Lithium-Ionen-Akkus in der Luftfahrt

[Schwabe]

Aufgeschreckt durch diesen Artikel im deutschen Akademiker Schundblatt SPON

http://www.spiegel.de/wissenschaft/technik/pannen-jet-dreamliner-batterien-werden-zu-boeings-alptraum-a-877882.html frage ich mal die Techniker. Deshalb auch hier versteckt:D

Lithium-Ionen-Akkus in Handys und Elektroautos wird ja die Tendenz zur Selbstzerstörung durch plötzliches Entflammen nachgesagt. Auch scheinen diese Akkus als Luftfracht nicht den besten Ruf zu haben, da sie ab und an Frachtflieger am ordnungsgemäßen Weiterflug zu hindern scheinen.

Kann man diese Tendenz der Lithium-Ionen-Akkus soweit in den Griff bekommen, das sie keine weiter Gefahrenquelle an Bord eines Flugzeuges darstellt? Egal ob als Fracht oder im Flieger fest eingebaut.

[Nifat]

Der Artikel ist ziemlich gut geschrieben, für die Allgemeinheit halt. Meine Meinung.

 

Hier mal der link zur beschriebenen "Art Sonderverfahren für die Zulassung " der FAA:

http://rgl.faa.gov/Regulatory_and_Guidance_Library/rgSC.nsf/0/80b9e22f91f3ae59862572cd00701404!OpenDocument&ExpandSection=-7,-4#_Section7

Dort lernt man, dass es auch für den A380 eine solche Sonderzulassung gilt. (nur für dessen emergency lights)

 

 

Und wer sich aus aktuellem Anlass zum Thema Batterien kluglesen will empfehle ich einen Abstecher in die Battery University:

http://batteryuniversity.com/learn/article/types_of_lithium_ion

Jede Menge Information dort.

 

mfg Hansueli

[Volume]

Kann man diese Tendenz der Lithium-Ionen-Akkus soweit in den Griff bekommen, das sie keine weiter Gefahrenquelle an Bord eines Flugzeuges darstellt?

Klare Antwort: Ja. (Yes we can)

Die Frage ist, will man das Gewicht, das Bauvolumen, die Kosten... dafür investieren. Die Frage "welche Batterie ist im Flugzeug am besten" ist sehr, sehr komplex zu beantworten. Leider werden derartige Entscheidungen heute aber im Management auf Basis von 5-10 Powerpoint Folien getroffen. Und Li-Ion Akkus haben definitiv bestimmte vorzüge, daher ist die Wahl nachvollziehbar.

Da wo in konventionellen Flugzeugen die Batterien eingebaut sind, herrschen mal locker alle Temperaturen von -50°C bis +70°C. Und z.B. die APU Batterie muss sowohl nach 10 Stunden bei -50°C im Landeanflug die APU starten können, als auch nach 10 Stunden in Dubai auf der Abstellfläche bei 70°C. Das sind Anforderungen, auf die sich Batterientwickler nicht unbedingt konzentrieren. Nun kann man natürlich eine Klimatisierung einbauen, aber dann rechnet sich der betreffende Batterietyp nicht mehr.

Es gibt ganz sicher heute bessere Technologie für Flugzeuge als NiCd Batterien, aber es gibt keine mit auch nur annähernd der Erfahrung wie sie sich im Flugzeug verhalten. Von daher machen wir gerade einen Großversuch und lernen. Am Ende wird eine gleich sichere, aber bessere Technologie stehen.

 

Gruß

Ralf

[Schwabe]

Erstmal vielen Dank für die rege Beteiligung, war wohl doch etwas zu gut versteckt.

 

@Nifat

Danke für die links, aber mangels Grundkenntnissen und technischem Englisch für mich leider nicht verwertbar

 

... aber es gibt keine mit auch nur annähernd der Erfahrung wie sie sich im Flugzeug verhalten. Von daher machen wir gerade einen Großversuch und lernen...

Und Du meinst, die kommerzielle Verkehrsluftfahrt ist der richtige Ort dafür?

Wären nicht Formel1 oder Le Mans Rennwagen die geeignete Spielwiese für die Entwicklungsingenieure?

