22 Sicherheitskonzept

Lithium Akkus und generell der Umgang mit Batterien und hohen Strömen ist nicht ganz ungefährlich.

Zur Brandgefahr von LiIon Akkus geistern oft auch viele unbestimmte Schreckensszenarien in den Kopfen der Menschen herum.

Hinzu kommen dann auch entsprechende Berichte in den Medien.

 

Hier mal zwei abschreckende, aber sehr interessante Beiträge zur Brandgefahr von Akkus:

->  Unberechenbar? Wenn Akkus und Batterien zur Gefahr werden | Exakt - Die Story | MDR @ Youtube

 

 

oder auch hier:

Moin,
hier im Nachbarort hat es gestern dann mal offensichtlich Ratlosigkeit gegeben:

"Brennende Lithium-Ionen-Akkus im Keller eines Einfamilienhauses sorgen für langen Einsatz"

Zeitungsartikel mit Bild vom Einsatz

Gruß
Jan

-> zum Ursprungsthread @ PV-Forum

 

 

Klar ist: 

Hier hilft kein Kleinreden, kein "Augen zu und durch" oder "mir wird das schon nicht passieren".

 

Aber:

Nicht selten ist den Menschen unklar, was genau passieren kann und wieso es passiert, geschweige denn, ob und wie man einen Schadensfall im Vorfeld verhindern könnte.

 

Das einzige was hilft:

sich vor Baubeginn mit der Thematik LiIon / Akku / Strom / Brandgefahr intensiv auseinanderzusetzen und danach erst zu entscheiden, ob man eine  Powerwall aus LiIon Zellen bauen möchte oder nicht - und dann dementsprechend Vorkehrungen zu treffen.

Die mit großem Abstand allermeisten Akkubrände passieren übrigens nicht bei Selbstbau, sondern im Bereich Unterhaltungselektronik.

• Handys, die durch Dauerbenutzung überhitzen
• (billige) Elektrospielzeuge ohne Schutzmechanismen
• eBike-Akkus deren Ladegerät versagt und den Akku unzulässig überladen
• Verdampfer, Drohnen, Hoverboards, ...

 

Hier möchte ich so gut mir möglich ist einige Tipps und Informationen bereit stellen, um die DIY 18650 Powerwall soweit irgend möglich ungefährlich zu konstruieren.

Gleich Vorweg: 

es gibt keine 100%-ige Sicherheit, ein Restrisiko bleibt immer. Aber wenn DU die nachfolgenden Punkte beherzigst bleibt es äußerst gering.

 

Es gibt bestimmt noch andere, weitgehendere Methoden, aber ich für mich habe folgendes Sicherheitskonzept erarbeitet:

 

 

 

Sicherheitskonzept - Kurzform

Zunächst als Übersicht eine Kurzfassung meines Sicherheitskonzetes. Ausführlicher und mit vielen Details dann weiter unten.

 

1. Unfallvermeidung im Vorfeld

• alle Zellen einzeln auf Herz und Nieren testen in einem mehrstufigen Testverfahren und erst dann verwenden, wenn alle Werte einwandfrei sind
• Kabel, Verbinder, Elektronikbauteile so dimensionieren, dass immer Leistungsreserven da sind und sich nichts erhitzt
• die Akkupacks in einem Bereich benutzen, wo sie kaum Leistung bringen müssen (0,5A je Zelle) und schonen / ohne Erwärmung betrieben werden

 

2. Unfallvermeidung im Betrieb

Mehrere Sicherheitsmechanismen parallel

• wie Einzelabsicherung auf Zellebene (Sicherungsdraht)
• DC-Sicherungen zwischen Akku und Wechselrichter
• BMS mit Über- und Unterspannungsschutz auf Einzelzellebene, Überlast- sowie Übertemperaturschutz
• Wechselrichter mit Über- / Unterspannungsschutz sowie Überlastschutz auf Packebene
  
  

3. Unfallminimierung im Ernstfall

Sollte im laufenden Betrieb eine Zelle schadhaft werden (durch Alterung, Produktionsmangel) und im schlimmsten Fall sich so stark erhitzen, dass sie Feuer fängt dann wäre der Worst-Case ein Thermal Runaway, also eine Kettenreaktion, bei der die benachbarten Zellen ebenfalls erhitzt werden und Feuer fangen.

