Herkömmliche Batterieüberwachungssysteme verlassen sich auf Temperatur- oder Spannungssensoren, übersehen aber oft frühe Ausfallerscheinungen. Dieser Artikel untersucht, wie das BCM1 Gasmessmodul von ScioSense eine proaktivere Lösung für den thermischen Durchschlag bietet.

Die Welt bewegt sich auf saubere und nachhaltige Technologien zu, insbesondere im Transportwesen. Der Markt für Elektrofahrzeuge (EV) wächst in rasantem Tempo. Im ersten Quartal 2025 wurden weltweit 4,1 Millionen Elektrofahrzeuge verkauft, das sind 29% mehr als im gleichen Zeitraum des vergangenen Jahres. Dieses Wachstum des Marktes für Elektrofahrzeuge wird von China, Europa und Nordamerika angeführt, wo die Verkäufe um 36%, 22% bzw. 16% gestiegen sind^.1

Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion) sind das Herzstück der EV-Technologie. Ihre Fähigkeit, große Energiemengen in kompakten Volumina zu speichern, ermöglicht die Leistung und Reichweite moderner Elektrofahrzeuge. Mit der zunehmenden Energiedichte der Batterien wird jedoch auch die Sicherheit immer wichtiger, insbesondere das Risiko eines thermischen Durchgehens, das zu Bränden oder sogar Explosionen führen kann.

Herkömmliche Batterieüberwachungssysteme stützen sich in der Regel auf Temperatur- oder Spannungssensoren, um Anomalien zu erkennen. Diese Systeme sind einigermaßen effektiv, reichen aber oft nicht aus, um die frühen Warnzeichen eines Batterieausfalls zu erkennen. In diesem Artikel wird erörtert, wie die Gassensortechnologie das Problem des thermischen Durchgehens angeht und wie ScioSense, ein führender Anbieter von fortschrittlichen Umwelt- und Gassensortechnologien, mit seinem Modul zur Überwachung des Batteriezustands (BCM1).

Thermisches Durchgehen und seine Auslöser verstehen

Thermisches Durchgehen ist ein gefährlicher und sich selbst wiederholender Fehlerprozess in Lithium-Ionen-Batterien, bei dem ein kleines Problem wie eine lokale Erwärmung schnell zu einem umfassenden thermischen Ereignis eskalieren kann. Ein thermisches Durchgehen beginnt, wenn die internen Temperaturen über einen kritischen Schwellenwert hinaus ansteigen und die Zersetzung der Batteriematerialien unter Freisetzung von Wärme und Gas beginnt. Die erzeugte Hitze beschleunigt den weiteren Zerfall und löst eine Kettenreaktion aus, die schnell außer Kontrolle gerät. Thermisches Durchgehen ist besonders gefährlich, da es nicht unbedingt eines katastrophalen Ereignisses bedarf, um es auszulösen; auch kleine Fehler können als Auslöser dienen.

Thermisches Durchgehen kann verschiedene Ursachen haben. Zum Beispiel kann eine Überladung oder Überentladung die Batteriechemie destabilisieren, was zu einer Überhitzung führt. Herstellungsfehler wie Verunreinigungen oder falsch angeordnete Schichten können zu internen Kurzschlüssen führen, die unentdeckt bleiben. Ebenso können externe mechanische Beschädigungen wie Vibrationen oder Stöße oder eine längere Aussetzung an hohe Umgebungstemperaturen die Integrität der Batterie mit der Zeit schwächen.

Frühzeitige Anzeichen sind oft zu subtil, um sie mit herkömmlichen Spannungs- oder Temperatursensoren zu erkennen, und wenn diese Indikatoren eine Veränderung registrieren, kann der Runaway-Prozess bereits weit fortgeschritten sein. Darüber hinaus können Hitze oder Feuer von einer Batteriezelle auf die benachbarte Zelle übergehen und so eine thermische Ausbreitung verursachen, die den Effekt des thermischen Durchgehens exponentiell verstärken kann. Daher sind ausgefeiltere Zustandsüberwachungsansätze erforderlich, die die frühesten chemischen Veränderungen innerhalb der Zelle erkennen können, lange bevor sich die traditionellen Messwerte verändern.