[sheckley666]

Erstmal vielen Dank für die rege Beteiligung, war wohl doch etwas zu gut versteckt.

 

@Nifat

Danke für die links, aber mangels Grundkenntnissen und technischem Englisch für mich leider nicht verwertbar

 

 

Und Du meinst, die kommerzielle Verkehrsluftfahrt ist der richtige Ort dafür?

Wären nicht Formel1 oder Le Mans Rennwagen die geeignete Spielwiese für die Entwicklungsingenieure?

 

Hallo,

 

wann war denn das letzte 10-stündige Formel-1-Rennen bei -50°C? ;)

 

Grüsse, Frank

[polar]

Ich warte noch bis die Presse "entdeckt", dass in Li-Ionen Akkus typischerweise LiPF6 (Lithium-Hexafluorophosphat) als Elektrolyt zum Einsatz kommt. Hat leider die unschöne Eigenschaft dass bei Kontakt mit Wasser HF entsteht. Und damit ist sind nicht Radiowellen gemeint sondern Flusssäure.

Allgemein denke ich aber man bekommt das bei der 787 Griff. Ein wenig erstaunlich ist es schon, dass man nicht bei Tests schon darauf gestossen ist, denn eigentlich ist ja bekannt dass Li-Ionen und LiPo ein wenig eigenwillig sein können. Aber ich vermute mal da war zu wenig Zeit um ausführlich zu Testen oder die Bedenken der Ings haben auf den powerpointfoilen die diversen Managementstufen-Filter nicht überstanden.

 

gruss

 

philippe

[sirdir]

wann war denn das letzte 10-stündige Formel-1-Rennen bei -50°C? ;)

 

Nun ja, mir ist zu Ohren gekommen, dass gewisse Teile des Flugzeugs geheizt sind.

[Volume]

Nun ja, mir ist zu Ohren gekommen, dass gewisse Teile des Flugzeugs geheizt sind.

Die allermeisten Teile eines Flugzeugs sind gekühlt... OK, das Aufheizen passiert zwangsweise wenn man die Luft auf einen atembaren Druck komprimiert. Viele Komponenten sind da untergebracht, wo unter Freunden Umgebungstemperatur und -druck herrscht, z.B. in der Verkleidung des Flügel-Rumpf-Übergangs, im Heck hinter der Druckkabine, im Fahrwerksschacht etc.

 

Hexafluorophosphat

Na, der Umgang damit ist doch keine Hexarei :D

 

Gruß

Ralf

[sirdir]

Die allermeisten Teile eines Flugzeugs sind gekühlt...

 

OK, ich hab mir noch überlegt, ob ich... hätte ich nur... :) Die seitelnage Diskussion ist mir noch gut im Kopf.

Wenn es draussen -50 ist und drinnen +20 fällt es halt etwas schwer von 'gekühlt' zu sprechen. Einigen wir uns auf klimatisiert. -50 Grad sollten die Akkus jedenfalls höchstens in Sibiren über Nacht abbekommen.

[Schwabe]

Hallo,

 

wann war denn das letzte 10-stündige Formel-1-Rennen bei -50°C? ;)

 

Grüsse, Frank

Welcher Akku gibt denn bei -50°C noch Lebenszeichen von sich?

Das Hauptproblem ist doch bisher die Überhitzung, oder?

 

PS

Bei 24 Stunden Rennen wird schon mal länger als 10 Stunden gefahren - wenn die Akkus mitmachen:D

[Chipart]

Es gibt ganz sicher heute bessere Technologie für Flugzeuge als NiCd Batterien, aber es gibt keine mit auch nur annähernd der Erfahrung wie sie sich im Flugzeug verhalten. Von daher machen wir gerade einen Großversuch und lernen.

 

Das ist masslos übertrieben! Natürlich gibt es im Bereich der UAVs (nicht nur relativ moderne Drohnen sondern auch Wetterballone, etc.) schon sehr viel Erfahrung dazu. Auch zu extremen Klimabedingungen in Arktis und Wüste hat man beliebig viel Erfahrung mit den verschiedenen Technologien.

