Eine Ansammlung von Fehlern

Letzte Woche gab es in New York City einen nächtlichen Brand in einem E-Bike-Geschäft, bei dem vier Menschen in den darüber liegenden Wohnungen an Rauchvergiftung starben, während zwei weitere ins Krankenhaus eingeliefert wurden. Dies ist der 13. Todesfall in diesem Jahr, mehr als doppelt so viele wie im gesamten Jahr 2022. Allein in New York City gab es über 100 Brände, und weltweit gab es bis Mai 2023 über 500 Brände von Lithium-Ionen-Akkus.

Wie die Leser dieses Newsletters bereits wissen, hat Soteria ein Projekt gestartet, um zu verstehen, wie E-Bike-Akkus konstruiert sind und welche Maßnahmen ergriffen werden, um ihre sichere Nutzung zu gewährleisten. Wir haben unsere Umfrage und Interviews mit E-Bike-Fahrern nun abgeschlossen und acht neue E-Bike-Akkupacks zerlegt. Die Ergebnisse offenbaren eine harte Realität, die für diejenigen, die ihr zum Opfer gefallen sind, tragisch ist.

Gestern haben wir eine Pressemitteilung mit einer Zusammenfassung dieser Ergebnisse veröffentlicht. Es ist ernüchternd zu sehen, dass die Sicherheit einer Gemeinschaft von der breiten Darstellung technischer Fehler abhängt, die wir gefunden haben. Hier werde ich die Bedeutung einiger technischer Erkenntnisse aus dem Inneren des Akkupacks diskutieren.

Gefälschte Zellen

Zwei der Akkupacks schienen gefälschte Samsung-Zellen zu enthalten. Bitte sehen Sie sich das Bild an, das diesem Newsletter beigefügt ist und die echten Zellen und die gefälschten Zellen zeigt, die wir aus zwei der Akkupacks entnommen haben.

Unternehmen wie Samsung haben jahrzehntelange Entwicklungsarbeit in ihre Fertigungs-, Qualitäts- und Inspektionsprozesse gesteckt, die eine konsistente, qualitativ hochwertige Zelle gewährleisten. Unternehmen, die ihre eigenen Zellen herstellen und sie als Samsung-Zellen umetikettieren, sparen fast mit Sicherheit an allen Ecken und Enden, um niedrige Kosten und höhere Gewinnspannen zu erzielen. Wahrscheinlich verfügen sie nicht über die Skaleneffekte, die Samsung hat, und verwenden daher zweitklassige Materialien und schlecht konstruierte und verfeinerte Prozesse. Am Ende des Tages, wenn ein Unternehmen bereit ist, über das Produkt auf der Außenseite zu lügen, wie sehr können Sie dem vertrauen, was im Inneren ist? Siehe auch den Abschnitt unten zur Zellbalance, um zu verstehen, wie sich dies auswirken kann, wenn der Rest des Akkupacks dies nicht berücksichtigt.

Unzureichender Abstand zwischen den Zellen

Die meisten Akkupacks hatten überhaupt keinen Abstand zwischen den Zellen, und in einigen Fällen waren die Zellen miteinander verklebt. Aber kein einziger Akkupack hatte mehr als 1 mm Abstand. Unsere Tests, sowie ein Gespräch mit dem CTO eines sehr großen Unternehmens für Kleingeräte-Akkupacks, bestätigen, dass mindestens 3 mm erforderlich sind, um eine geringe Wahrscheinlichkeit einer Zell-zu-Zell-Ausbreitung des thermischen Durchgehens zu haben. Bei all diesen Akkupacks ist es fast sicher, dass, wenn eine einzelne Zelle ausfällt, der Rest des Akkupacks ebenfalls in ein thermisches Durchgehen gerät, was den Brand 50 bis 100 Mal größer macht. Dies reicht aus, um den Raum und das Gebäude in Brand zu setzen, wie es so oft bei den gemeldeten E-Bike-Bränden geschehen ist.

Unzureichender Zellschutz

Eine weitere Möglichkeit, eine Zelle vor einer anderen zu schützen, besteht darin, Isoliermaterialien zwischen den einzelnen Zellen anzubringen. Auch hier hatte keiner dieser Packs Schutzmaterialien zwischen den Akkupacks. Dies kann die Zell-zu-Zell-Ausbreitung des thermischen Durchgehens verhindern oder verlangsamen, und es gibt eine Fülle von Materialien, die für diese Anwendung verkauft werden. Dies ist ein weiterer relativ einfacher Schutzmechanismus, der bisher in keinem der von uns zerlegten Akkupacks verwendet wurde.