Ich setze hier an zwei Punkten an:

• Separatoren zwischen den Akkupacks, damit sich eine Kettenreaktion nur auf das betroffene Akkupack beschränkt und nicht auf andere Packs übergreifen kann. Und wenn dann nur zeitverzögert, wodurch ein Thermal Runaway zumindest stark abgeschwächt wird
• feuerfestes Gehäuse. Falls alle Maßnahmen von der Vorauswahl der Zellen, über die verschiedenen Absicherungen und technischen Schutzeinrichtungen erfolglos bleiben, dann können die Akkus gefahrlos innerhalb des feuerfest ausgekleideten Metallspindes ausbrennen und fertig

Sicherheitskonzept - ausführlich

 

 

1. Unfallvermeidung im Vorfeld

1.1  alle Zellen einzeln auf Herz und Nieren testen in einem mehrstufigen Testverfahren und erst dann verwenden, wenn alle Werte einwandfrei sind

1. Sichtprüfung:  äußerlich erkennbare Schäden wie Undichtigkeit / Elektrolytverlust, Löcher im Zellenboden durch Entfernen der Nickelstreifen, Rost (auch kleinste Roststellen), Dellen / Knicke im Zellmantel -> solche Zellen werden gnadenlos aussortiert und wandern zum Wertstoffhof
2. Spannungsprüfung: Tiefenentladung (= 2,5V und niedriger) schädigt Li-Ion Zellen. Hier kommt es auf die Dauer der Tiefenentladung an, je länger desto schädlicher. Ich entsorge solche tiefentladenen sowie 0-Volt-Zellen, bei denen ich nicht weiß, wie lange sie schon tiefenentladen sind. Dazu gehören generell alle Zellen aus Laptopakkus. Viele Powerwall-Bastler lassen einmal getestete Zellen noch rund 4 Wochen ruhen und prüfen die Spannung danach erneut um einen Spannungsverlust zu messen. Ich mache das nicht da der Aufwand bei über 10.000 Zellen einfach zu hoch ist, und ich minimal abfallende Spannungen vertreten kann da ich in all meinen Systemen aktive Balancer verbaut habe, die das ausgleichen.
3. Innenwiderstand:  alle Zellen werden mit einem speziellen Messgerät auf ihren internen Widerstand hin geprüft s. hier im Menü Punkt 17 Innenwiderstand Ri
4. Kapazitätstest:  alle Zellen werden einzeln auf ihre Rest-Kapazität hin geprüft. Zellen mit weniger als 70% ihrer ursprünglichen Kapazität haben bereits zu viel geschuftet und werden entsorgt, die guten Zellen werden nach ihrer Kapazität in 50mAh-Schritten in Boxen sortiert s. 15 Ladegeräte + Kapazitätstester
5. Heater:  das sind Zellen, die beim Ladevorgang Energie in Hitze umwandeln anstatt in Aufladung. Das kann dazu führen, dass sie so heiß werden, dass sie Feuer fangen. Man erkennt sie während des Kapazitätstests wenn die dort sehr heiß werden, aber idR auch während der Innenwiderstandsprüfung durch einen hohen Wert meist weit über 100mOhm. Hilfreich ist hier auch eine Wärmebildkamera, um Heater zu identifizieren, s. auch -> 10 Werkzeuge + Messgeräte

 

 

 

1.2  Kabel, Verbinder, Elektronikbauteile so dimensionieren, dass immer Leistungsreserven da sind und sich nichts erhitzt

Ich benutze immer einen Online-Rechner um verlässliche Angaben zu erhalten, wie dick die Kabel und Busbars ausgelegt sein müssen, um die geplante Stromstärke zu verkraften ->  Kabellängen & Kabelquerschnitts Rechner @ elektroinstallation-ratgeber.de

Ich habe ein 48V Akkusystem und hauptsächlich Akkupacks mit 60 Zellen parallel. Die Einzelzellen möchte ich mit maximal 1A belasten, also ist 60A das absolute Maximum insgesamt - und das auch nur kurzfristig. Laut dem Online-Rechner ist ein 16mm² Kupferkabel für 60A ausreichend solange man nicht mehr wie 3,5m Kabellänge hat.

Dasselbe gilt für die Kupfer-Busbar, die muss dann entsprechend denselben Durchmesser haben wie die Verbindungskabel zwischen Akkupack und Wechselrichter / Solar-Laderegler.

Bei den Verbindern:  keine Lüsterklemmen, keine Kabel einfach nur verdrillen oder sonstwie zusammenfriemeln sondern vernünftige Ringkabelschuhe und Verschraubungen nutzen.

