BESS: Kaskadenartiges thermisches Durchgehen und Ventgas im Gehäuse

Ein thermisches Netzwerk mit konzentrierten Parametern bildet die Ausbreitung zwischen den Zellen nach dem Ansatz von Feng et al., Applied Energy 154 (2015), 74–91, DOI 10.1016/j.apenergy.2015.04.118 ab. Jede Zelle besitzt eine eigene Temperatur, eine Wärmekapazität und einen irreversiblen Übergang in das thermische Durchgehen. Die Kopplungen zwischen Nachbarzellen leiten Wärme; exponierte Oberflächen tauschen Wärme mit der Umgebung und einem gemeinsamen Heißgaskanal aus.

Die Bilanz des Heißgaskanals lautet $C_hdot T_h=dot n C_{p,g}(T_v-T_h)+sum_i H_h(T_i-T_h)-U_h(T_h-T_a)$. In Strahlungs- und Gasgleichungen werden absolute Temperaturen verwendet. Die Startzelle befindet sich zum Zeitpunkt null auf der Auslösetemperatur; die zu ihrer Vorwärmung benötigte Energie wird in der Energiebilanz berücksichtigt.

Jede Schwellenüberschreitung setzt unwiderruflich einen zeitlich begrenzten Wärmeimpuls und einen Gasimpuls in Gang. Ihr kumulierter Verlauf ist $S=3u^2-2u^3$, wobei $u$ die seit Impulsbeginn verstrichene Zeit geteilt durch die Impulsdauer ist, begrenzt auf 0–1. Die Wärme beträgt $Q_c=C_cDelta T_{ad}$; die Quellintegrale werden für jedes numerische Intervall exakt ausgewertet. Das Heun-Verfahren integriert die thermischen Differentialgleichungen unter Einhaltung von Grenzen für thermische Stabilität und Impulsauflösung; 14 Bisektionsschritte bestimmen den nächsten Auslösezeitpunkt. Der Wärmeaustausch zwischen den Zellen und mit dem Heißgaskanal hebt sich in der Energiebilanz auf.

Das Volumen des abgekühlten Gases wird mit der idealen Gasgleichung zwischen Bezugs- und Gehäusebedingungen umgerechnet. In einem druckentlasteten, ideal durchmischten Gehäuse gilt für den Anteil $c$ des unverdünnten Ventgases $Vdot c=q-(q+Q)c$. Dabei ist $q$ der Gasquellvolumenstrom und $Q$ der Abluftvolumenstrom bei Frischluftnachströmung nach dem angegebenen Startzeitpunkt; der Term $qc$ berücksichtigt die durch die Quelle verursachte Verdrängung. Die Exponentiallösung mit einem je Intervall konstanten mittleren Gasquellvolumenstrom berechnet die Konzentrationsentwicklung und bestimmt die Schwellenübertritte bei 25 % der UEG.

Für die Anteile $y_i$ im unverdünnten Ventgas gilt $L_{raw}=[sum_i y_i/L_i]^{-1}$. Die UEG des Brenngasgemischs ohne Inertanteil ist $L_f=(sum_i y_i)L_{raw}$. Das Vergleichskriterium lautet $c/L_{raw}=0.25$. CO₂/Inertgas geht nicht in die Summe der brennbaren Komponenten ein; seine detaillierte chemische Unterdrückungswirkung wird von der Le-Chatelier-Regel nicht erfasst.

Das Ventgasquellendiagramm wertet die analytische Impulsableitung direkt anhand der gespeicherten Auslösezeitpunkte aus. Ein separates, ereignisbezogenes Zeitraster löst jeden beobachteten Impuls auf, einschließlich eines am Simulationsende nur teilweise erfassten Impulses. Das Integral des dargestellten Volumenstroms wird mit dem bilanzierten freigesetzten Volumen abgeglichen.