Warum gasbasierte Detektion wichtig ist

Herkömmliche Batterieüberwachungssysteme konzentrieren sich in der Regel in erster Linie auf elektrische und thermische Parameter. Diese Indikatoren ändern sich oft erst, wenn ein Fehler bereits weit fortgeschritten ist. Im Gegensatz dazu bietet die gasbasierte Erkennung einen empfindlicheren und proaktiveren Ansatz zur Identifizierung von Fehlern im Frühstadium von Lithium-Ionen-Batterien.

Ein physisches Anzeichen für interne Batterieprobleme ist die Freisetzung von flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs) und Gasen wie Wasserstoff (H₂), Kohlenmonoxid (CO) und niedermolekularen Kohlenwasserstoffen, lange bevor Temperaturspitzen oder Spannungsanomalien auftreten. Diese Gase sind Nebenprodukte der Zersetzung des Elektrolyts, interner Kurzschlüsse oder des Zellverfalls, und ihr Vorhandensein ist ein wichtiges Frühwarnzeichen für einen bevorstehenden Ausfall. Daher kann ein gasbasiertes Überwachungssystem, das diese Gase nachweisen kann, die Sicherheit von Batteriesystemen verbessern.

Das ScioSense BCM1 Modul wurde entwickelt, um diese Emissionen in Echtzeit zu erkennen und zu klassifizieren, indem es die Metalloxid-Sensortechnologie (MOX) verwendet. MOX-Sensoren bieten eine hohe Empfindlichkeit und schnelle Reaktionszeiten, um selbst Spuren von Gas zu erkennen, bevor die Situation eskaliert. Der Erkennungsalgorithmus des BCM1 ist darauf zugeschnitten, batteriebedingte Ausgasungsereignisse von harmlosen Umgebungsschwankungen zu unterscheiden, wodurch Fehlalarme reduziert werden.

Hauptmerkmale des BCM1 für eine zuverlässige Erkennung

Das BCM1-Modul von ScioSense wurde für leistungsstarke, sicherheitskritische Anwendungen wie EV-Batteriepacks entwickelt. Es wurde für eine reibungslose Integration und langfristige Zuverlässigkeit in anspruchsvollen Automobilumgebungen entwickelt. BCM1 kann ein breites Spektrum von Gasen erkennen, darunter VOCs, CO, H₂ und Elektrolytdämpfe.

Neben der MOX-basierten Gassensorik bietet das BCM1 auch optionale Druck- und Feuchtigkeitssensoren, die eine differenziertere Interpretation der erkannten Anomalien ermöglichen. So können beispielsweise Feuchtigkeitsdaten dabei helfen, zwischen harmlosen Umweltveränderungen und ernsthaften internen Ereignissen zu unterscheiden. Ebenso können Druckschwankungen auf Schwellungen oder Leckagen im Batteriegehäuse hinweisen. Dieser Umgebungskontext erhöht die Diagnosegenauigkeit und reduziert falsch-positive Ergebnisse, so dass das Batteriemanagementsystem besser informiert reagieren kann.

Die Integration des BCM1 in bestehende Fahrzeugplattformen wird durch die Unterstützung der Kommunikationsschnittstellen LIN (Local Interconnect Network) und PWM (Pulse Width Modulation) vereinfacht. Diese standardisierten Protokolle gewährleisten die Kompatibilität mit modernen Kfz-Steuerungsnetzwerken und ermöglichen den Datenaustausch in Echtzeit bei minimalem Overhead. Dank dieser Flexibilität können Erstausrüster und Systemintegratoren das BCM1 in verschiedene Batteriearchitekturen einbauen, ohne dass größere Umgestaltungen oder Protokollkonvertierungen erforderlich sind.

