BESS-Sicherheit und Verhinderung von Thermal Runaway beginnen mit frühzeitiger Zelldetektion

Ein Thermal Runaway in einem Batteriespeichersystem (BESS) beginnt nicht mit einem Brand. Veränderungen innerhalb einer Lithium-Ionen-Zelle können sich entwickeln, lange bevor die Temperaturen ein kritisches Niveau erreichen. Die frühzeitige Erkennung dieser Veränderungen kann mehr Zeit für Interventionen schaffen, bevor ein Zellversagen zu einem größeren Sicherheitsproblem wird.

Eine Batteriezelle kann aus vielen Gründen instabil werden, darunter interne Beschädigungen, elektrische Probleme oder übermäßige Wärme. Aber eine anormale Zelle gerät nicht plötzlich in einen Thermal Runaway. Ihr Zustand verändert sich im Laufe der Zeit. Elektrische Eigenschaften können sich ändern, Gase können sich bilden und der Druck im Inneren der Zelle kann ansteigen, bevor ein signifikanter Temperaturanstieg sichtbar wird. Diese Veränderungen schaffen ein Zeitfenster, in dem das Problem erkannt werden kann, bevor die Zelle einen Thermal Runaway erreicht. Wenn dies geschieht, können die freigesetzten Wärme und Gase benachbarte Zellen beeinträchtigen und dazu führen, dass sich das Versagen ausbreitet.

Die Sicherheit in Speichersystemen hängt daher nicht nur davon ab, ein Ereignis nach Beginn des Thermal Runaway einzudämmen. Sie hängt auch davon ab, die elektrischen und physikalischen Veränderungen zu identifizieren, die ihm vorausgehen.

LONGi begegnet dem durch sein intelligentes Zellkontaktsystem (iCCS), das Teil der Sicherheitsarchitektur seiner unter LONGi ONE zusammengefassten Batteriespeichersysteme ist. Neben der herkömmlichen Überwachung von Spannung, Temperatur und Überstrom nutzt iCCS zusätzliche Indikatoren, um anomales Zellverhalten in verschiedenen Entwicklungsstadien zu identifizieren.

Ein Thermal Runaway hat nachweisbare Stadien

Eine sich verschlechternde Zelle gibt während der Problementwicklung verschiedene Warnsignale ab. Zuerst können sich ihre elektrischen Eigenschaften ändern. Später können sich im Inneren der Zelle Gase bilden, der Druck kann steigen und die Zelle kann sich ausdehnen. Wenn das Problem fortschreitet, kann das Sicherheitsventil öffnen und Elektrolyt und Gas können austreten. Änderungen der Spannung und Temperatur können deutlicher werden, je näher die Zelle dem Thermal Runaway kommt.

Dies sind die Warnzeichen, die das iCCS von LONGi überwachen soll. Anstatt sich hauptsächlich auf Spannung und Temperatur zu verlassen, fügt es frühere Indikatoren hinzu, wie Änderungen des Innenwiderstands, Druck, Status des Sicherheitsventils und Elektrolytleckagen.
Jüngste Batterieforschung unterstützt die Bedeutung der Überwachung dieser früheren physikalischen Veränderungen. Eine 2025 in Communications Engineering veröffentlichte Studie ergab, dass mechanische Belastung anomales Zellverhalten aufdecken kann, bevor signifikante externe Temperaturänderungen unter verschiedenen Missbrauchsbeschränkungen auftreten. Die Forscher weisen auf eine grundlegende Einschränkung der Oberflächen-Temperaturüberwachung hin: Die im Inneren einer Zelle erzeugte Wärme benötigt Zeit, um ihre Außenseite zu erreichen.

Die Forschung zu LFP-Zellen mit großer Kapazität kommt zu einer ähnlichen Schlussfolgerung. Eine 2025 in Journal of Power Sources veröffentlichte Studie, die Spannung, Temperatur, Dehnung, Innendruck und äußere Kraft auswertete, fand den Innendruck als effektiven Parameter zur Verfolgung der Entwicklung eines Thermal Runaway. Eine separate experimentelle Studie an 280-Ah-LFP-Zellen ergab, dass Änderungen der mechanischen Spannung eine frühe Anzeige vor dem Öffnen des Sicherheitsventils lieferten.

Diese Erkenntnisse sind relevant für das Designprinzip hinter LONGi's iCCS: Eine Zelle kann nachweisbare elektrische und physikalische Signale liefern, bevor eine herkömmliche Temperaturüberwachung einen kritischen thermischen Zustand anzeigt.

LONGi iCCS erweitert das Erkennungsfenster

Die herkömmliche Zellüberwachung basiert typischerweise auf Spannungs- und Temperaturdaten. LONGi's Intelligent Cell Contact System (iCCS) fügt zusätzliche Indikatoren und Analysen hinzu, um anomale Zellbedingungen früher zu identifizieren.

Eines davon ist der Gleichstromwiderstand (DCR). Änderungen des Innenwiderstands können zusätzliche Informationen über den Zustand einer Zelle liefern, bevor offensichtlichere Warnzeichen auftreten. iCCS kombiniert dies mit Temperaturfühlern, Druck- und Leckagesensoren sowie Strom- und Spannungsüberwachung. Zusammen ermöglichen diese Überwachungsfunktionen iCCS, verschiedene Anzeichen von anormalem Zellverhalten während seiner Entwicklung zu verfolgen. Laut den technischen Daten von LONGi kann das iCCS-System eine Vorhersage des Thermal Runaway drei bis sechs Monate im Voraus liefern.

