Welche Sicherheitszertifizierungen benötigen Hochleistungs-Lithiumbatterien für die Energiespeicherung?

UL 1973: Kern-Sicherheitszertifizierung für Lithium-Batteriemodule und -Batteriepacks

Geltungsbereich, Anwendbarkeit und wesentliche Anforderungen für stationäre Energiespeichersysteme

UL 1973 stellt die primäre Sicherheitsrichtlinie in Nordamerika für Lithium-Batteriemodule und -Batteriepacks dar, die für stationäre Anwendungen wie Energiespeichersysteme (ESS) und unterbrechungsfreie Stromversorgungen konzipiert sind. Grundsätzlich prüft sie, ob Konstruktionen gängigen Problemen wie elektrischen Fehlern, thermischer Belastung und potenziellen Bränden standhalten können. Die Norm enthält mehrere wichtige Anforderungen, die es zu beachten gilt. Erstens ist eine starke elektrische Isolation erforderlich, um gefährliche Lichtbögen bei Störungen zu verhindern. Die verwendeten Materialien müssen feuerhemmend sein und zudem über geeignete Einschlussmerkmale verfügen. Mechanische Komponenten müssen gegen regelmäßige Vibrationen und Stöße im täglichen Betrieb widerstandsfähig sein. Auch das thermische Management muss selbst bei starken Temperaturschwankungen außerhalb des normalen Bereichs ordnungsgemäß funktionieren. Eine Zertifizierung nach UL 1973 bedeutet, dass diese Batterien sicher in gewerblichen Gebäuden und Fabriken weltweit betrieben werden können. Zudem ist der Nachweis der Erfüllung dieser Norm Voraussetzung, bevor Hersteller höherrangige Zertifizierungen wie UL 9540 für komplette Systeme anstreben können.

Kritische Missbrauchstests: Überladung, Kurzschluss, Temperaturwechsel und mechanischer Stoß

Um die UL-1973-Zertifizierung zu erlangen, unterziehen sich Lithium-Batteriesysteme rigorosen Missbrauchssimulationen, die Extremfälle von Fehlfunktionen nachstellen sollen. Dazu gehören:

• Überladung : Laden über sichere Grenzwerte hinaus zur Überprüfung der Wirksamkeit der Schutzelektronik.
• Kurzschluss : Direkte Verbindungen an den Anschlüssen zur Bewertung der Eindämmung einer thermischen Durchgehung.
• Thermisches Zyklen : Wiederholte Belastung im Temperaturbereich von –20 °C bis +60 °C zur Bewertung des Leistungsabfalls.
• Mechanischer Schock : Stöße zur Simulation von Transportbelastungen oder mechanischer Beschädigung.

Gemäß der Ausgabe 2022 des Standards ist zum Bestehen kein Brand, keine Explosion und kein Elektrolyt-Austritt zulässig – dies belegt, dass das System extremen Bedingungen standhalten kann, ohne katastrophal zu versagen.

UL 9540A: Validierung der Ausbreitung einer thermischen Durchgehung in Lithium-Batteriesystemen

Prüfprotokoll und Dateninterpretation zur Brandausbreitung von Zelle zu System

UL 9540A arbeitet, indem es untersucht, wie sich Wärme bei Ausfällen ausbreitet – beginnend bei einzelnen Batteriezellen bis hin zu kompletten Systemen, die aus mehreren Modulen und Einheiten bestehen. Grundsätzlich erzeugt das Prüfverfahren in kontrollierter Weise Bedingungen für eine thermische Durchgehung (thermal runaway) durch Methoden wie das Überladen von Batterien, das Verursachen von Kurzschlüssen oder das Aufbringen mechanischer Belastung. In jeder Phase dieses Prozesses wird geprüft, ob das System das Problem eindämmen kann, bevor es sich weiter verschlechtert. Sobald an einer beliebigen Stelle der Hierarchie eine Ausbreitung gestoppt wird, ist keine weitere Prüfung erforderlich. Wenn sich die Wärme jedoch tatsächlich ausbreitet, messen Techniker Parameter wie den Temperaturanstieg, die Art der freigesetzten Gase, austretende Partikel sowie die exakte Zeitdauer, die ein Ausfall benötigt, um sich zwischen Komponenten fortzupflanzen. Die neueste Version, die 2024 veröffentlicht wurde, enthält wichtige Änderungen, darunter verbesserte Standards für die Prüfung verschiedener Lithium-Batterietypen unter Hochtemperaturbedingungen sowie klarere Kriterien zur Unterscheidung zwischen Bestehen und Durchfallen der Prüfung. So ist beispielsweise nun vorgeschrieben, dass Batterien Probleme mindestens 60 Minuten lang zwischen Zellen eindämmen müssen, um den Sicherheitsanforderungen zu genügen. Alle diese Prüfungen erzeugen detaillierte Berichte mit quantitativen Angaben zur Brandausbreitungsgeschwindigkeit, zur Menge freigesetzten giftigen Rauchs sowie zur möglichen Explosionsgefahr. Diese Datenpunkte sind entscheidend, wenn lokale Behörden Brandschutzvorschriften erlassen oder Unternehmen potenzielle Risiken in ihren Anlagen modellieren.