Zudem muss man zumindest nach dem heute bekannten Problemen der 787 feststellen, dass es sich nicht um "flugzeugtypische" Probleme zu handeln scheint, sondern weder Druck noch (Aussen-)temperatur wesentlich massgeblich zu sein scheinen: Keiner der bekannten Störfälle ereignete sich nach 10 Stunden bei minus oder plus 50 °C.

 

Es erscheint mir mehr als "ganz normale" ingenieursmässige Herausforderung bei der Implementierung einer relativ neuen Technologie in einem großen Komplexen System, dass unter großem Zeitdruck fertig gestellt werden musste. Hätte man dem Projekt 2 Jahre mehr Entwicklungs-/Testzeit gegeben, dann würde heute niemand die Frage nach der Eignung der Technologie stellen.

 

Florian

 

P.S.: Und für die Schlauen: Flusssaeure reagiert regiert kaum mit dem ja durch eine Oxidschicht passiviertem Alluminium. Das müsste dann schon so heiss sein, dass der Flieger auch ganz ohne HF strukturelle Probleme hätte......

[Volume]

Natürlich gibt es im Bereich der UAVs (nicht nur relativ moderne Drohnen sondern auch Wetterballone, etc.) schon sehr viel Erfahrung dazu.

Sorry, aber das Leben einer Batterie in einem UAV oder Wetterballon ist wohl nicht ansatzweise mit dem eines Linienflugzeugs vergleichbar.

Keiner der bekannten Störfälle ereignete sich nach 10 Stunden bei minus oder plus 50 °C.

Wie lange fliegt man von Japan nach Boston? Wie kalt ist es auf Flugfläche 390 zwischen Japan und Boston?

Wie kalt wird es während des Fluges im hinteren Electronic Compartment? (das ist jetzt eine ernst gemeinte Frage)

Ist das Szenario nicht, dass eine Batterie Stundenlang im kalten Flugzeug rumgeschaukelt wurde, dann in kalt eine APU starten musste, anschließend am Boden wieder geladen wurde und dabei wieder warm wurde. Was dann genau passiert ist, muß soweit ich das sehe erst noch verstanden werden.

Und dieses Szenario kommt soweit ich das sehe bei Verkehrsflugzeugen jeden Tag regelmäßig vor, bei UAVs aber nie. Da wird nicht die Batterie nach langem Flug plötzlich gebraucht, den Motor zu starten.

 

Welcher Akku gibt denn bei -50°C noch Lebenszeichen von sich?

Luftfahrtakkus ? :009:

Im Prinzip jeder, dessen Electrolyt bei dieser Temperatur noch einen vernünftigen Ionenfluss erlaubt. Batterien in Satelliten funktionieren ja schliesslich auch. Keine Ahnung wann Lithium-Hexafluorophosphat einfriert.

Bleiakkus können wohl so um die -30°C ab, mein Auto springt jedenfalls bei -25°C noch problemlos an ohne übermäßig schlapp zu klingen (jedenfalls in den ersten beiden Wintern einer neuen Batterie...)

 

Es wäre interessant genau zu wissen, wie Li-Ion Akkus bei verschiedenen Temperaturen reagieren. Ob z.B. die Temperatur bekannt sein muss, um den Ladezustand aus Spannung/Strom/Ladekurve bestimmen zu können. Wie die Temperatur die Kapazität beeinflusst und ob/wie die entsprechenden Zusammenhänge sich mit dem Alter der Batterie verändern.

 

Gruß

Ralf

[ILS28]

Luftfahrtakkus ? :009:

Im Prinzip jeder, dessen Electrolyt bei dieser Temperatur noch einen vernünftigen Ionenfluss erlaubt. Batterien in Satelliten funktionieren ja schliesslich auch. Keine Ahnung wann Lithium-Hexafluorophosphat einfriert.

Bleiakkus können wohl so um die -30°C ab, mein Auto springt jedenfalls bei -25°C noch problemlos an ohne übermäßig schlapp zu klingen (jedenfalls in den ersten beiden Wintern einer neuen Batterie...)