 

 

 

1.3  die Akkupacks in einem Bereich benutzen, wo sie kaum Leistung bringen müssen (0,5A je Zelle) und schonen / ohne Erwärmung betrieben werden

1. Stromstärke: ja, 18650er Zellen können idR 10A und auch mehr leisten. Aber:  nicht dauerhaft und nicht, ohne sich dabei zu erhitzen. Noch dazu benutze ich gebrauchte Zellen, daher halte ich mich an die Vorgabe:  maximal 1A Lade- und auch Entladestrom je Zelle, und das auch nur kurzzeitig. Für den Dauerbetrieb strebe ich 0,5A je Zelle an. In diesem Bereich erwärmen sich die Zellen auch bei langer Lade- und Entladedauer nicht was ein Plus an Sicherheit und an Lebensdauer mit sich bringt da hohe Temperaturen schlecht sind für LiIon.
2. Spannungsbereich:  noch wichtiger als die Stromstärke ist die Spannung der Zellen. Üblicherweise geht der nutzbare Spannungsbereich von LiIon Zellen von 2,6V bis 4,20V. Voll geladen hat eine LiIon-Zelle 4,20V und je leerer sie wird, desto weiter sinkt ihre Spannung. Im Bereich um 3,7V hat sie am meisten Energie. Doch der Betrieb an der oberen sowie unteren Spannungsgrenze stresst die Zellchemie und lässt sie altern. Deswegen benutze ich in der Powerwall einen eingeschränkteren Spannungsbereich von 3,30V - 4,05V das stresst die Zelle weniger und erhöht die Lebensdauer. Hinweis an dieser Stelle:  absolut tödlich für LiIon und häufigste Brandursache ist ein "Überladen" also eine Spannung über 4,20V
3. Temperaturbereich: LiIon mag es nicht kalt. Und auch nicht heiß. 25°C sind die optimale Betriebstemperatur. Bei Temperaturen um +5°C und darunter sinkt die Kapazität sowie auch die Ladeleistung und Entladeleistung. Das Gute:  wenn es wieder wärmer wird steigen die Werte wieder und die LiIon Zellen haben dadurch keinen Schaden genommen. Anders bei Hitze. Temperaturen um 70°C und mehr schädigen LiIon nachhltig

 

 

 

Bildquellen:  Thermal management investigation for lithium-ion battery module with different phase change materials

 

 

 

2. Unfallvermeidung im Betrieb

Nach der Vorsortierung der Zellen kann es dennoch im laufenden Betrieb zu Ausfällen und Fehlern kommen, sei es durch Versagen oder einfach durch Alterung der Zellen. Aus diesem Grund setze ich auf mehrere Sicherheitsmechanismen parallel

2.1  Einzelabsicherung auf Zellebene (Sicherungsdraht)

Jede Zelle sichere ich einzeln ab mittels Sicherungsdraht / Fuse wire. Und zwar in 0,2mm Stärke = 5A Absicherung. Ich benutze diesen hier -> eBay-Link (seit Brexit leider mit extrem teurem Porto, aber es gibt kaum Alternativen).

Prinzipiell geht jeder 0,2mm Kupferdraht, das Problem ist nur dass man hier entweder nur Bastel- / und Schmuckdraht findet = nur kurze Längen, oder Trafodraht um Spulen zu wickeln = emailliert (isoliert mit Lack) was sich nicht ohne weiteres löten lässt.

Bei Sicherungsdraht ist zu beachten, dass die Ampèrezahl bei der er durchbrennt variiert mit der Länge des Drahtes, s. auch hier -> Diy Tesla Powerwall ep15 Testing Cell Level Fuse Wire Part 2 Shocking Results @ Youtube, Average Joe

 

Das ist auch einer der Hauptgründe, weswegen Punktschweißen / Spotwelding für DIY Powerwalls nicht in Frage kommen sollte, da man hier keine gescheite Einzelabsicherung machen kann s. auch hier -> 20 Löten - Anleitung für Akkus

 

 

2.2  DC-Sicherungen zwischen Akku und Wechselrichter

Trotz Zell-Einzelabsicherung mit Sicherungsdraht ist eine Sicherung zwischen dem kompletten Akkupack und dem weiteren System enorm wichtig, denn im Falle eines Fehlers / eines Kurzschlusses fließen hier bei 60 Zellen und 5A Sicherungsdraht für einen kurzen Moment 60 x 5A = 300A (= genug um 15mm Stahl zu schweißen) x 48V = 14.400 Watt.

