Risiken der E-Mobilität im Fokus

20. Juni 2023

Risiken der E-Mobilität: Merkle CAE Solutions: Brand- und Explosionsgefahren bei Elektrofahrzeugen mit Hilfe von Simulationstechnologien verhindern

Das Brandverhalten großer Lithium-Ionenakkus bis hin zu gesamten Fahrzeugen rückte in den letzten Monaten des Öfteren in den Fokus des öffentlichen Interesses. In Testlabors (https://www.merkle-partner.de/aktuelles/blog/wasserstoffexplosion-in-pruefkammern-ein-spiel-mit-dem-feuer)werden daher gezielt Kurzschlüsse provoziert, die neben den Bränden auch bei ungünstigen Voraussetzungen zu Explosionen führen können. Merkle CAE Solutions (https://www.merkle-partner.de/de/) bietet auf Basis von Simulationstechnologien nicht nur Unterstützung bei der Vermeidung von Thermal Runaways, sondern auch bei der Auslegung von Prüfkammern für einzelne Zellen, Batteriepacks und gesamte Elektrofahrzeuge hinsichtlich der maximal zu erwartenden Brand- und Explosionslasten.

Erst Ende letzten Jahres wurden Prüfhallenbetreiber von der Wucht der Explosion bei einem provozierten Kurzschluss eines Lithium-Ionen-Akkus überrascht. Ein ganze Halle wurde durch die Explosion stark beschädigt. Die Lasten der Prüfhallen müssen den steigenden Anforderungen der Elektromobilität standhalten. Die freiwerdende Energie eines Batteriebrandes liegt im einstelligen Gigajoule-Bereich. Die Brandleistung beträgt mehrere Megawatt. Beim Brand eines gesamten E-Fahrzeugs steigt die Energie, aber auch die freigesetzte Leistung schnell in den zweistelligen Bereich. Kommen Explosionen hinzu, können Prüfhallen schnell an ihre Grenzen kommen.

Die Wucht der Explosionen und die freiwerdenden Energien sind für Prüfhallenbetreiber (https://www.merkle-partner.de/aktuelles/blog/wasserstoffexplosion-in-pruefkammern-ein-spiel-mit-dem-feuer)ein ernstes Thema. Mit geeigneten CFD-Strömungsprogrammen können Explosionen, ausgehend von den stattfindenden chemischen Reaktionen, genau beschrieben werden. Die Dauer der Explosion, wie auch der Druckverlauf an den Wänden, unter Berücksichtigung der Reflexionen der Druckwellen, lassen sich präzise ermitteln. Ebenso, die entstehenden Temperaturen während des Brandes.

„Betonwände tragen üblicherweise Lasten im Bereich von 10-20 kN/m2. Dies entspricht einem Druck von 0,1-0,2 bar. Bei der Explosion eines Gases unter Umgebungsdruck vergrößert sich das Volumen um circa das 8-fache, was einem maximal erreichbaren theoretischen Druck von 8 bar entspricht. Das ist auch bei E-Fahrzeugen deshalb von Interesse, weil sich während des Brandes einer Lithium-Ionen-Batterie Wasserstoff und andere explosive Gase bilden können. Je nach Sauerstoffgehalt in der Umgebungsluft – Wasserstoff explodiert bei Kontakt mit Sauerstoff – können so auch während eines Brandes weitere Explosionen entstehen. Diese Vorgänge müssen dringend beim Bau oder der Nachrüstung von Prüfhallen berücksichtigt werden. Um die Belastungen der Gebäude und auch der Türen, die oftmals Schwachstellen darstellen, korrekt für die entstehenden Kräfte auszulegen, bieten CFD-Simulationen eine solide Basis“, so Stefan Merkle, Geschäftsführender Gesellschafter der Merkle CAE Solutions (https://www.merkle-partner.de/de/).

Das Unternehmen Merkle CAE Solutions GmbH in Heidenheim wurde 1989 als Merkle & Partner GbR von Luft- und Raumfahrtingenieur Stefan Merkle gegründet. Merkle CAE Solutions GmbH zählt zu den ersten und führenden Dienstleistern für ingenieurwissenschaftliche Berechnungen und Simulationen in Deutschland. Am Hauptsitz Heidenheim und den Niederlassungen Wolfsburg, Homburg/Saar und Erfurt bearbeiten die 50 Mitarbeiter jedes Jahr rund 500 Kundenprojekte aus den Kerngebieten Strukturanalyse, Strömungssimulation und virtuelle Produktentwicklung. Zum Kundenkreis zählen namhafte Unternehmen aus dem Maschinen- und Anlagenbau, der Luft- und Raumfahrttechnik, der Automobilindustrie, der Konsumgüterindustrie und dem Schiffbau.

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