Fehlende Zellbalancierung

Vier der Akkupacks hatten ein Batteriemanagementsystem (BMS), das ausdrücklich angab, keine Zellbalancierung vornehmen zu können, während drei weitere die Zellbalancierung nicht als Teil der Funktionen des BMS erwähnten. Nur einer hatte eine verifizierte Zellbalancierung.

Die Zellbalancierung – d.h. das Angleichen des Ladezustands der Zellen am Ende jedes Ladezyklus – ist möglicherweise nicht notwendig in einem intelligent aufgebauten, relativ kleinen Akkupack, der in einer kontrollierten Umgebung verwendet wird. Bei Akkupacks, bei denen die Zellen vor dem Zusammenbau nicht sortiert werden oder die extremen Bedingungen wie Feuchtigkeit, Temperaturen, Vibrationen oder Missbrauch ausgesetzt sind – alles sehr wahrscheinlich bei E-Bike-Akkus – ist die Zellbalancierung entscheidend, um sicherzustellen, dass keine schwache Zelle überladen, tiefentladen oder überhitzt wird. Das Fehlen einer Zellbalancierung wird verstärkt, wenn die Qualität der Zelle geringer ist – in diesem Fall kann die Variation der Eigenschaften wie Kapazität und Innenwiderstand von Zelle zu Zelle relativ hoch sein, und diese Variation wird verstärkt, wenn der Akkupack verwendet und zyklisch beansprucht wird.

UL-Zertifizierung

Einer der Akkupacks war nach der Norm UL 2271 für Akkupacks für leichte Elektrofahrzeuge, einschließlich E-Bikes, zertifiziert, während zwei weitere für Fahrräder gebaut wurden, die nach der Norm UL 2849 zertifiziert waren, die für E-Bikes gilt, aber eine Komponente für die Akkupacks enthält.

Ein flüchtiger Blick auf UL 2271 zeigt, dass es sich um eine relativ große Sammlung von Tests handelt, die im Vergleich zu den Belastungen, denen E-Bikes ausgesetzt sind, sehr mild sind. Der Standard umfasst einen einzelnen 1-Meter-Falltest, eine Überladung um 10 % über die angegebene Spannung, einige leichte Vibrationen und ein 2-stündiges Eintauchen, Temperaturzyklen und einige andere Tests. Der Standard berücksichtigt jedoch keine der oben genannten Mängel. Eine vollständige Überprüfung werden wir später vornehmen, wenn das Projekt abgeschlossen ist.

Die nächste Phase des Projekts

Die nächste Phase des Projekts umfasst drei verschiedene Experimente:

• Demontage neuer Akkus: Zerlegen weiterer 10 – 12 neuer Akkupacks, um ein vollständigeres Bild dessen zu erhalten, was wir oben präsentiert haben.
• Demontage gebrauchter Akkus: Zerlegen gebrauchter Akkupacks, wobei Verschleiß- und Missbrauchsstellen dokumentiert und die Variation und der Gesundheitszustand der Zellen in den Akkupacks gemessen werden.
• Messung während der E-Bike-Fahrt: Anbringen von Messgeräten an E-Bikes während des Gebrauchs in verschiedenen Szenarien, um die tatsächliche Temperatur, Vibration, Stoßeinwirkung und andere Aktivitäten zu messen, um sie mit den Designs und Standards zu vergleichen.

Wie beheben wir diese Mängel?

Diese entscheidenden Mängel waren relativ weit verbreitet – gefälschte Zellen, unzureichender Zellabstand, unzureichender Zellschutz und fehlende Balancierung – und können die Sicherheit der Akkupacks dramatisch beeinträchtigen. Ich erwarte, dass die nächsten Phasen ebenso interessante Informationen liefern werden.

Soteria wird am 16. und 17. Oktober in Greenville, SC, auf dem Campus des Clemson University International Center for Automotive Research (CU-ICAR) ein Treffen der Projektteilnehmer abhalten, um alle Ergebnisse und Erkenntnisse zu überprüfen. Nach diesem Treffen werden wir eine Reihe von empfohlenen Best Practices für die Entwicklung eines sicheren E-Bike-Akkus zusammenstellen, die voraussichtlich mit einem relativ geringen Kostenanstieg übernommen werden können.

Um teilzunehmen, melden Sie sich bitte für das Projekt an, indem Sie https://soteriabig.com/ebike-project/ besuchen.