Das will man nicht haben, also ist eine zusätzliche Sicherung sinnvoll. Beim geplanten 60A maximaler Leistungsentnahme benutze ich einen 63A Sicherung. Und zwar weder eine KFZ-Flachsicherung noch einer Keramiksicherung die durchbrennt und erstrecht keine schaltbare 12V KFZ-Sicherung so wie hier

Solch eine Sicherung mit 100A hatte ich ganz zu Anfangs verbaut und die ist bei 25A Dauerstrom bereits so heiß geworden, dass man sie kaum noch anfassen konnte.

 

Deswegen benutze ich nur noch Sicherungsautomaten speziell für DC / Gleichspannung und zwar diese von FEEO

• FEEO DC 6-63A
• FEEO DC 125A

 

Die sind sehr hochwertig gebaut, mit CE Zertifikat und bis 500V Gleichspannung ausgelegt. Wichtiger Unterschied gegenüber AD-Sicherungen:  diese hier haben einen speziellen Innenaufbau mit Funkenstrecken-Schutz. PS:  die nutze ich auch als 16A Variante an den PV-Modulen. Diese haben idR um 10A Leistung und man kann sie damit dann auch einfach abschalten, für Wartungsarbeiten o.ä.

 

 

2.3  BMS mit Über- und Unterspannungsschutz auf Einzelzellebene, Überlast- sowie Übertemperaturschutz

Wer behauptet, man könne bei LiIon auf ein BMS verzichten hat keine Ahnung und ist maßlos leichtsinnig. Punkt, da gibt es keine sinnvolle Diskussion und auch keinen Spielraum.

Immer dann wenn Li-Ion Zellen in Reihe geschaltet werden MUSS ein BMS = Battery Management System verwendet werden -> s. 13 BMS + Balancer

Hauptgrund:  Schutz vor Überladung. Zwar kann man im Wechselrichter bzw. im Laderegler die maximale Ladespannung einstellen, z.B. bei einem 14s System wären das 14x 4,20V = 58,8V aber das ist nicht ausreichend.

Folgendes Szenario:

Wenn beispielsweise ein Zellpaket deutlich fitter ist als die anderen 13 (oder weniger schnell altert als der Rest) dann wird es nach einem Entladezyklus, welcher planmäßig bei 3,3V endet vielleicht noch 3,8V haben. Erstmal unkritisch. Das gefährliche geschieht beim Laden.

Das Laden endet dann, wenn die Zellen 4,20V erreicht haben. Rechnet man da die 0,5V des einen fitten Packs dazu hat man ein Problem, denn dieses wird dauerhaft bis 4,70V überladen, bis (vielleicht) mal die Gesamt-Abschaltspannung von 58,8V erreicht wird. Und genau bis das passiert hast man sehr wahrscheinlich einen Thermal Runaway also eine Kettenreaktion, bei der die überladenen, überhitzten AKkus sich entzünden und alle benachbarten Zellen anstecken.

Und genau das verhindert ein BMS da es die Einzelzellspannungen überwacht und den Ladevorgang frühzeitig unterbricht, sobald ein einzelnes Zellpaket (hier in dem Fall das eine fitte Akkupack mit 0,5V höherer Spannung) die Grenze von 4,20V erreicht.

Ein gescheites BMS hat zudem noch weitere Schutzmechanismen:

• Unterspannung
• Überbelastung beim Entladen
• Überbelastung beim Laden
• Überhitzung
• Kurzschlussschutz

Ein BMS sitzt immer im Minus-Strang zwischen Powerwall und Wechselrichter und unterbricht den Kontakt im Fall eines Fehlers.

Ich benutze ein BMS mit all diesen Schutzfunktionen und zudem integriertem aktiven Balancer sowie App ->  14 aktiv Balancer BMS

 

2.4  Wechselrichter mit Über- / Unterspannungsschutz sowie Überlastschutz auf Packebene
Ein weiterer Schutz der gesamten Powerwall sind die Optionen, die Wechselrichter und Laderegler idR bieten

• Überspannungsschutz (= einstellbare maximale Ladespannung)
• Unterspannungsschutz (= einstellbarer Schutz vor Tiefenentladung)
• Überlastschutz (= einstellbarer maximaler Lade- / Entladestrom)

 

2.5  Absicherung AC-seitig

Der Wechselrichter selbst ist natürlich mittels separatem Sicherungsautomaten an das Hausnetz angeschlossen.