 

Satellitenbatterien werden mittels Radiatoren und Heatern in einem eng definierten Temperaturbereich gehalten. Herstellerangaben eines Batterienzulieferers für die Raumfahrt [1]:

NiCd: 0 - 25 °C

NiMH: 0 - 25 °C

NiH2: 0 - 20 °C

AgZn: -20 °C - +75 °C

Li-Ion: 0 - 40 °C

 

Ich nehme daher an, dass für Luftfahrtbatterien ähnliche Temperaturbereiche eingehalten werden müssen.

 

Als interessante Nebenbemerkung:

Der Batteriehersteller der B787 soll übrigens demnächst auch für die ISS Batterien liefern [2]. Es verwundert daher nicht, dass auch die Raumfahrtcommunity derzeit mit Argusaugen auf die Entwicklung der Batteriegeschichte der B787 schaut...

 

[1] http://www.clyde-space.com/products/spacecraft_batteries/useful_info_about_batteries/secondary_batteries

[2] http://www.nextgov.com/emerging-tech/2013/01/nasa-contracted-787-battery-supplier-space-station-batteries/60724/

 

Gruss,

Dominik

[Volume]

Mal als ein Beispiel: Concorde gibt für ihre RG-380E/40B "Turbine Starting Aircraft Battery" Platinum Series Battery noch Leistungswerte für -30°C an (die allerdings nur noch gut die Hälfte der Werte bei 23°C sind). Diese batterien sind dafür gebaut, bei -30° ein Strahltriebwerk zu starten.

Die TSO für Blei und NiCd Flugzeugbatterien sagt nichts über Temperaturen (was einiges über die Vorschriftenlage aussagt...)

Von IEEE gibt es eine Veröffentlichung die sagt

Sealed maintenance-free nickel-cadmium batteries are now in production and in use on many air-frames. Life is predicted to be as long as 20 years in some applications. The efficiency of the batteries at different temperatures must be known in order to design proper charge algorithms and to determine suitability and capability. The cyclic charge efficiency of sealed batteries at various charge rates is presented over the temperature range of −40°C to +70°C. These data demonstrate the impressive potential of the sealed nickel-cadmium battery in aircraft applications

 

Und die Russen haben Flugzeugbatterien für -50° bis +50°. So klappt auch das Anlassen in Krasnojarsk im Winter....

 

Gruß

Ralf

[ILS28]

Ich sehe, die Luftfahrt lässt hier wesentlich grössere Temperaturbereiche zu. Habe noch diese Infos gefunden [1]:

Bleiakkus: -30°C - 60-70°C

NiCd: -40°C - 50-60°C

 

Fast am Schluss gibt's noch einen Abschnitt über die Verwendung in kommerziellen Flugzeugen:

The worst-case condition is starting at altitude with a cold APU and a cold battery; normally, a lower temperature limit of -18°C is used as a design point.

 

Die Frage ist aber, macht es auch Sinn, die Batterien in diesen Temperaturbereichen zu betreiben (Lebensdauer, Wirkungsgrad, etc.)

Sind Flugzeugbatterien wirklich Umgebungstemperaturen ausgesetzt? Ich hätte erwartet, dass auch hier Heater eingesetzt würden...

 

Gruss,

Dominik

 

[1] http://www.davi.ws/avionics/TheAvionicsHandbook_Cap_10.pdf

[Volume]

Sind Flugzeugbatterien wirklich Umgebungstemperaturen ausgesetzt? Ich hätte erwartet, dass auch hier Heater eingesetzt würden...

Nun, das hängt an diversen anderen Randbedingungen...

Gerade bei kleineren Flugzeugen (z.B. Businessjets) möchte man die Kabel zwischen Batterie und Anlasser so kurz wie möglich halten (Gewicht, Widerstand), also baut man die Batterie so nah wie möglich an die Triebwerke, also hinter den Druckschott wo nicht klimatisiert wird.

Da Batterien schon mal lecken (und das mit sehr aggresiven Medien), möchte man sie ausserdem da einbauen, wo darunter nichts mehr ist ausser Aussehaut und Drainbohrungen. Dazu kommt das man zur Wartung gut rankommen möchte, und Platz gibt es eigentlich auch nur im unbedruckten/unklimatisierten Bereich reichlich. Bei der Dornier 328 sind sie z.B. in den "Beulen" der Fahrwerke untergebracht.

