Batterien und Akkupacks für Embedded-Produkte zertifizieren

Wiederaufladbare Batteriepacks, die eine oder mehrere NiMH- oder Lithiumzellen enthalten, sind hochkonzentrierte Quellen elektrischer Energie. Die Hersteller wenden sehr viel Sorgfalt auf, damit Zellen und Batteriepacks im normalen Gebrauch sicher sind. Sie müssen jedoch auch gewährleisten, dass die Batterien auch bei Missbrauch keine Gefahr darstellen. Missbrauch und Fehlbedienung können sehr schnell auftreten, wenn Produkte vermarktet und von normalen Anwendern statt von Entwicklungsingenieuren benutzt werden.

Die Pflichten der Hersteller, die Batterien einzusetzen und für einen sicheren Gebrauch zu sorgen, sind in Normen und Vorschriften festgelegt: die International Electrotechnical Commission ist das internationale Normierungsorgan für technische Geräte, in denen sich Batterien befinden, und ihre Norm IEC62133 regelt die Sicherheitsanforderungen an Sekundärzellen (wiederaufladbare).

Fehlanwendung vorhersehen

Die IEC62133 definiert eine Reihe von Prüfungen, die die Batteriepacks bestehen müssen. Diese Prüfungen decken sowohl den normalen Betrieb (bestimmungsgemäßer Gebrauch) als auch „vernünftigerweise vorhersehbare Fehlanwendungen“ ab. Das bedeutet zum Beispiel, dass ein Benutzer die Akkupacks bei extrem hohen oder niedrigen Temperaturen, die weit über die Nennwerte hinausgehen, laden und entladen kann, ohne sich zu gefährden. Außerdem müssen die Akkupacks ohne Gefahr Beanspruchungen durch Überladung, mechanische Stöße, zu hohe Laderaten und verschiedene andere Fehlanwendungen bestehen können.

Je nach Land und Region gelten unterschiedliche Kennzeichnungspflichten für Akkus und BatteriepacksVarta Microbattery

Diese internationale Norm IEC62133 sollte eigentlich einen einheitlichen Rahmen für die Zertifizierung der Sicherheit darstellen, den jeder Hersteller überall auf der Welt einhalten müsste, um seine Produkte weltweit zu vermarkten. Die Realität sieht leider anders aus.

Die Norm allein genügt nicht

Neben der IEC62133 bringen die Regierungen souveräner Staaten oder Regionen, zum Beispiel Europa, ihre eigenen Vorschriften zu den Sicherheitsanforderungen und der Kennzeichnung eingebauter Akkumulatoren ins Spiel. Sie bauen zwar alle auf den Bestimmungen von IEC62133 auf, unterscheiden sich jedoch in Einzelheiten. Die japanische PSE-Zertifizierung enthält beispielsweise, ganz wie IEC62133, Anforderungen zur Sicherheit im bestimmungsgemäßen Gebrauch und bei vernünftigerweise vorhersehbarer Fehlanwendung. Die japanische Version der ministeriellen Verordnung für die Festlegung technischer Standards für Elektrogeräte (Lithium-Ionen-Sekundärbatterien), Tabelle 9, enthält jedoch spezifische Bedingungen und Kriterien zur Prüfung von Akkupacks. Damit sind, auch bei vorliegender Zertifizierung nach IEC62133, für eine PSE-Zertifizierung zusätzliche Prüfungen erforderlich.

Das koreanische KC-Zertifikat schreibt seinerseits vor, dass das Akkupack ähnlichen Bedingungen für den bestimmungsgemäßen Gebrauch und die vorhersehbare Fehlanwendung entspricht. Die Prüfkriterien für das KC-Zertifikat in Korea beruhen aber auf Anhang 5 der koreanischen Selbsterklärung zur Sicherheit (Teil 2).

Risiken durch Zertifizierungsaufwand

Die Europäische Union schreibt zusätzlich zur IEC62133-Norm eine CE-Kennzeichnung vor.Varta Microbattery

Diese kleinen aber erheblichen Unterschiede bei den Prüfanordnungen, Sicherheitskriterien oder Anforderungen zur Kennzeichnung wiederholen sich auf der ganzen Welt. Russland verlangt das eigene Gost-R-Zertifikat, Australien und Neuseeland wenden das C-Tick-Modell an, China hat ein CQC-Zertifikat und die Europäische Union schreibt die CE-Kennzeichnung vor. Selbst innerhalb der EU haben Deutschland und Dänemark weiterhin eigene (freiwillige) Sicherheitszertifikate, die auf IEC62133 aufbauen. In Deutschland ist dies das GS-Zeichen und Dänemark das D-Zeichen.

Das Risiko für OEMs, die elektronische Geräte herstellen, liegt nicht so sehr bei möglichen Verzögerung und Kosten durch die Zertifizierung eines Akkupacks, denn ein gewisses Maß an Zeit und Kosten ist unvermeidlich. Das eigentliche Risiko ist viel mehr, dass der Zeit- und Kostenaufwand unvorhersehbar werden kann, wenn der Zertifizierungsprozess nicht entsprechend organisiert wird. Diese Unvorhersehbarkeit kann dazu führen, dass Entwicklungsbudgets überschritten und Termine für die Markteinführung nicht eingehalten werden.

Wie sollte der Zertifizierungsprozess also organisiert werden, damit die Zertifizierungskosten und der Zeitaufwand überschaubar und im angemessenen Rahmen bleiben? Dafür sind drei wesentliche Schritte nötig.

