Sicherheit von Elektroautobatterien: thermisches Durchgehen, Schutz und Verhalten bei Vorfällen

Ein Batteriefehler kann lokal begrenzt bleiben oder sich im Batteriepack ausbreiten. Die Sicherheit einer Elektroautobatterie hängt davon ab, Schäden zu verhindern, gefährliche elektrische Ströme zu unterbrechen und die Wärme sowie die Gase einer versagenden Zelle zu begrenzen.

Wie sich Batteriefehler verschärfen können

Ein interner Kurzschluss stellt eine unbeabsichtigte Verbindung zwischen Zellbereichen her, die elektrisch getrennt bleiben müssen. Schäden am Separator können einen internen Kurzschluss zwischen den Elektroden verursachen und Wärme erzeugen. Das Oak Ridge National Laboratory beschreibt, wie der Separator interne Kurzschlüsse verhindert und wie sein Versagen zum thermischen Durchgehen beitragen kann. Oak Ridge National Laboratory: Separatorfunktion und Abschaltgrenzen (2023)

Fertigungsfehler, Quetschung oder Durchdringung, Überhitzung und Überladung können ein Zellversagen auslösen. Diese Ursachen beschreibt eine britische Regierungsstudie zur Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien, deren Produktschwerpunkt allerdings kleinere Elektrofahrzeuge sind. Britisches OPSS: Fehlermechanismen und Schutz bei Lithium-Ionen-Batterien

Das Batteriemanagementsystem überwacht Spannung, Strom und Temperatur und kann bei erkannten Abweichungen eingreifen. Ein sich innerhalb einer Elektrode entwickelnder Defekt kann an den vorhandenen Sensoren kaum erkennbar sein. Deshalb bleibt physischer Schutz trotz Überwachung notwendig.

Thermisches Durchgehen und Ausbreitung

Thermisches Durchgehen tritt auf, wenn sich wärmeerzeugende Reaktionen innerhalb einer Zelle schneller beschleunigen, als Wärme abgeführt werden kann. Die steigende Temperatur treibt weitere Reaktionen an und setzt die gespeicherte Zellenergie frei. Das normale Thermomanagement regelt die Betriebstemperatur, kann diesen sich selbst erhaltenden Prozess aber möglicherweise nicht stoppen.

Ausbreitung bedeutet, dass das Versagen auf weitere Zellen übergreift. Durch umgebende Materialien geleitete Wärme oder durch heiße Gase und ausgeworfenes Material transportierte Wärme kann eine Nachbarzelle zum thermischen Durchgehen bringen. Wird dieser Übertrag verhindert, kann das Ereignis auf die auslösende Zelle begrenzt bleiben. NASA: Begrenzung von Versagen und Ausbreitung bei Lithium-Ionen-Batterien

Der Fehlerverlauf hängt von der Zelle und dem Ereignis ab. In einer Studie von 2022 prüften Sharp und Kollegen zylindrische Zellen der Formate 18650, 21700 und D durch Erwärmung, interne Kurzschlüsse und Nagelpenetration. Wärmefreisetzung und Materialauswurf unterschieden sich je nach Zellgeometrie und Auslöseverfahren. Es handelte sich um Zellversuche, nicht um einen Vergleich vollständiger Fahrzeuge. Sharp et al. (2022): thermisches Durchgehen, Zellgeometrie und Missbrauchsart

Gasfreisetzung und verzögerte Gefahren

Eine beschädigte Batterie kann giftige und brennbare Gase freisetzen; mechanische Schäden können unmittelbar oder verzögert zu einem Brand führen. Sichtbare Flammen sind daher keine Voraussetzung für eine Gefahrensituation. Die NHTSA empfiehlt, beschädigte Hochvoltkomponenten als spannungsführend zu behandeln. NHTSA: Batterie, Laden und Sicherheit bei Elektro- und Hybridfahrzeugen