• Ein homogener thermischer Knoten je Zelle in einer linearen Kette mit identischen Zellen und thermischen Kopplungen sowie einem gemeinsamen Heißgasknoten. Eine gefaltete schematische Darstellung behält die Zellnummerierung der Kette bei; ihre Abmessungen sind symbolisch.
• Die Standardwerte für die Auslösetemperatur von 132,7 °C und die adiabatische Temperaturerhöhung von 687,1 K beruhen auf Feng et al. (2018), Abbildung 12B: Auslösetemperatur 132,7 °C, Höchsttemperatur 819,8 °C. Die vermessene 25-Ah-NCM-Zelle hat einen Ladezustand von 100 %. Die alternative Auslösetemperatur aus Abbildung 12A beträgt 250,2 °C.
• Die Wärmekapazität von 900 J/K, die Wärmefreisetzungsdauer von 20 s, die Gasfreisetzungsdauer von 5 s, der Wärmewiderstand zwischen Nachbarzellen, die Kühlung, die exponierte Fläche, der Emissionsgrad und die Parameter des Heißgaskanals sind veränderbare Szenarioannahmen. Sie bilden weder das Versuchspack von 2015 noch dessen Reaktionskinetik durch Parameteranpassung nach.
• Die voreingestellten Gasanteile stammen aus Golubkov et al. (2014), Abbildung 6, Daten der NMC-18650-Zelle bei voller Ladung. Sie dienen als beispielhafte Zusammensetzung für das Szenario mit größeren Zellen. Die Gasquelle von 50 L entspricht 2 L/Ah für eine beispielhafte 25-Ah-Zelle; Amano et al. (2023), S. 12–13, berichtet über erhebliche Schwankungen der spezifischen Gasausbeuten. Ersetzen Sie Gasausbeute, Zusammensetzung und Freisetzungsdauern durch Versuchsdaten der tatsächlich verwendeten Zelle.
• Die kalorimetrisch ermittelte, zellintern verbleibende Wärme und die fühlbare Enthalpie des austretenden Ventgasstroms sind getrennte Energieeinträge. Geben Sie nicht die gesamte im Brandkalorimeter erfasste Energie als zellintern verbleibende Wärme ein, um anschließend dieselbe Ventgasenthalpie nochmals hinzuzurechnen.
• Die Temperatur des Heißgaskanals beschreibt den Wärmeaustausch in Modulnähe. Für die Gehäusekonzentration wird angenommen, dass das Gas anschließend auf die eingegebene Gehäusetemperatur abkühlt. Die Abluft kühlt den lokalen Heißgaskanal nicht unmittelbar; ihr Einfluss darauf ist im effektiven Wärmeleitwert der Heißgaszonenkühlung zu berücksichtigen.

Berechnet wird ein Szenario für Ausbreitung und Gasansammlung vor einer Zündung. Nicht vorhergesagt werden Flammenstrahlen, Verbrennung, Explosionsdruck, die Bemessung der Explosionsdruckentlastung, HF-/CO-Expositionsgrenzen, Sauerstoffverarmung, Brandausbreitung zwischen Racks, Sammelschienenfehler, Temperaturgradienten innerhalb der Zellen, Materialauswurf oder zeitlich veränderliche Kontaktwiderstände. Ein niedrigerer maximaler Gehäusemittelwert schließt eine lokal entzündbare Gasfahne nicht aus. Weder eine Konzentration unter 25 % der UEG noch eine nicht ausgelöste Zelle belegt Sicherheit oder Konformität.

Für die Le-Chatelier-Regel werden UEG-Werte der Einzelkomponenten in Luft bei Umgebungsbedingungen von 4 %, 12,5 %, 5 %, 2,7 % und 3 % für H₂, CO, CH₄, C₂H₄ beziehungsweise C₂H₆ verwendet. Gastemperatur, Druck, Inertgasanteil, Versuchsapparatur und nicht erfasste Dämpfe können die tatsächliche Grenze verändern. Das Ventgas-UEG-Äquivalent berücksichtigt Inertgas als Verdünnung, ohne dessen thermische oder chemische Inhibierungswirkung. Verwenden Sie für die Bemessung gemessene Explosionsgrenzen des Gemischs.

