Thermal Runaway

Zwischen dem Moment, in dem eine Lithium-Ionen-Zelle anfängt zu versagen, und dem Moment, in dem sie brennt, liegen vier unterscheidbare Stufen. Jede setzt ein anderes Gasbild frei. Wer nur ein Gas misst, sieht davon eine Stufe — und zwar meist die dritte, bei der die Zelle bereits geöffnet hat. Wer das Muster misst, sieht die zweite.

Die vier Stufen und ihre Gasbilder

Die folgende Aufstellung folgt der Arbeit von Essl und Kollegen, erschienen 2021 in Batteries, und der daraus abgeleiteten NANOZ-Analyse für Fahrzeugbatterien.

Auffällig ist der Temperatursprung. Zwischen Stufe b und Stufe c liegen rund hundert Grad und damit, je nach Fehlerbild, Minuten bis Stunden. Zwischen Stufe c und Stufe d liegt der Unterschied zwischen einem geöffneten Zellgehäuse und einem Brand.

Warum ein Wasserstoffsensor zu spät kommt

Der naheliegende Ansatz ist, auf Wasserstoff zu messen. Er entsteht bereits in Stufe a durch unerwünschte Elektrolyse, er ist leicht nachzuweisen, und Sensoren dafür gibt es seit Jahrzehnten.

Das Problem ist nicht der Nachweis, sondern die Unterscheidbarkeit. In Stufe a entsteht Wasserstoff auf Zellebene in kleinen Mengen — dort, wo er noch nicht bis zu einem Sensor am Packgehäuse gelangt. Bis genug Wasserstoff im Messvolumen ist, um eine belastbare Schwelle zu überschreiten, ist die Zelle in aller Regel schon beim Venting angekommen. Sensoren nach dem Wärmeleitfähigkeitsprinzip messen zudem eine Summengrösse: Sie erkennen, dass sich die Wärmeleitfähigkeit des Gasgemischs geändert hat, nicht wodurch.

Das führt zu einem Dilemma, das in der Praxis unter Fehlern erster und zweiter Art bekannt ist. Setzt man die Schwelle niedrig, löst jede Störgrösse von aussen einen Alarm aus — ein Fahrzeug, das in einer Tiefgarage neben einem laufenden Verbrenner steht, oder eine Reinigungsmittelwolke in der Werkstatt. Setzt man sie hoch, erkennt man das Ereignis erst, wenn es ohnehin sichtbar ist. Beides ist für ein Batteriemanagementsystem unbrauchbar.

Was in Stufe b tatsächlich passiert

In Stufe b verdampft der Elektrolyt beschädigter Zellen. Das ist der früheste Zeitpunkt, zu dem sich ein Zellschaden ausserhalb der Zelle bemerkbar macht — und zugleich der schwierigste Nachweis, denn es tritt kein einzelnes Leitgas aus, sondern ein Gemisch.

Erschwerend kommt hinzu: Die Zusammensetzung hängt vom Zelltyp ab. Vier gängige Elektrolytformulierungen ergeben vier verschiedene Gasbilder.

Dazu kommen in allen Fällen Wasser, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Ethan, Wasserstoff und Ethylen. Ein Sensor, der auf ein einzelnes Leitgas kalibriert ist, müsste also für jeden Zelltyp neu ausgelegt werden — und wäre gegenüber einem Zelltyp blind, den der Hersteller später wechselt.

Genau hier liegt der Grund, warum die Aufgabe eine elektronische Nase verlangt und keinen Einzelgassensor: Nicht die Konzentration eines Stoffes ist die Information, sondern das Verhältnis mehrerer Stoffe zueinander. Dieses Verhältnis ist charakteristisch für „Elektrolyt verdampft" und unterscheidet sich von „draussen fährt ein Diesel vorbei".

Warum MOx und nicht optisch oder elektrochemisch

Für die Gasdetektion in Batteriesystemen stehen drei Technologien zur Wahl. Die Arbeit von Essl und Kollegen kommt zum Ergebnis, dass Metalloxidsensoren die besten Kandidaten für die Erkennung von Batteriefehlern sind. Die Gründe sind Geschwindigkeit und Breite: MOx ist der schnellste Gassensor für den Nachweis eines beginnenden Thermal Runaway und erfasst ein breites Band an Gasen gleichzeitig.