Das Design des BCM1-Moduls entspricht den strengen Qualitäts- und Zuverlässigkeitsstandards der Automobilindustrie. Es erfüllt die AEC-Q100-Qualifikationsstandards für elektronische Komponenten in Automobilumgebungen und entspricht den Normen ISO/IATF 16949 und VDA 6.3, die für das Qualitätsmanagement von Zulieferern im Automobilsektor entscheidend sind. Diese Zertifizierungen bestätigen die Robustheit von BCM1 und vereinfachen die Zulassungsprozesse für OEMs.

Das BCM1 befindet sich in einem wasserdichten Gehäuse mit den Schutzklassen IP5K4K, IPx7 und IP9K. Diese Einstufungen gewährleisten die Widerstandsfähigkeit gegen Staub, Strahlwasser, zeitweiliges Untertauchen und Hochdruckreinigung, da solche Bedingungen in Elektrofahrzeugen während des Betriebs und der Wartung häufig anzutreffen sind. Das robuste Design sorgt für langfristige Stabilität und Zuverlässigkeit in rauen Umgebungen oder thermisch dynamischen Batteriefächern.

Neben seinen fortschrittlichen Fähigkeiten und seiner Robustheit ist der BCM1 auch äußerst energieeffizient. Er verbraucht weniger als 30 mA bei 12 V und arbeitet mit einem minimalen Energieaufwand, wodurch die Reichweite des Fahrzeugs erhalten bleibt und die Wärmeabgabe reduziert wird. Dadurch eignet er sich für eine kontinuierliche Überwachung, ohne die Effizienz des Gesamtsystems zu beeinträchtigen. Das BCM1 bietet außerdem flexible Montageoptionen, einschließlich Delphi-Clip- und Bajonett-Konfigurationen, die verschiedene Akkupack-Designs und Fertigungsabläufe unterstützen.

Real-World Testing: Der Beweis für den Vorteil der gasbasierten Detektion

ScioSense hat mehrere Tests zur Validierung der Wirksamkeit der Gasfrüherkennung durchgeführt, einige davon in Zusammenarbeit mit dem TÜV Süd und der Fraunhofer-Gesellschaft, und zwar sowohl an beutelartigen als auch an zylindrischen Li-Ionen-Zellen. Diese Tests beinhalteten absichtliches Überladen, Kurzschlüsse und andere Stressbedingungen, von denen bekannt ist, dass sie ein thermisches Durchgehen auslösen^.2

In einem Test wurde zum Beispiel eine 5Ah LiCoO₂ Pouch-Zelle einer Überladung von 12C ausgesetzt. Das BCM1 Modul entdeckte Gasausgasung fast 40 Sekunden vor dem Beginn des thermischen Durchgehens. Dieses Frühwarnfenster bietet ausreichend Zeit für Abhilfestrategien, wie z.B. die Isolierung der defekten Zelle oder die Einleitung von Kühlprotokollen^.2

In einem anderen Test wurde eine 700mAh IMR14500 zylindrische LiMn-Zelle bei 4C überladen. Auch hier konnte das BCM1 erfolgreich Ausgasungen in einer hermetisch verschlossenen Kammer feststellen. Der Unterschied zwischen Pouch-Zellen (die aufgrund von Niederdruckgehäusen früher ausgasen) und harten zylindrischen Zellen (die unter höherem Druck später ausgasen) wurde deutlich demonstriert. Dies zeigt, wie wichtig es ist, Gase zu erkennen, anstatt darauf zu warten, dass Temperatur- oder Druckschwellenwerte überschritten werden^.2

Integration von BCM1 in EV-Batteriesysteme

Der modulare Charakter des BCM1 ermöglicht eine reibungslose Integration auf mehreren Ebenen des Batteriesystems, einschließlich der Modul-, Stack- und Kanalebene. Seine kompakte Größe und die werkzeuglose Installation vereinfachen die Nachrüstung in bestehende Architekturen und ermöglichen eine präzise Platzierung in der Nähe potenzieller Entlüftungspunkte.