Je größer der Flieger, desto leichter bringt man die Batterie in einem bedruckten Compartment unter, das meist zur Kühlung klimatisiert ist, da die sonstige Elektronik viel Abwärme produziert.

Umgebungstemperatur ist daher vielleicht etwas zu harsch formuliert, aber deutlich kälter als in der Kabine wird eine Batterie im Flug in der Regel schon.

 

Gruß

Ralf

[Milhouse]

Noch ein paar Links zum Thema:

 

http://lange-flugzeugbau.com/htm/deutsch/produkte/antares_20e/batteriesystem.html

 

http://schempp-hirth.com/index.php?id=nimbus-4dm1

 

http://www.front-electric-sustainer.com/

 

Die Akkus bei der Antares und beim ARCUS E sind geheizt, beim FES weiss ich es nicht. Man kann den Antrieb auch starten wenn die Akkus kalt sind, aber wenn möglich sollte man warten bis sie auf Temperatur sind damit die volle Kapazität genutzt werden kann.

 

So wie ichs verstanden habe heizen sich die Akkupacks "selber" durch Verbraten von elektrischer Energie. Natürlich wirds nicht -50° im Flügel, aber -20° können es schon werden.

[Volume]

Wobei die Batterieheizung nur dazu da ist, die vorhandene chemische Energie in der Batterie in ein Maximum an elektrischer zu verwandeln. Funktionieren würde die Batterie auch bei tieferen Temperaturen. Es kommt natürlich auch sehr auf den Batterietyp an, NiMH kann wohl unter -20°C praktisch gar nichts mehr, LiIon wird wohl nur schlecht, so dass es besser ist, erst 5% der gespeicherten Energie in das Aufheizen zu investieren, und dann die anderen 95% mit doppeltem Wirkungsgrad zu nutzen (5% investiert um am Ende 190% rauszubekommen).

In Verkehrsflugzeugen ist der Wirkungsgrad weniger entscheidend, als die sichere Verfügbarkeit. Und die Batterie ist für den geplanten Zweck (z.B. die APU zu starten) kapazitätsmäßig völlig überdimensioniert. Es geht nie darum, das letzte Bisschen Energie rauszuquetschen. Die Strommenge dimensioniert den Akku, nicht die Kapazität. Die Batterien in den Elektroseglern sind dafür gebaut, ihre volle Kapazität im Flug zu verbrauchen.

 

Gruß

Ralf

[Gast]

Nun, das hängt an diversen anderen Randbedingungen...

Gerade bei kleineren Flugzeugen (z.B. Businessjets) möchte man die Kabel zwischen Batterie und Anlasser so kurz wie möglich halten (Gewicht, Widerstand), also baut man die Batterie so nah wie möglich an die Triebwerke, also hinter den Druckschott wo nicht klimatisiert wird.

Da Batterien schon mal lecken (und das mit sehr aggresiven Medien), möchte man sie ausserdem da einbauen, wo darunter nichts mehr ist ausser Aussehaut und Drainbohrungen. Dazu kommt das man zur Wartung gut rankommen möchte, und Platz gibt es eigentlich auch nur im unbedruckten/unklimatisierten Bereich reichlich. Bei der Dornier 328 sind sie z.B. in den "Beulen" der Fahrwerke untergebracht.

Je größer der Flieger, desto leichter bringt man die Batterie in einem bedruckten Compartment unter, das meist zur Kühlung klimatisiert ist, da die sonstige Elektronik viel Abwärme produziert.

Umgebungstemperatur ist daher vielleicht etwas zu harsch formuliert, aber deutlich kälter als in der Kabine wird eine Batterie im Flug in der Regel schon.

 

Gruß

Ralf

 

Ich möchte dir hiermit widersprechen.Die 328 kenne ich nicht,aber Temperaturen von -50° für die Batterie würde ich ausschließen.

Es gibt andere kleinere Flieger bei denen die Batterie außerhalb der

Druckkabine sitzt (zB KingAir in der Fläche),aber diese Geräte fliegen

nicht stundenlang bei -50°.Der "größte Flieger" den ich kenne mit

Batterien außen(vorm Druckschott) ist die Dash8.Da gibt es aber

eine Cockpit Anzeige für die Batterie Temperatur zwischen +15 und+80°

Nichts von minus 50...