Die Bauform entscheidet mit. Ein optischer Sensor misst rund 20 mm im Durchmesser, eine elektrochemische Zelle etwa 9,2 × 12,4 mm. Ein MOx-Chip misst 1,15 × 1,15 mm. In einem Batteriepack, in dem Bauraum in Millimetern gerechnet wird und Sensoren an mehreren Stellen sitzen sollen, ist das kein Nebenaspekt.

Optische Verfahren bringen zudem hohen Stromverbrauch und hohen Preis mit, elektrochemische Zellen altern und müssen nachkalibriert oder getauscht werden. Beides passt schlecht zu einem Bauteil, das über die Lebensdauer eines Fahrzeugs im Pack verbaut bleibt.

Die vier bekannten Schwächen von MOx — und was aus ihnen geworden ist

MOx-Sensoren haben einen schlechten Ruf, und zwar aus vier konkreten Gründen. Sie hier zu verschweigen, wäre unredlich; sie zu nennen, erklärt zugleich, was NANOZ daran geändert hat.

• Selektivität. Der klassische Einwand: Ein MOx-Sensor kann durch Verschmutzungsereignisse ausserhalb des Batteriepacks in die Irre geführt werden — Fehlalarme in beide Richtungen. Das ist der Punkt, den die Musterauswertung über vier Sensorelemente auflöst.
• Stabilität. Alterung und Temperaturänderungen verschieben die Basislinie. Das lässt sich softwareseitig kompensieren, wenn man die Temperatur mitführt und die Drift modelliert — und es ist der Grund, warum ein Feuchte- und Temperatursensor mit auf die Leiterplatte gehört.
• Vergiftung. Verunreinigungen der sensitiven Schicht senken die Empfindlichkeit dauerhaft. Der NZGS 2 trägt deshalb einen hydrophoben Filter mit 0,1 µm direkt im Gehäuse. Silikonverbindungen bleiben trotzdem tödlich für die Schicht — das muss in der Stückliste berücksichtigt werden.
• Leistungsaufnahme. Ein beheizter Sensor braucht mehr Strom als ein Temperatur- oder Drucksensor. Rund 70 mW bei 2 V Heizerspannung sind allerdings eine Grösse, mit der sich in einem Fahrzeug arbeiten lässt.

Wie aus vier Signalen eine Signatur wird

Vier Sensorelemente und zwei Heizer sitzen auf demselben Chip von 1,15 mm Kantenlänge. Weil jedes Element eine andere Schicht, eine andere Lage zum Heizer und damit eine andere lokale Betriebstemperatur hat, entstehen aus einem Gasereignis vier verschiedene Signalverläufe. Ein Deep-Learning-Modell wertet diese vier Verläufe gemeinsam aus.

Das Ergebnis ist eine für jede Gaskonzentration und jedes Gasgemisch charakteristische Signatur. Für die Batterieanwendung heisst das: Nicht „irgendein reduzierendes Gas ist da", sondern „das Muster entspricht verdampfendem Elektrolyt". Wie das im Detail funktioniert, steht auf der Technologieseite; die Kennwerte des Bauteils stehen im Datenblattauszug.

Ein Bauteil, viele Gase — und ein Algorithmus je Anwendungsfall

Die Arbeitsteilung ist dabei bewusst gewählt. Das Sensorbauteil — Siliziumträger, Transducer, sensitive Schicht — ist für eine ganze Gasgruppe dasselbe und deckt VOC, Kohlenmonoxid, Ozon, Ethanol und weitere gleichzeitig ab. Der Algorithmus dagegen wird auf den Anwendungsfall zugeschnitten: ein einzelnes Zielgas oder ein bestimmtes Gemisch, Identifikation und Konzentration, eingebettet im Mikrocontroller des Kunden.

Für einen Batteriehersteller bedeutet das: Die Hardware muss nicht neu qualifiziert werden, wenn sich die Elektrolytformulierung ändert. Neu trainiert wird das Modell.

Wo der Sensor im Pack sitzt

Zwei Einbaulagen kommen in Frage. Im Batteriepack selbst, auf Packebene: Dort erreicht das Gas den Sensor am frühesten, die Umgebung ist thermisch und mechanisch anspruchsvoll. Oder ausserhalb, nahe am Pack: einfacher zu verbauen und zu warten, dafür mit Verzögerung und stärkerem Einfluss der Umgebungsluft.

Die Entscheidung fällt in der Regel zugunsten mehrerer Sensoren im Pack, verteilt über die Module — was nur funktioniert, wenn Bauform und Stromverbrauch das zulassen.