Auch ein nach einem Aufprall unauffälliger Pack muss angemessen beurteilt werden. Britische Bergungsleitlinien warnen, dass fehlende sichtbare Warnzeichen oder eine unauffällige Oberflächentemperatur thermische Risiken einer beschädigten Batterie nicht ausschließen. Sie berichten von einzelnen Fahrzeugen, die bis zu drei Wochen nach einem Unfall in Brand gerieten. Diese Fälle verdeutlichen die mögliche Verzögerung; sie definieren keine maximale Wartezeit, nach der ein beschädigter Pack sicher ist. Britisches Verkehrsministerium: Bergung von Elektrofahrzeugen

Wie Schutzmaßnahmen die Folgen begrenzen

Schäden verhindern und Fehler erkennen

Das Packgehäuse und die umgebende Fahrzeugstruktur schützen die Zellen vor Gegenständen auf der Fahrbahn und Verformungen bei einem Unfall und erhalten dabei den Überlebensraum der Insassen. Die elektrische Isolierung trennt Hochvoltleiter von der Karosserie. Die unter Batteriemanagementsystem beschriebenen Isolationsüberwachungsfunktionen können einen Isolationsverlust erkennen und eine Warnung oder Schutzreaktion auslösen.

Innerhalb der Zellen hält der Separator die Elektroden auseinander. Je nach Zellkonstruktion können eine Stromunterbrechungseinrichtung oder ein Druckentlastungsventil zusätzlichen Schutz bieten. Der Abschnitt zum Schutz auf Zellebene in Zellformate erläutert diese Einrichtungen und ihre Unterschiede zwischen Formaten; Zellchemie behandelt Separatormaterialien und das Abschaltverhalten.

Das BMS kann Laden oder Entladen begrenzen, wenn Messwerte zulässige Grenzen überschreiten. Seine detaillierten Mess- und Steuerfunktionen gehören ins BMS-Kapitel. Hier ist entscheidend, dass das Erkennen eines Fehlers und die physische Begrenzung seiner Folgen unterschiedliche Maßnahmen erfordern. Britisches OPSS: Fehlermechanismen und Schutz bei Lithium-Ionen-Batterien

Elektrischen Strom unterbrechen

Schütze sind gesteuerte Schalter, die die Batterie mit der Hochvoltausrüstung des Fahrzeugs verbinden. Eine herkömmliche Sicherung unterbricht einen zu hohen Strom, wenn ihr Schmelzelement schmilzt. Manche Konstruktionen verwenden zusätzlich einen pyrotechnischen Trenner, der auf ein Signal des Steuerungssystems hin einen Leiter durchtrennt, etwa bei einem Unfall. Texas Instruments: Schütze und Batterietrennsicherungen

Das Öffnen der Schütze kann den Pack von externen Geräten trennen. Es entlädt weder die Zellen noch macht es die internen Stromschienen berührungssicher. Ebenso kann das Unterbrechen eines externen Stroms die chemische Energie nicht beseitigen, die Reaktionen in einer versagenden Zelle antreibt. Das Freischalten des Hochvoltsystems und Arbeiten im Pack erfordern geschultes Personal und fahrzeugspezifische Verfahren. NHTSA: Batterie, Laden und Sicherheit bei Elektro- und Hybridfahrzeugen

Wärmeübertragung begrenzen und Entgasung steuern

Thermische Barrieren und Abstände können die Wärme verringern, die benachbarte Zellen erreicht. Andere Materialien können Wärme aufnehmen oder verteilen und so die konzentrierte Belastung einer einzelnen Nachbarzelle reduzieren. Der Schutz muss auch das von einer versagenden Zelle freigesetzte heiße Material berücksichtigen.

NASA-Forschung zu Batterien für die bemannte Raumfahrt, einschließlich Raumfahrzeugen und Raumanzügen, beschreibt die Kontrolle von Zellemissionen, Wärmeübertragung und elektrischer Energie, die in eine ausgefallene Zelle fließt, als einander ergänzende Möglichkeiten zur Begrenzung der Ausbreitung. NASA: Begrenzung von Versagen und Ausbreitung bei Lithium-Ionen-Batterien

Entgasung baut Druck ab, indem Gas und Material eine Zelle oder ein Gehäuse verlassen können. Dabei entsteht auch ein heißer, potenziell brennbarer Ausstoß, den der Pack von Insassen fernhalten muss. Der Schutz eines abgedichteten Gehäuses vor Wassereintritt und seine Druckentlastung erfüllen unterschiedliche Aufgaben. Den physischen Aufbau und die Integration dieser Systeme erläutert Aufbau des Batteriepacks.

