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LiPo-Akkubrand HPH-Glasflügel 304eS - AAIB Abschlussbericht

Veröffentlicht am 24. Januar 2019
Zugriffe: 3206

https://UL-Segelflug.de/images/stories/Blogs/2018/1805_FES-Batteriebrand_AAIB-Abschlussreport/TS_AAIB-Incident-Report-Figure1_Crown-Copyright-2017.jpgAm 17. August 2017 geriet auf Parham Airfield, West Sussex / Großbritannien, ein HPH Glasflügel 304eS / Shark in Brand. Das Feuer entstand während des Ausrollvorgangs nach normaler Segelfluglandung auf der Graspiste. Ein Jahr nach dem Akku-Brand hat die AAIB (Air Accident Investigation Branch) ihren Abschlussbericht veröffentlicht.

Vorläufiges Untersuchungsergebnis der Behörde
Auslöser des Feuers war der vordere der beiden 58,3 V LiPo Akkupacks, in dem es im oberen Bereich an den Batteriezellen 5 und 6 einen Kurzschluss gegeben haben muss. Ein Beweis für einen Zellenkurzschluss sieht die Untersuchungsbehörde (AAIB) in den in diesem Bereich geschmolzenen Kupfer- und Alu-Zellenelektroden.

https://UL-Segelflug.de/images/stories/Blogs/2019/1902_Batteryfire_AAIB-Abschlussbericht/GT_G-GSGS_LiPo-Battery-Fire_Fwd-Batterypack_AAIB_Crown-Copyright.jpgBrandschaden Fwd-Battery und Batteriefach hinter dem Cockpit (© Crown Copyright 2018)

Nach eingehender Untersuchung des ausgebrannten Akkus geht die AAIB auf Grund des Schadensbildes im Inneren des Akkus davon aus, dass es im Moment des Aufsetzens zu einem Kurzschluss gekommen sein muss, bei dem Temperaturen von mehr als 1.085° C entstanden sind. Auf Grund weiterer Untersuchungen und Tests kann sogar davon ausgegangen werden, dass die am Hotspot entstandenen Temperaturen 1.400° C überschritten haben dürften. In der Folge hat sich das gelartige Elektrolyt entzündet, so dass sich das Feuer im Innern der Batterie weiterentwickeln konnte. Durch den dabei rasch ansteigenden Gasdruck wurde das Batteriegehäuse gesprengt, so dass das Feuer auch auf die Composite-Struktur des Flugzeugrumpfes übergreifen konnte. Ein eindeutiger Beweis für den Grund des Kurzschlusses konnte jedoch nicht erbracht werden, da hierfür der Zerstörungsgrad des Akkupacks zu groß war.

Weitere Untersuchungen der Behörde
Nachdem die AAIB  inzwischen auch Kenntnis von zwei weiteren Akku-Bränden vor bzw. nach dem Vorfall auf Parham Airfield hatte (siehe frühere Blogs), bei denen die nationalen Behörden in Tschechien und den USA allerdings keine weiteren Untersuchungen eingeleitet hatten (Anmerkung: Da keiner der Batteriebrände während des Fluges entstand, war keine Untersuchung gemäß ICAO Annex 13 air safety regulation gefordert), entschied sich die britische Behörde jedoch für weitere Untersuchungen.

Allerdings wurde das durch den Batteriebrand zerstörte Battery-Pack der G-GSGS, S/N 080-A, dem AAIB zur Verfügung gestellt, nachdem es zuvor seitens der British Gliding Association und des Herstellers vollkommen zerlegt worden war. Die Überreste wurden einer eingehenden Sichtkontrolle, sowie einer detaillierten mikroskopischen Untersuchung unterzogen. Dabei konnte ein Hot-Spot zwischen Zelle 5 & 6, jeweils an der oberen Ecke zwischen den beiden Zellen nachgewiesen werden.

https://UL-Segelflug.de/images/stories/Blogs/2019/1902_Batteryfire_AAIB-Abschlussbericht/GT_G-GSGS_LiPo-Battery-Fire_Fwd-Batterypack_Hotspots_AAIB_Crown-Copyright.jpgLokalisierung der Hotspots an den Batteriezellen 5 & 6 (© Crown Copyright 2018)

Die AAIB ging auf Grund dieser Untersuchungsergebnisse jetzt davon aus, dass metallische Fremdkörper innerhalb des Akkupacks zu dem Kurzschluss geführt haben könnten, wobei diese wegen des großen Zerstörungsgrades nicht nachweisbar waren. Aus diesem Grunde wurden als zusätzliche Untersuchungsmaßnahme weitere Akkupacks des FES-Herstellers (LZ Design) in die Ursachenforschung einbezogen. Dabei wurden 11 identische Akkupacks aus dem Herstellungszeitraum 08/2012 bis 05/2016 einer CT-Röntgenkontrolle unterzogen.