Wenn sich eine Zelle dem Thermal Runaway nähert, liefern physikalische Veränderungen weitere Warnungen. Der Druck kann steigen, die Zelle kann sich ausdehnen, und in einer späteren Phase kann das Sicherheitsventil öffnen und Elektrolyt oder Gas kann austreten. LONGi gibt an, dass iCCS in dieser Phase eine Thermal Runaway-Warnung drei bis fünf Minuten im Voraus liefern kann. Dies schafft mehrere Erkennungsebenen, anstatt sich auf einen einzigen Alarmgrenzwert zu verlassen.

Die Reihenfolge ist wichtig. Änderungen des Innenwiderstands können Informationen über sich entwickelnde Anomalien liefern, während Druck, Leckage und andere physikalische Indikatoren weitere Informationen liefern, wenn sich der Zellzustand weiterentwickelt. Spannung und Temperatur bleiben während des gesamten Überwachungsprozesses wesentliche Sicherheitsparameter. Die verschiedenen Indikatoren liefern daher komplementäre Informationen über den Zustand der Zelle, anstatt sich auf einen einzelnen Parameter zu verlassen, um einen sich entwickelnden Fehler zu identifizieren. Der Wert von iCCS liegt daher nicht darin, die herkömmliche BMS-Überwachung zu ersetzen, sondern zusätzliche Zell-Level-Indikatoren hinzuzufügen und den Zeitraum zu verlängern, in dem eine sich entwickelnde Anomalie potenziell erkannt werden kann.

Zellbasierte Erkennung ist wichtig, da die Ausbreitung lokal beginnt

Batteriespeichersysteme im Versorgungsmaßstab enthalten eine große Anzahl von Zellen, die in Module, Pakete und größere Systemarchitekturen organisiert sind. Ein thermisches Ereignis kann jedoch von einer einzelnen Zelle ausgehen.

Sobald Wärme und heiße Gase von dieser Zelle benachbarte Zellen beeinträchtigen, kann ein lokales Versagen zu einer thermischen Ausbreitung führen. Experimentelle Forschung zeigt weiterhin, dass Wärmeübertragung, heiße Gase und ausgeworfenes Material von ausfallenden Zellen zur Ausbreitung in Batteriemodulen beitragen können.

Deshalb ist die Erkennung auf Zell-Ebene wichtig. Je früher eine anomale Zelle identifiziert werden kann, desto größer ist die Möglichkeit, einzugreifen, bevor ihr Zustand benachbarte Zellen oder einen größeren Teil des Speichersystems beeinträchtigt.

LONGi's iCCS kombiniert zellbasierte elektrische Überwachung mit physikalischen Indikatoren, die mit der Zellalterung verbunden sind. Diese Informationen fließen in die erweiterte BMS- und BESS-Sicherheitsarchitektur ein und fügen eine frühere Erkennungsschicht hinzu, bevor der Brandschutz relevant wird.

Frühere Erkennung kann die Sicherheits- und wirtschaftlichen Auswirkungen eines BESS-Ausfalls reduzieren

Der Vorteil der vorausschauenden Zellüberwachung beschränkt sich nicht auf die Brandsicherheit. Eine sich entwickelnde Anomalie, die frühzeitig erkannt wird, kann potenziell während der Wartung untersucht werden, bevor sie zu einem thermischen Ereignis wird. Sobald sich ein Thermal Runaway über die ursprüngliche Zelle hinaus ausbreitet, können die potenziellen Folgen weitere Zellen, Module und andere Systemkomponenten betreffen.

Für einen Anlagenbesitzer hat dieser Unterschied auch eine wirtschaftliche Dimension. Umfassendere Schäden können bedeuten, dass mehr Geräte inspiziert oder ersetzt werden müssen und längere Zeiträume reduzierter Verfügbarkeit oder Ausfallzeiten. Frühe Erkennung kann Batterierisiken nicht eliminieren, aber sie kann mehr Möglichkeiten schaffen, ein Problem anzugehen, solange seine physischen Folgen begrenzt bleiben.

Branddetektion und -unterdrückung bleiben daher wesentliche Elemente der BESS-Sicherheit, aber sie adressieren eine spätere Phase der Risikokette. Vorausschauende Überwachung verschiebt einen Teil der Sicherheitsstrategie weiter nach oben in der Kette: Das Ziel ist nicht nur, einen Brand schneller zu erkennen, sondern die Entwicklung einer Anomalie zu identifizieren, bevor ein Brand zu erkennen ist.

Für Entwickler, EPCs und Anlagenbesitzer, die BESS-Technologien vergleichen, wirft dies mehrere Fragen auf: Welche Parameter werden auf Zell-Ebene überwacht? Kann das System physikalische und elektrische Veränderungen erkennen? Kann es eine anomale Entwicklung erkennen, bevor ein signifikanter Temperaturanstieg auftritt? Und wie früh können diese Indikatoren handlungsrelevante Informationen liefern?

LONGi's iCCS adressiert diesen früheren Teil der Sicherheitskette, indem es DCR-Analyse und zellbasierte elektrische Überwachung mit physikalischen Indikatoren kombiniert, darunter Druck, Status des Sicherheitsventils und Elektrolytleckage. Die kommerzielle Relevanz ergibt sich aus der Technik: Die frühere Erkennung eines sich entwickelnden Zellenproblems schafft mehr Möglichkeiten, einzugreifen, bevor eine Anomalie auf Zellebene zu einem größeren Systemereignis wird.