• 1x B16 für die kleinen SoyoSource / SG-Series Grid Tie Inverter
• 1x B20 für den Infinisolar E 5.5K
• 3x B16 für den MPP Solar MPI 10k

Also immer nur leicht höhere Absicherungswerte als die maximale Einspeiseleistung des Wechselrichters bzw. sogar darunter, der E 5.5k packt AC-seitig bis zu 25A aber dafür ist meine Stromleitung nicht ausgelegt, also habe ich ihn per Software begrenzt auf 20A.

 

3. Unfallminimierung im Ernstfall

Sollte im laufenden Betrieb eine Zelle schadhaft werden (durch Alterung, Produktionsmangel) und im schlimmsten Fall sich so stark erhitzen, dass sie Feuer fängt dann wäre der Worst-Case ein Thermal Runaway, also eine Kettenreaktion, bei der die benachbarten Zellen ebenfalls erhitzt werden und Feuer fangen.

Ich setze hier an zwei Punkten an:

 

3.1  Separatoren zwischen den Akkupacks

Damit sich eine Kettenreaktion nur auf das betroffene Akkupack beschränkt und nicht auf andere Packs übergreifen kann verwende ich Fermacellplatten in 10mm Stärke (feuerfest > 1.000°C) zwischen den Akkuppacks, darüber, darunter und auch seitlich.

Falls es dann trotzdem zu einem Übergreifen auf ein benachbartes Akkupack kommen sollte dann allenfalls stark zeitverzögert, wodurch ein Thermal Runaway verhindert oder zumindest stark abgeschwächt wird.

Mehr Bilder vom Aufbau der Powerwall mit Fermacell Separatoren hier -> KW06 - DIY 18650 Powerwall Spind 3

 

3.2  feuerfestes Gehäuse

Falls alle bis hierher genannten Maßnahmen von der Vorauswahl der Zellen, über die verschiedenen Absicherungen und technischen Schutzeinrichtungen erfolglos bleiben, dann sind die Akkuzellen dennoch in einem feuerfesten Metallgehäuse untergebracht.

Hier können die Akkus dann gefahrlos ausbrennen und fertig.

Ich habe zwei Arten von feuerfesten Gehäusen gebaut. Mit Metallkisten und mit Spinden, wobei die Art im Grunde identisch ist und sie sich nur in der Größe unterscheiden.

Da dünnses 2mm Metall alleine nicht sicher genug ist um einem Lithiumbrand mit 1.000°C stand zu halten (und falls doch dann würde es root glühen und trotzdem alles drumherum in Brand setzen) habe ich das Gehäuse zunächst von innen isoliert und zwar mit Mineralwolle von Isover in 40mm und mit WLG32.

Die ist einerseits feuerfest bis > 1.000°C und schützt damit das Metallgehäuse, zudem schirmt es die Hitze vom Metallgehäuse durch die Isolierfähigkeit auch ab. Also ist das Metallgehäuse doppelt geschutzt. Die o.g. fermacellplatten hingegen sind zwar feuerfest, aber durch die fehlende Isolierung wird Hitze sehr schnell durch sie hindurch wandern.

Deswegen habe ich mich auch für Mineralwolle in WLG32 entschieden. Das ist die beste aktuell verfügbare Wärmedämmung welche somit vergleichsweise wenig Hitze durchlassen wird.

Leider ist WLG32 in 40mm Stärke sehr unüblich und daher in der Regel in keinem baumarkt vor Ort verfügbar. Im Internet lohnt es sich oftmals auch, für eine Rolle zu bestellen (um 65€ pro Rolle inkl. Versand = ausreichend für einen 3er-Spind und zwei Metallkisten).

Randnotiz:  mehr Infos zu Dämmung und Mineralwolle auch hier in unserem Energiekonzept

 

 

 

1.) Metallkiste für 14s60p System

Bilder vom Bau:  Teil 1 - Teil 2 - Teil 3 - Teil 4 - Teil 5

PS:  die Lüfter + Kühlkörper sind überflüssig, wenn man max. 1A Lade- / Entladestrom pro Zelle einhält

 

 

2.) Spind für entweder 2x separate 14s60p Systeme oder 1x 14s120p System je Abteil

Bilder vom Bau:  Teil1 - Teil 2 - Teil 3 - Teil 4 - Teil 5 - Teil 6