Wie ein Projekt abläuft

Von der ersten Bewertung bis zur Serienlieferung sind drei Phasen vorgesehen. Sie hier zu nennen, erspart die Rückfrage, was ein Einstieg praktisch bedeutet.

• Phase 1 — Technologiebewertung und Sensorcharakterisierung, etwa ein Monat. Prüfung, ob die Zielspezifikation erreichbar ist, und Validierung der sensitiven Schicht für den Anwendungsfall.
• Phase 2 — Entwicklung des KI-Algorithmus, etwa zwei Monate. Training auf die konkrete Gasmatrix, bis der Nachweis für den Anwendungsfall erbracht ist. Die Entwicklung übernimmt NANOZ oder der Kunde.
• Phase 3 — Integrationsunterstützung, vier bis sechs Monate. Charakterisierung des Geräts, industrielle Begleitung bis zur Fertigung.

Parallel dazu läuft die Produktentwicklung auf Kundenseite, für die sechs bis achtzehn Monate üblich sind. Zwischen Design-Win und Serienlieferung liegen also realistisch anderthalb bis zwei Jahre — eine Zeitachse, die zu Fahrzeugprojekten passt und die man kennen sollte, bevor man anfängt.

Was der Gesetzgeber inzwischen verlangt

Die Vorwarnzeit ist längst keine Frage der Produktphilosophie mehr. China hat mit GB 38031-2020 als erstes Land eine Fünf-Minuten-Vorwarnung verbindlich gemacht: Nach dem thermischen Versagen einer Zelle darf es mindestens fünf Minuten lang weder brennen noch explodieren, damit die Insassen aussteigen können.

Die Nachfolgefassung GB 38031-2025 ist seit Juli 2026 für neue Fahrzeuge verbindlich und verschärft das deutlich: kein Feuer und keine Explosion für zwei Stunden nach dem auslösenden Ereignis. Das Alarmsignal muss spätestens fünf Minuten nach dem ausgelösten Thermal Runaway einer Zelle vorliegen, und in dieser Zeitspanne darf kein Rauch in den Fahrgastraum gelangen.

Für die Sensorik folgt daraus eine schlichte Rechnung. Die fünf Minuten laufen ab dem ausgelösten Runaway. Wer erst beim ersten Venting misst, verbraucht einen erheblichen Teil dieses Budgets für die Detektion selbst und hat für Warnung, Abschaltung und Eingriff entsprechend weniger übrig. Wer eine Stufe früher erkennt, gewinnt genau dort Reserve, wo sie gebraucht wird.

Was der Sensor nicht leistet: Er macht ein Batteriesystem nicht normkonform. Die Prüfungen nach GB 38031 richten sich an das Batteriesystem als Ganzes, nicht an ein Bauteil. Eine frühere Detektion ist ein Baustein davon — kein Nachweis.

Warum Fehlalarme teurer sind als sie aussehen

In der Sensorik unterscheidet man Fehler erster Art — Alarm ohne Ereignis — und zweiter Art — Ereignis ohne Alarm. In der Batterieanwendung haben beide unangenehme Folgen, aber unterschiedlicher Natur.

Ein Fehlalarm führt im günstigen Fall dazu, dass ein Fahrzeug in die Werkstatt kommt und nichts gefunden wird. Im ungünstigen Fall lernt der Fahrer, die Warnung zu ignorieren — und dann ist der Alarm auch dann wirkungslos, wenn er berechtigt ist. Für den Hersteller kommen Garantiefälle, Rückrufaktionen und ein Reputationsschaden hinzu, der sich nicht beziffern lässt.

Ein übersehenes Ereignis ist der Fall, für den die Norm gemacht wurde. Er ist seltener, aber er trägt das gesamte Haftungsrisiko.

Beide Fehlerarten entstehen aus derselben Ursache: Ein Sensor, der nur einen Summenwert liefert, muss über eine Schwelle entscheiden. Und jede Schwelle, die tief genug für frühe Erkennung liegt, ist auch tief genug für die Störgrössen der realen Umgebung. Die Musterauswertung dreht die Frage um: Nicht „ist der Wert über der Schwelle", sondern „passt das Muster zu verdampfendem Elektrolyt". Ein vorbeifahrender Diesel erzeugt ein anderes Muster, egal wie hoch sein Absolutwert ist.

Warum Gas früher dran ist als Temperatur, Spannung und Druck

Ein Batteriemanagementsystem misst ohnehin. Die Frage ist, was es zuerst sieht.