Ergebnis der CT-Röntgenuntersuchung
  > In 8 von 11 Akkupacks konnten Fremdkörper nachgewiesen werden
  > In 7 der 8 beanstandeten Akkupacks wurden 16 Fremdkörper metallischen Ursprungs lokalisiert

  > Der größte metallische Fremdkörper hatte eine Größe von 4 mm (S/N 026-B)
  > Lediglich 3 der 11 untersuchten Batterien waren ohne Fremdkörpereinschlüsse

Hinweis: Beim Battery-Pack S/N 080-B handelt es sich um die hintere Batterie der G-GSGS!

Serial No. Manufacturedate Findings
026-A 03/08/2012  1 low-density object (plastic) detected 8mm
026-B 03/08/2012  3 metal particles detected (one 4mm, two <1mm)
034-A 29/01/2014  6 metal particles detected (<1mm)
034-B 29/01/2014  1 metal particle detected (<1mm)
059-A 13/04/2015  no debris noted
059-B 13/04/2015  no debris noted
064-A 06/07/2015  1 metal particle detected (<1mm)
064-B 06/07/2015  2 metal particles detected (one 2mm, one <1mm)
080-B* 12/02/2016  case removed, 1 metal particles detected (2mm) below silicone
087-A 17/05/2016  2 metal particles detected (<1mm)
087-B 17/05/2016  no debris noted

 Liste der untersuchten LiPo-Akkus (© Crown Copyright 2018)

Bei der Öffnung des Batteriegehäuses der S/N026-A stellte sich heraus, dass es sich bei dem 8mm großen Fremdkörper um ein Plastikwerkzeug handelte, das der Eigentümer der Batterie dort vergessen hatte zu entfernen, nachdem er diese zuvor eigenständig geöffnet hatte.

Der CT-Scan des LiPo-Akkus S/N 080-B, also der hinteren Batterie der G-GSGS, zeigte einen metallischen Gegenstand, der zwischen zwei Zellen, oben in der Packung lag. Die Eibettung des Fremdkörpers unter der Silikonschicht zeigt, dass dieser bereits beim Zusammenbau des Akku-Packs vorhanden war. Daraufhin wurde der Akku zerlegt und der Fremdkörper entnommen. Es handelte sich um einen Metallspan von 2mm Länge und einer markant gekrümmten Form, die üblichen Metallspänen entspricht, wie sie beim Schneiden von Gewinden in die Verbindungsplatten entstehen.

https://UL-Segelflug.de/images/stories/Blogs/2019/1902_Batteryfire_AAIB-Abschlussbericht/GT_G-GSGS_CT-Scan_Battery-Pack_080-B_Crown-Copyright.jpgLiPo-Akkupack S/N 080-B, CT-Scan (© Crown Copyright 2018 / courtesy QinetiQ)

Eine Untersuchung der unteren Edelstahl-Zellenverbinder zeigte, dass an mehreren Verbindungsplatten ein Grat am Ende der Gewindebohrungen vorhanden war. Es kann somit davon ausgegangen werden, dass dort Späne vorhanden waren, die beim Verbinden der einzelnen Zellen untereinander, herausgebrochen sind.

https://UL-Segelflug.de/images/stories/Blogs/2019/1902_Batteryfire_AAIB-Abschlussbericht/GT_G-GSGS_Battery-Lower-Connectorplates_Crown-Copyright.jpgDetailansicht der unteren und oberen Zellen-Verbindungsplatten mit sichtbaren Gewinde-Schneidgraten (© Crown Copyright 2018 / courtesy QinetiQ)

Um die Auswirkungen eines Kurzschlusses innerhalb einer Batteriezelle unter kontrollierten Bedingungen zu untersuchen, unternahm die AAIB eine Serie von Tests, bei denen in baugleiche und voll geladene Batteriezellen des Herstellers ein 2mm Stahlstift gedrückt wurde, der beidseitig spitz angeschliffen war. Dieser wurde zwischen zwei Zellen positioniert und die Zellen so lange  gegeneinander gedrückt, bis der Nagel die Zellen durchstoßen hatte. Der Testverlauf zeigte, dass der Stahlstift lediglich eine Zelle durchstoßen hatte und, dass kurz nach dem Eindringen ein Kurzschluss innerhalb der durchstoßenen Zelle entstand infolge dessen sofort Funken aus der Zellenummantelung schossen.