Eine "leckende" NcCd Batterie habe ich seit 1981 noch nie gesehen.

Die Dinger sitzen alle in einer massiven Edelstahl Box.

Größere Jets haben die Batterien innerhalb der Druckkabine,

und da sind immer komfortable Plusgrade...die 747 APU Batterie

soll eine Ausnahme sein-kann ich nicht beurteilen.

Dash8 Cockpit Anzeige:

http://s7.directupload.net/file/d/3145/lrk4ar2e_jpg.htm

 

Gruß

Alex

[Volume]

Es gibt andere kleinere Flieger bei denen die Batterie außerhalb der

Druckkabine sitzt (zB KingAir in der Fläche),aber diese Geräte fliegen

nicht stundenlang bei -50°.Der "größte Flieger" den ich kenne mit

Batterien außen(vorm Druckschott) ist die Dash8.

Bei den CRJ sitzt sie in der "aft equipment bay" hinter dem Druckschott unter den Triebwerken, bei den Saab 340/2000 sitzen sie in den Flügel-Rumpf Verkleidungen hinter dem Flügel.

Mehr Details über Einbauorte der Batterien gibt es z.B. bei der Feuerwehr von Shiphol (damit die wissen, wo man sie schnell abklemmen oder löschen kann):

www.brandweerschiphol.nl/luchtvaart/instructie-aircraft-crash-recovery-guide/canadair/canadair_regional_jet.pdf

www.brandweerschiphol.nl/luchtvaart/instructie-aircraft-crash-recovery-guide/fokker/fokker_100_01.pdf

www.brandweerschiphol.nl/luchtvaart/instructie-aircraft-crash-recovery-guide/boeing/boeing_727_01.pdf

www.brandweerschiphol.nl/luchtvaart/instructie-aircraft-crash-recovery-guide/boeing/boeing_757_02.pdf

www.brandweerschiphol.nl/luchtvaart/instructie-aircraft-crash-recovery-guide/boeing/boeing_767_01.pdf

www.brandweerschiphol.nl/luchtvaart/instructie-aircraft-crash-recovery-guide/airbus/airbus_320.pdf

www.brandweerschiphol.nl/luchtvaart/instructie-aircraft-crash-recovery-guide/saab/saab_340_02.pdf

www.brandweerschiphol.nl/luchtvaart/instructie-aircraft-crash-recovery-guide/boeing/boeing_737_01.pdf

www.brandweerschiphol.nl/luchtvaart/instructie-aircraft-crash-recovery-guide/dash_8.pdf

www.brandweerschiphol.nl/luchtvaart/instructie-aircraft-crash-recovery-guide/mc_donnell%2520douglas/mc_donnell douglas_dc-9_md-80_md-90.pdf

www.brandweerschiphol.nl/luchtvaart/instructie-aircraft-crash-recovery-guide/jetstream/jetstream_4100.pdf

www.brandweerschiphol.nl/luchtvaart/instructie-aircraft-crash-recovery-guide/jetstream/jetstream_31-32.pdf

 

Ausserhalb der Druckkabine wird es sehr sicher kälter als +15°

Selbst in der Passagierkabine bildet sich auf längeren Flügen Eis, wenn man die Belüftung abblockt (z.B. indem man seine Jacke oder Decke/Kopfkissen zwischen Sitz und Seitenverkleidung klemmt, die frieren an der Verkleidung fest!).

 

Gruß

Ralf

[Gast]

Du bist ja hartnäckig...

 

CRJ hat die Klimaanlage hinten mit drinn,da wird es nicht richtig kalt.

Turboprops sind meine ich alle auf FL250 limitiert,

und nur Saab2000 und Q400 nutzen diese Höhe regelmäßig,haben ihre Batterien aber in der Druckkabine.

Der Rest kraucht doch meistens unter FL200 rum,da sind die -50°

auch eher selten.

Für mich bleibt nur noch bei der Do328 ein Fragezeichen,denke aber

daß die Klimaanlage nahe bei den Batterien sitzt.

 

nice weekend

Alex