Wie UL 9540A die brandsichere Gestaltung von Energiespeichersystemen (ESS) und Risikominderungsstrategien beeinflusst

Daten aus UL-9540A-Tests spielen eine entscheidende Rolle dabei, wie Ingenieure Entscheidungen treffen, die im praktischen Einsatz tatsächlich das Brandrisiko senken. Bei der Systemkonstruktion analysieren Fachleute Werte für den Wärmeübergang sowie die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Bränden, um verbesserte Konzepte für thermische Barrieren, die Gestaltung von Lüftungsöffnungen und die räumliche Trennung verschiedener Anlagenkomponenten zu entwickeln – so bleibt ein Wärmeereignis möglichst auf ein oder höchstens zwei Module begrenzt. Die Gasdetektoren sind so eingestellt, dass sie die Löschsysteme bereits deutlich vor Erreichen gefährlicher Temperaturen – beispielsweise über 150 Grad Celsius – aktivieren. Das aktuelle Update aus dem Jahr 2024 verschärft die Sicherheitsanforderungen insbesondere für Geräte, die auf Dächern oder in Garagen installiert werden, wo der verfügbare Platz begrenzt ist und Menschen bei einer Störung in unmittelbarer Nähe von Gebäuden nur schwer fliehen können. Laut branchenweiten Statistiken aus dem vergangenen Jahr treten an Standorten, die die UL-9540A-Richtlinien einhalten, rund 74 Prozent weniger Brände auf als an Standorten, die dies nicht tun. Feuerwehrkräfte ziehen diese Ausbreitungsberichte ebenfalls bei der Planung ihres Einsatzes in konkreten Situationen heran. Zudem nutzen Inspektoren sämtliche hierfür verfügbaren Informationen, um sicherzustellen, dass die Installationen die Anforderungen der NFPA-855 bezüglich korrekter Abstände und Luftzufuhr erfüllen – wodurch theoretische Risikobewertungen in praktisch wirksame Sicherheitsmaßnahmen vor Ort umgesetzt werden.

IEC 62619 & EN 62619: Globale industrielle Standards für die Sicherheit von Lithium-Batterien

Leistungsanforderungen, Missbrauchstoleranz und Konformitätsanforderungen für kommerzielle ESS-Anwendungen

Die IEC-62619-Norm sowie ihre europäische Entsprechung EN 62619 legen wesentliche Sicherheitsanforderungen für industrielle Lithium-Batterien fest, die in stationären Energiespeichersystemen (ESS) eingesetzt werden. Diese international anerkannten Richtlinien verlangen, dass Batterien auch unter Betriebsbelastung zuverlässig funktionieren. Dazu gehört beispielsweise, ihre Kapazität nach mehrfachen Lade- und Entladezyklen zu bewahren sowie thermisch stabil zu bleiben bis zu Temperaturen von etwa 60 Grad Celsius. Die Normen spezifizieren zudem, wie Batterien verschiedene Formen von Missbrauch durch standardisierte Prüfungen bewältigen müssen. So müssen sie beispielsweise Überspannungsbedingungen bei dem 1,5-Fachen ihres maximalen Ladepegels aushalten, externe Kurzschlüsse mit einem Widerstand unter 100 Milliohm überstehen, mechanischen Quetschkräften oberhalb von 100 Kilonewton standhalten und thermische Durchgehungen wirksam eindämmen. Um die Konformität nachzuweisen, müssen Hersteller mehrere integrierte Sicherheitsmerkmale einbauen, darunter Backup-Spannungsüberwachungssysteme, passive Barrieren zur Verhinderung der Brandausbreitung sowie Schnellabschaltmechanismen, die innerhalb weniger Millisekunden aktiviert werden. Die Einhaltung dieser Anforderungen ist tatsächlich Voraussetzung für das CE-Kennzeichen gemäß der EU-Batterieverordnung, die Nachweise der Konformität in über 25 verschiedenen Sicherheitsaspekten verlangt. Unternehmen, die die IEC-/EN-62619-Normen einhalten, verzeichnen laut einer aktuellen Industrie-Studie zum Energiespeicher aus dem Jahr 2023 rund 40 % weniger Ausfälle in realen Anwendungen und sind daher deutlich besser für großskalige Netzeinsätze geeignet.