Was Sicherheitstests belegen

Zellversuche, Missbrauchsprüfungen von Batteriepacks und Crashtests vollständiger Fahrzeuge untersuchen unterschiedliche Aspekte der Sicherheit. Ein aussagekräftiges Testergebnis nennt die geprüfte Konstruktion, die Bedingungen und die Akzeptanzkriterien.

Die Globale Technische Regelung Nr. 20 der UN bietet einen internationalen Rahmen für Betriebssicherheit, elektrische Sicherheit nach einem Unfall und Batteriebrandsicherheit. Nationale und regionale Vorschriften setzen Anforderungen über eigene Genehmigungs- oder Konformitätssysteme um. Die endgültige FMVSS-305a-Regel der NHTSA ist eine solche Umsetzung; ein GTR-Verweis allein ist keine universelle Fahrzeugzulassung. NHTSA: Initiative zur Batteriesicherheit NHTSA: endgültige FMVSS-305a-Regel, Dezember 2024

Die 03-Serie der R100 umfasst Insassenschutzanforderungen für eine Ausbreitung, die durch einen internen Kurzschluss mit anschließendem thermischem Durchgehen einer einzelnen Zelle ausgelöst wird. Die Vorwarnanforderung gilt auch als erfüllt, wenn die Ausbreitung keine Gefahrensituation für die Insassen verursacht. UN-Regelung Nr. 100: Änderungsserie 03 (2021) Die 05-Serie legt ein Nachweisverfahren mit physischen Tests oder Risikoanalyse unter definierten Bedingungen fest. Ausnahmen von der Warnpflicht gelten, wenn die vorgeschriebenen Tests keine Ausbreitung erzeugen oder kein thermisches Durchgehen auslösen können. Diese Bestimmungen garantieren nicht bei jedem realen Ereignis eine bestimmte Fluchtzeit. UN-Regelung Nr. 100: Änderungsserie 05 (EUR-Lex, 2026)

Euro NCAP überwacht nach eigenen Angaben die Batterietrennung, prüft die Karosserie auf gefährliche Spannung und untersucht die Batterie auf Eindringen von Bauteilen, Flüssigkeitsaustritt, Feuer oder ungewöhnliche Wärme. Diese Beobachtungen liefern nützliche Nachweise zu den geprüften Crashbedingungen. Sie bestimmen nicht, wie sich das Fahrzeug bei jedem denkbaren Aufprall oder Batteriefehler verhält. Euro NCAP: Sicherheitsprüfung von Elektrofahrzeugen

Nach einer Warnung, einem Unfall oder einer Überflutung

Warnmeldungen und Anzeichen eines Notfalls

Bei einer Batterie- oder Ladewarnung ohne Anzeichen eines Notfalls sind die angezeigten Anweisungen und die Betriebsanleitung zu beachten. Eine Aufforderung zum sofortigen Anhalten verlangt eine andere Reaktion als eine Wartungserinnerung; bei entsprechender Anweisung qualifizierte Hilfe organisieren.

Bei Rauch, Feuer, austretendem Gas oder anderen Anzeichen eines möglichen Batterienotfalls:

• Während der Fahrt sicher anhalten, das Fahrzeug verlassen, sobald dies gefahrlos möglich ist, und großen Abstand halten, ohne in den Verkehr zu geraten.
• Die örtliche Notrufnummer wählen und mitteilen, dass es sich um ein Elektrofahrzeug handelt.
• Abstand zu Rauch und Gasen halten; möglichst gegen die Windrichtung entfernen.
• Freiliegende elektrische Teile und austretende Flüssigkeiten meiden. Nicht versuchen, die Batterie zu öffnen, abzuklemmen oder zu reparieren.

