Medientechnik in sensiblen Bereichen wie Flucht- und Rettungswege schon Stand der Technik. In Netzteilen, Medizintechnik und Haushaltsgeräte werden die Mini-Feuerlöscher auch schon eindesigned.

Ein weiterer Vorteil der Thermofuse sind dabei die erweiterten Einsatzmöglichkeiten: Da keine aktive Steuerelektronik benötigt wird, ist die Thermofuse auch schon bei der Herstellung und Lagerung von Energiespeicher-Modulen ein wichtiger Beitrag zur Sicherheit.

Ebenso ist auch ein Einsatz bei stationären Energiespeichern als Ergänzung zum bestehenden Gebäudebrandschutz sinnvoll, um im Schadensfall gefährliche Spannungen abzuschalten und Löscheinsätze entsprechend sicherer zu gestalten.

Damit der Trennschalter auch im Brandfall bzw. bei Temperaturen >200 °C noch einwandfrei funktioniert, bestehen sämtliche Einzelteile aus einem speziellen Kunststoff, welcher sogar kurzzeitige Belastungen bis 1000 °C verträgt. Innerhalb weniger Sekunden nach Überschreitung der Triggertemperatur von 140 bis 160 °C trennt die Thermofuse Gleichstrom bis 1000 V/200 A und kurzzeitig Stromspitzen bis 500 A (Bild 3).

Um sämtliche Fail-Szenarien von Brand bis Thermal Runaway darzustellen, werden im hauseigenen Labor von Intercable unterschiedliche Temperatureinträge gewählt, um die Thermofuse auszulösen: von Hot Venting über Thermoschock oder langsamen Temperaturanstieg, bis hin zu direkter Beflammung. Als absoluter Härtetest gilt dabei der direkte pyrotechnische Partikelbeschuss mit 1000 °C und flüssigen Metallpartikeln. Selbst dieser extremen Belastung muss die Struktur standhalten, das System funktionsfähig bleiben und sicher auslösen. Daneben erfolgen auch reelle TP-Nageltests an kompletten Energiespeichern, welche mit dem Trennschalter ausgestattet sind. Ein weiterer Fokus der Prüfungen gilt auch dem Nachweis der Robustheit über Lebensdauer, welche mittels Vibrationstests, Shock-Tests, klimatischer und thermischer Lagerungen und diversen Umwelteinflüssen nachgewiesen wird (Bild 4).

Der nächste Schritt bei der Weiterentwicklung der Thermofuse ist eine Miniaturvariante, welche direkt in den Modulpol integriert ist. Wenn jedes Modul mit einer eigenen Thermofuse ausgestattet ist, lässt sich maximal Redundanz bei minimaler Reaktionszeit erreichen, da bei einem Thermal Runaway jedes infizierte Modul unmittelbar elektrisch getrennt wird und die Wärmeäbertragung über den Modulverbinder zu den Nachbarmodulen unterbrochen ist. Um den geforderten Spannungsklassen von 800 V in aktuellen E-Autos gerecht zu werden, soll die Standard-Ausführung der Thermofuse bis 1000 V bereits 2023 in Serie gehen.