NFPA 855:2026 betrifft stationäre Energiespeicheranlagen; NFPA 69:2024 betrifft Explosionsvermeidungssysteme. Der hier verwendete Vergleich mit 25 % der UEG ist ein einzelnes Vergleichskriterium für die Konzentrationsbegrenzung und setzt nicht sämtliche Anforderungen oder Alternativen einer der beiden Normen um. Prüfen Sie die geltende Norm und die von der zuständigen Behörde übernommene Ausgabe. Normenstand geprüft am 1. November 2026.

Der Solver verwendet mindestens 12 Intervalle je Gasimpuls und 20 je Wärmeimpuls und verfeinert die Schrittweite bei Bedarf weiter, um die Stabilität zu gewährleisten. Die standardmäßige maximale tatsächliche Schrittweite von 0,42 s hält die Rechenzeit im Browser bei etwa 3 s; ein Versuch mit 0,25 s veränderte den letzten Auslösezeitpunkt um weniger als 0,01 s und die maximale Gaskonzentration um weniger als 0,001 Prozentpunkte. Bei gleichem Rechenaufwand erfordern sehr kurze Impulse oder steife thermische Kopplungen einen kürzeren Simulationszeitraum; es gilt eine Obergrenze von 24.000 geschätzten Schritten. Die Temperatur- und Gehäusekonzentrationsverläufe enthalten 901 Abtastwerte, davon 601 in der anfänglichen transienten Phase und 300 im Nachlauf; liegt die gesamte Simulation in dieser transienten Phase, sind die Abtastzeitpunkte gleichmäßig verteilt. Die Wiedergabe interpoliert zwischen gespeicherten Zuständen. Kurzzeitige Details dieser Verläufe können in der Darstellung zeitlich unzureichend aufgelöst sein, obwohl Höchstwerte und Schwellenkennwerte jeden Integrationsschritt berücksichtigen. Verkürzen Sie zur Untersuchung solcher Details den Simulationszeitraum. Das Ventgasfreisetzungsdiagramm verwendet ein separates Raster, das Beginn und Ende jedes beobachteten Impulses enthält und am Simulationsende abgeschnitten wird. Jeder Impuls wird bei bis zu 24 beobachteten Zellen in 64 Intervalle unterteilt, bei größeren Kaskaden in 32 Intervalle. Der Volumenstrom wird anhand der Auslösezeitpunkte analytisch ausgewertet, ohne zusätzlichen Rechenaufwand für den thermischen Solver. Das dargestellte Zeitfenster endet kurz nach der letzten beobachteten Gasfreisetzung oder am Simulationsende. Sein Trapezintegral stimmt mit dem erzeugten Gasvolumen bis auf 0,1 % überein.

Leere Angaben zu Auslösezeitpunkten oder Schwellenübertritten bedeuten, dass das Ereignis im Simulationszeitraum nicht beobachtet wurde. „Nur Startzelle“ beweist nicht, dass eine Ausbreitung niemals eintreten wird. Die Dauer oberhalb des Vergleichswerts wird am Simulationsende abgeschnitten; erzeugtes Gas und freigesetzte Wärme umfassen nur die innerhalb dieses Zeitraums freigesetzten Mengen. Verlängern Sie den Simulationszeitraum, um verzögerte Ereignisse und den Konzentrationsabbau zu prüfen.

Korrektur zur Quellenbibliothek: Der mit „Sturk et al. 2023“ überschriebene Anhang enthält Amano et al., Batteries 2023, 9, 300; die unten stehende Literaturangabe nennt die korrekten Autoren. Die Metadaten des Anhangs sind serverseitig geschützt.