• Zellspannung. Ein interner Kurzschluss zeigt sich als Spannungseinbruch — aber erst, wenn er ausgeprägt genug ist. Frühe Elektrolytzersetzung geht spannungsseitig im Rauschen unter.
• Temperatur. Temperatursensoren sitzen an einzelnen Punkten und messen über Wärmeleitung. Bis eine lokale Zellerwärmung den nächsten Fühler erreicht, vergeht Zeit, und der Temperaturanstieg selbst setzt erst spät ein — der grosse Sprung liegt zwischen Stufe b und Stufe c.
• Druck. Ein Drucksensor im Pack registriert das Venting. Das ist per Definition Stufe c.
• Gas. Gas bewegt sich mit der Strömung im Pack, nicht über Wärmeleitung, und es entsteht in Stufe a und b — also bevor es thermisch oder mechanisch etwas zu messen gibt.

Das ist kein Argument gegen die anderen Grössen; ein Batteriemanagementsystem braucht sie alle. Es ist ein Argument dafür, dass die Gasmessung den frühesten verfügbaren Kanal darstellt — und dass sie deshalb der Ort ist, an dem Vorwarnzeit gewonnen wird.

Was eine Messkampagne für einen Zelltyp braucht

Damit die Klassifikation für eine bestimmte Zelle funktioniert, muss sie darauf trainiert werden. Der Aufwand dafür ist überschaubar, aber er ist nicht null, und er lässt sich nicht überspringen.

Gebraucht werden Aufnahmen des Sensorsignals unter drei Bedingungen: Referenzluft für die Basislinie, die Zielgase in bekannten Konzentrationen — also die Elektrolytlösungsmittel des jeweiligen Zelltyps, einzeln und im Gemisch — und Störgrössen, die im Einbauort realistisch vorkommen. Der letzte Punkt wird regelmässig unterschätzt und entscheidet über die Fehlalarmrate.

Dazu kommen die Randbedingungen: Temperatur und Feuchte über den erwarteten Bereich, weil beide das Signal verschieben, sowie mehrere Exemplare des Sensors, weil die Kennwerte von Chip zu Chip schwanken. Erst aus dieser Datenbasis entsteht ein Modell, das im Merkmalsraum sauber trennt — und erst die Clustertrennung zeigt, ob die Aufgabe überhaupt lösbar ist.

Was der Sensor in dieser Anwendung nicht leistet

• Er lokalisiert nicht. Ein Sensor meldet, dass Elektrolyt verdampft, nicht welche Zelle betroffen ist. Für eine Ortung braucht es mehrere Sensoren und eine Auswertung ihrer Laufzeitunterschiede.
• Er misst nur, was ihn erreicht. Ein Pack mit dichten Modulkammern kann Gas lange einschliessen. Die Strömungsführung im Pack entscheidet mit über die Vorwarnzeit — die Sensorposition ist ein konstruktives Thema, kein Zubehörthema.
• Er ersetzt keine Redundanz. Für sicherheitsrelevante Funktionen gilt dasselbe wie sonst: Ein einzelner Kanal reicht nicht. Der Einsatz in sicherheitskritischen Anwendungen verlangt nach unseren Bedingungen ohnehin eine gesonderte schriftliche Vereinbarung.
• Er altert. Basislinienverschiebung durch Alterung ist kompensierbar, aber sie ist da. Ein Konzept für Rekalibrierung oder Selbstdiagnose über die Fahrzeuglebensdauer gehört in die Architektur.

Worauf es hinausläuft

Die Frage bei der Batterieüberwachung ist nicht, ob sich ein Thermal Runaway detektieren lässt — spätestens in Stufe c tut das jeder brauchbare Sensor. Die Frage ist, ob die Meldung früh genug kommt, um noch etwas zu unternehmen, und ob sie zuverlässig genug ist, dass ihr jemand glaubt.

Beides hängt an derselben Eigenschaft: der Fähigkeit, ein Gasgemisch von einem anderen zu unterscheiden. Ein Einzelgassensor hat sie nicht. Ein MOx-Sensor mit vier Elementen und einer darauf trainierten Klassifikation hat sie.

Quellen: Essl, C. et al., Early Detection of Failing Automotive Batteries Using Gas Sensors, Batteries 7(2), 2021; NANOZ, Detection of Failing Automotive Batteries, September 2023; Datenblatt NANOZ NZGS 2, Revision 3.3.0.