Sobald BCM1 installiert ist, überwacht es kontinuierlich die Batterieumgebung. Wenn Gasemissionen im Frühstadium erkannt werden, kann das System über das BMS verschiedene Sicherheitsmaßnahmen einleiten, z. B. die Senkung des Lade- oder Entladestroms, die Aktivierung einer lokalen oder globalen Kühlung, die Isolierung einzelner Zellen oder Module und die Einleitung einer kontrollierten Systemabschaltung. BCM1 verhindert die physische Ausbreitung eines thermischen Durchgehens, indem es die frühesten Anzeichen einer Batterieschwäche erkennt und die Lebensdauer und Widerstandsfähigkeit des gesamten Batteriesystems verlängert.

BCM1 Battery Condition Monitor für Li-lon Batterien.

Jenseits von EVs: Intelligente Energiesysteme

Obwohl sich BCM1 in erster Linie auf EV-Anwendungen konzentriert, erstreckt sich sein Nutzen natürlich auch auf stationäre Batteriespeichersysteme (BESS). Diese Systeme werden oft in Anlagen für Netzausgleich, Notstromversorgung oder erneuerbare Energien eingesetzt und arbeiten über Jahre hinweg unter schwankenden Last- und Temperaturbedingungen.

In dieser Hinsicht bietet die gasbasierte Zustandsüberwachung einen langfristigen diagnostischen Einblick, der eine vorausschauende Wartung ermöglicht und Batterieausfälle verhindert, die die Betriebszeit gefährden oder zu einem teuren Austausch führen könnten. Da Energiespeichersysteme für die Netzstabilität immer wichtiger werden, werden Sicherheitsüberwachungslösungen wie BCM1 für einen zuverlässigen Betrieb immer wichtiger.

Fazit

Thermisches Durchgehen ist eine der größten und komplexesten Herausforderungen bei der Entwicklung und dem Betrieb von Elektrofahrzeugen und stationären Batteriesystemen. Die Folgen sind schwerwiegend, und die herkömmlichen Überwachungsinstrumente reichen nicht aus, um die Sicherheit der immer energieintensiveren Batterien moderner Elektrofahrzeuge zu gewährleisten.

Das BCM1-Modul von ScioSense bietet eine wichtige Schutzschicht, indem es die frühesten Anzeichen einer Gasfreisetzung erkennt. BCM1 ermöglicht es Ingenieuren, einzugreifen, lange bevor es zu einem Ausfall kommt, und so die Benutzer zu schützen, Vermögenswerte zu erhalten und das Vertrauen der EV-Kunden zu gewinnen.

OEMs und Entwickler von Batteriesystemen, die eine robuste, integrationsfreundliche und reaktionsschnelle Sicherheitslösung suchen, können die ScioSense Website besuchen, um mehr über das BCM1-Modul und die anderen Produkte des Unternehmens zu erfahren.

Referenzen

1. Globale EV-Verkäufe steigen 2025 um 29% im Vergleich zum Vorjahr. (2025) Rho Motion
   [Online] Verfügbar unter: https://rhomotion.com/news/global-ev-sales-up-29-in-2025-from-previous-year/

2. Rolf Pauly (2025) Erkennung von Thermal Runaway in EV-Batterien: Fortschrittliche Frühwarnsysteme. ScioSense.
   [Online] Verfügbar unter: https://drive.google.com/file/d/1dgGNCjR4VQzc8mHzBnVl1E8Bsf5FcGt5/view

3. Factsheet BCM1.
   [Online] Verfügbar unter: https://site_e630c2cf-27d3-4c5a-b919-0364804054fd/wp-content/uploads/2023/12/BCM1-Factsheet-1.pdf

*Artikel veröffentlicht von Wevolver, geschrieben von Taha Khan