Diese Maßnahmen folgen den NHTSA-Hinweisen für die Öffentlichkeit und britischen Leitlinien zu vermuteten thermischen Batterieereignissen. Brandbekämpfung und Beurteilung des beschädigten Hochvoltsystems sind Aufgaben geschulter Einsatzkräfte. NHTSA: Hinweise für Halter und Einsatzkräfte zu Hochvoltbatterievorfällen Britisches Verkehrsministerium: Bergung von Elektrofahrzeugen

Unfallschäden und Überflutung

Eine Unfallabschaltung kann die Verbindung der Batterie zu externen Leitungen unterbrechen, obwohl Zellen im Pack weiterhin beschädigt sind. Bei vermuteten Batterieschäden eine fachkundige Beurteilung veranlassen, auch nach einem starken Aufprall gegen die Packunterseite.

Normaler Regen und das Untertauchen bei einer Überflutung sind unterschiedliche Bedingungen. Überflutung kann beschädigte elektrische Komponenten Wasser und Verunreinigungen aussetzen und Gefahren durch Stromschlag und verzögerten Brand schaffen. Bei vermuteten Batterieschäden nach einer Überflutung den Händler oder die Rettungsdienste kontaktieren und deren Anweisungen befolgen. NHTSA: Batterie, Laden und Sicherheit bei Elektro- und Hybridfahrzeugen

Bergung und Abstellen

Das Bergungsunternehmen über Unfall, Überflutung, Batteriewarnung oder Brand informieren. Der Rettungsleitfaden für das konkrete Fahrzeug sollte bestimmen, wie Fachkräfte Abschleppen und Abstellen handhaben. Die bei der NHTSA eingereichten Herstellerleitfäden behandeln Brand, Untertauchen, Flüssigkeitsaustritt, Abschleppen und Abstellen; Rettungskarten bieten kürzere Informationen für den Einsatzort. NHTSA: Rettungsleitfäden und Rettungskarten

Die US-Leitlinien der NHTSA raten davon ab, ein beschädigtes Fahrzeug mit Lithium-Ionen-Batterie in einer Garage oder innerhalb von 50 Fuß (etwa 15 m) zu Gebäuden, anderen Fahrzeugen oder brennbaren Materialien abzustellen. NHTSA: Batterie, Laden und Sicherheit bei Elektro- und Hybridfahrzeugen Steht ein möglicherweise beschädigtes Fahrzeug bereits so, Abstand halten und Anweisungen der Rettungsdienste oder des Bergungsunternehmens einholen; nicht selbst versuchen, es umzustellen.

Bergungsfachkräfte sollten Abstellort, Abstände und Überwachung anhand des Fahrzeugzustands beurteilen. Bewegung kann interne Schäden verschlimmern; britische Leitlinien berichten von Fahrzeugen, die beim Verladen in Brand gerieten. Britisches Verkehrsministerium: Bergung von Elektrofahrzeugen

Der Transport einer ausgebauten beschädigten Batterie ist eine separate Aufgabe. Er erfordert eine Beurteilung nach den einschlägigen Gefahrgutvorschriften; in den USA stuft die PHMSA beschädigte, defekte und zurückgerufene Batterien als größere Transportgefahr ein. Diese Batterietransportanforderungen ersetzen nicht die Bergungsanweisungen des Fahrzeugherstellers. PHMSA: Transport von Lithiumbatterien

Was Halter prüfen können

Vor einem Vorfall die Abschnitte zu Sicherheit und Warnmeldungen in der Betriebsanleitung suchen und die Kontaktmöglichkeiten zur Pannenhilfe prüfen. Beim Kauf eines gebrauchten Elektroautos den Hersteller oder Händler bitten, die Fahrzeugidentifikationsnummer auf offene Rückrufe zu prüfen und die Durchführung erforderlicher Maßnahmen zu bestätigen.

Erfragen, wie vermutete Unterboden- oder Batterieschäden beurteilt und dokumentiert werden.

Das Vorgehen nach der Diagnose erläutert Batteriereparatur, Zweitnutzung und Recycling. Informationen zu Mängelabdeckung, Kapazitätsgarantien und Schadensausschlüssen bietet Batteriegarantie.