UL 9540: Systemzertifizierung auf Systemebene unter Einbeziehung der Sicherheit von Lithium-Batterien und des Batteriemanagementsystems (BMS)

Wie UL 9540 die Sicherheit des gesamten Energiespeichersystems validiert – einschließlich Lithium-Batterie, thermischem Management und Steuerung

Der UL-9540-Standard bietet umfassende Sicherheitsprüfungen auf Systemebene für komplette Energiespeichersysteme. Dabei geht er über die reinen Batteriemodule hinaus und berücksichtigt beispielsweise thermische Managementsysteme, Batteriemanagementsysteme (kurz: BMS), Gehäuse sowie die Zusammenarbeit all dieser Komponenten über die Steuerungslogik. Herkömmliche Standardprüfungen konzentrieren sich in der Regel auf einzelne Komponenten; UL 9540 hingegen prüft, wie das Gesamtsystem unter realen, gleichzeitig auftretenden Belastungsszenarien funktioniert – etwa elektrische Störungen in Kombination mit extremen Wetterbedingungen oder gefährlichen thermischen Kettenreaktionen, wie sie gelegentlich beobachtet werden. Entscheidend ist der Nachweis, dass sämtliche Sicherheitsfunktionen als Team ordnungsgemäß zusammenwirken: Sie müssen den Betrieb während normaler Lade- und Entladevorgänge stabil halten, Wärmeentwicklungen innerhalb der vorgesehenen Gehäuse eindämmen, bei schwerwiegenden Fehlfunktionen automatisch abschalten und sicherstellen, dass das Batteriemanagementsystem effektiv mit der Kühltechnik kommuniziert. Diese ganzheitliche Prüfmethode hilft dabei, Schwachstellen an den Schnittstellen zwischen verschiedenen Komponenten aufzudecken. Systeme, die diese Zertifizierung erfolgreich bestanden haben, wiesen laut den Brandmeldungen des Jahres 2023 rund 47 Prozent weniger thermische Vorfälle auf. Die Zertifizierung beschleunigt zudem die Genehmigungsverfahren und schafft wichtige Schutzschichten sowohl für gewerbliche als auch für großtechnische Lithium-Batterieanlagen im Versorgungsnetz.

FAQ

Was ist die UL-1973-Zertifizierung?

Die UL-1973-Zertifizierung ist ein Sicherheitsstandard für Lithium-Batteriemodule und -Batteriepacks, die in stationären Energiespeichersystemen und Unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV) eingesetzt werden, und stellt sicher, dass diese elektrischen Fehlern, thermischer Belastung und potenziellen Bränden standhalten können.

Warum sind kritische Missbrauchstests für Lithium-Batteriesysteme wichtig?

Kritische Missbrauchstests wie Überladung, Kurzschluss, Temperaturwechsel und mechanischer Schock stellen sicher, dass Lithium-Batteriesysteme extremen Bedingungen ohne katastrophalen Ausfall standhalten können und somit die Sicherheitsanforderungen erfüllen.

Wie beeinflusst UL 9540A die Konstruktion von Energiespeichersystemen?

UL 9540A liefert Daten zu Wärmeübertragung und Brandausbreitung, die für die Konstruktion von Systemen entscheidend sind, die Brandrisiken minimieren; sie leiten die Platzierung thermischer Barrieren und die Ausgestaltung von Risikominderungsstrategien.

Was sind die Normen IEC 62619 und EN 62619?

IEC 62619 und EN 62619 sind internationale Normen, die wesentliche Sicherheitsanforderungen für industrielle Lithium-Batterien festlegen, die in kommerziellen Energiespeichersystemen eingesetzt werden, einschließlich Zuverlässigkeit der Leistung und Belastbarkeit bei Missbrauch.

Was umfasst die UL-9540-Zertifizierung?

Die UL-9540-Zertifizierung umfasst die Sicherheit des gesamten Energiespeichersystems, einschließlich Lithium-Batterien, thermischem Management und Steuerungseinrichtungen, und stellt sicher, dass alle Komponenten effektiv zusammenarbeiten, um Risiken zu minimieren.