Schritt 1: Rechtzeitige Planung

Der erste und wichtigste Schritt ist die Planung der Zertifizierung des Akkupacks gleich zu Beginn des Entwicklungsprojekts für das Endprodukt. Ziel hierbei sollte sein, die Batterie bei den Prüf- oder Zertifizierungseinrichtungen in dem vollen Vertrauen vorlegen zu können, dass sie die Prüfungen besteht. Nicht bestandene Prüfungen schaden gleich mehrfach. Sie führen zu kostspieligen Überarbeitungen der Akkupacks, erneuter Vorlage bei der Prüfeinrichtung, zusätzlichen Prüfgebühren und, schlimmer noch, Zeitverlust durch die Überarbeitung und erneute Prüfung der Batterie und verzögern damit die Markteinführung.

Die beste Voraussetzung, dafür, dass die Prüfungen bereits beim ersten Mal erfolgreich verlaufen, besteht darin, die Prüfanforderungen zu verstehen, bevor überhaupt mit der Entwicklung der Batterie begonnen wird. Diese Anforderungen müssen anschließend bei der Auswahl der Zellen und der Entwicklung des Gehäuses des Akkupacks, der Anschlüsse sowie der Schutz- und Regelschaltung so berücksichtigt werden, dass ihre Erfüllung sozusagen in das Produkt hineinkonstruiert wird.

Schritt 2: Enge Auswahl

Der zweite Schritt besteht darin, zu bestimmen, welche Zertifikate für das Akkupack tatsächlich erforderlich sind. Der OEM muss dabei die folgenden Faktoren berücksichtigen:

• Die Länder, in denen das Endprodukt vertrieben werden soll.
• Die Anwendungen, für die es eingesetzt werden soll.
• Die Position der Batterie im Endprodukt. Ist sie im Endprodukt eingebaut oder handelt es sich um eine getrennte, abnehmbare Komponente?
• Wie wird das Endprodukt versandt? Könnte die Batterie getrennt versandt werden – zum Beispiel als Ersatzteil über den Kundendienst – und falls ja, wie?
• Wie hoch ist die Energiedichte der Zellen des Akkupacks?

Der OEM muss über genaues und aktuelles Wissen zu den Sicherheitsvorschriften für Akkus in allen Ländern verfügen, in denen das Produkt vertrieben werden soll. In Japan gilt für Akkupacks, wie beschrieben, grundsätzlich die PSE-Kennzeichnung. Sie ist jedoch nur für Batterien mit Lithium-Ionen-Zellen vorgeschrieben, deren Energiedichte über 400 Wh/l beträgt. Außerdem gilt PSE nicht für Batterien in Automobilen und Motorrädern und auch nicht für Batterien in medizinischen und industriellen Geräten.

Schritt 3: Die richtigen Leute

Der dritte Schritt beim erfolgreichen Management des Zertifizierungsprozesses ergibt sich aus den beiden ersten: man braucht die richtigen Menschen, um den Ablauf zu steuern und zu leiten. Diese Fachleute benötigen umfassende Kenntnisse der Bestimmungen zur Sicherheitszertifizierung. Bei großen, weltweit tätigen OEM könnte eine zentrale technische Ressource dieses Wissen zur Erfüllung der Normen bündeln.

Ebenso kann ein Dritter, zum Beispiel Varta Microbattery, das Wissen zur Verfügung stellen, um die Hersteller von Endprodukten durch den Zertifizierungsprozess der Batterien zu begleiten. Der Batteriehersteller ist sowieso ständig mit den Bestimmungen zur Batteriezertifizierung und den Prüfeinrichtungen befasst und daher jederzeit über die Regeln in allen Teilen der Welt informiert.

Weltweite Vereinheitlichung der Normen

Damit die Situation für Hersteller elektronischer Geräte sich mittelfristig bessert, hat das IECEE (International Electrotechnical Committee for Conformity Testing to Standards for Electrical Equipment) das CB-Programm ins Leben gerufen. Dieses sieht die gegenseitige Anerkennung der Prüfberichte durch die teilnehmenden Einrichtungen zur Sicherheitszertifizierung vor. Am CB-Programm nehmen Zertifizierungseinrichtungen in über 40 Ländern in Nord- und Südamerika, Europa, Asien, Australien und Afrika teil.

Jedes Land verfügt über eine oder mehrere vom IECEE anerkannte Organisationen als nationales Zertifizierungsorgan (NCB). Dabei zertifiziert ein beliebiges NCB das Endprodukt nach allen vereinheitlichten Normen unter Berücksichtigung eventueller nationaler Unterschiede in den Ländern, in denen das Produkt auf den Markt gebracht werden könnte.

Das NCB gibt ein CB-Prüfzertifikat und einen CB-Prüfbericht heraus. Hiermit kann der Hersteller anschließend die nationalen Zertifikate in den teilnehmenden Ländern beantragen. Ein OEM muss damit, wenn er das CB-Programm nutzt, sein Akkupack nur noch bei einer Prüfeinrichtung vorlegen, und dies unabhängig davon, in wie vielen Ländern oder Regionen das Endprodukt vermarktet werden soll.

Schneller zum Zertifikat

Diese Vorgehensweise führt zu einem deutlich schnelleren und kostengünstigeren Zertifizierungsprozess. Nach der Erfahrung von Varta Microbattery lassen sich mit dem CB-Programm bis zu 20 Prozent der Kosten einer Batteriezertifizierung für mehrere Regionen einsparen. OEM von Elektronikgeräten, die die Vermarktung eines Produkts mit eingebautem Akkupack in mehreren Ländern planen, sollten zu Beginn der Produktentwicklung unbedingt das CB-Programm in Erwägung ziehen.

(lei)