Dem Kurzschluss folgte eine sofortige Aufblähung der Zellenummantelung sowie der Austritt von hellgrauem Rauch, gefolgt von Flammen. Die Zelle brannte für ca. zwei Minuten, bis das Polymer-Gel-Elektrolyt vollkommen aufgebraucht war.

https://UL-Segelflug.de/images/stories/Blogs/2019/1902_Batteryfire_AAIB-Abschlussbericht/GT_AAIB-electrical-arcing-test_Crown-Copyright.jpgAAIB Kurzschlusstest mit Zellendurchstoßung und daraus resultierendem Zellenbrand (© Crown Copyright 2018)

Eine anschließende Untersuchung des Stahlstiftes ergab, dass dieser beim Zellen-Kurzschluss im Kontaktbereich geschmolzen war. Daraus kann geschlossen werden, dass im Kontaktbereich von Stahlstift und Elektrode eine  Schmelztemperatur von mehr als 1.400°C entstanden sein muss. Die Zellelektroden zeigten an der Durchtrittsstelle ein größeres Loch als der Durchmesser des Stahlstiftes, an dessen Kanten geschmolzenes Elektrodenmaterial nachgewiesen werden konnte. Das Restmaterial der Kupfer- und Aluminiumelektroden war relativ intakt geblieben, was auf weit niedrigere Verbrennungstemperaturen, im Vergleich zur Lichtbogentemperatur im Zentrum des Hot-Spots schließen lässt. Die Durchdringstelle des Stahlstiftes zeigte ein vergleichbares Schadensbild zu dem der brandgeschädigten Batterie der G-GSGS.

Brandausbreitungsverlauf vergleichbar
Beim Vergleich der AAIB-Testzelle, mit der durch den Brand des Akku-Packs der G-GSGS ausgebrannten Zelle 5 fällt auf, dass sich die Brandgase in beiden Zellen strahlenförmig vom Hot-Spot nach unten ausgebreitet haben (markiert durch die gelben Pfeile).

https://UL-Segelflug.de/images/stories/Blogs/2019/1902_Batteryfire_AAIB-Abschlussbericht/GT_AAIB-cell-radiation-pattern_Crown-Copyright.jpgBrand-Schadensbild Zelle 5 (linkes & mittleres Bild, Testzelle rechtes Bild (© Crown Copyright 2018)

Zellen-Vibrationstests
In einem weiteren Test wollte die AAIB herausfinden, ob das Vorhandensein eines Metallspans zwischen zwei Batteriezellen, bei entsprechenden Vibrationen zu einem Durchdringen des Zellenbechers durch den Metallspan führen kann. Hierfür wurde eine Baugruppe von zwei Kokam Superior Lithium Polymer SLPB100216216H Becherzellen verwendet, wie sie auch in den Akku-Packs der G-GSGS verbaut worden waren. Die Zellen wurden mit Silikon miteinander verklebt. Die Zellenhalterung konnte in jeweils einer von zwei möglichen Ausrichtungen auf der Testbank eingespannt werden, so dass Vibrationen entweder in horizontaler oder vertikaler Richtung in die Zellenachsen eingeleitet werden konnten. Damit wurden vertikale bzw. laterale Zellvibrationen simuliert, wie sie auch bei im Flugzeug eingebauten Batterien auftreten.

Die ersten Vibrationstests wurden ohne eingelegten Metallspan durchgeführt. Im Verlauf der Tests wurde die Vibrationsfrequenz schrittweise zwischen 5 Hz und 40 Hz, jeweils in 5 Hz Schritten erhöht. Die Einleitung der Vibrationen erfolgte in horizontaler Richtung, wie sie den normalen Gegebenheiten eines Segelflugzeuges während des Start- und Landerollvorganges entsprechen dürften. Die dabei mittels "Laser displacement sensor" gemessenen Resonanzschwingungen der Testbatterie lagen bei 18,8 Hz und 22,8 Hz. Während der gesamten Testdauer gab es keinerlei Anzeichen von Feuer, Rauch oder unüblichen Gerüchen.

https://UL-Segelflug.de/images/stories/Blogs/2019/1902_Batteryfire_AAIB-Abschlussbericht/HT_AAIB_Cell-vibration-testing-equipment_Crown-Copyright.jpgAAIB Vibrations-Testanlage (Fräsmaschine) mit eingespanntem Excenter und Schubstange zur Vibrationserzeugung. (© Crown Copyright 2018)

Danach wurden die Zellen, für die Dauer von 30 Minuten, mit Resonanzschwingung von 20 Hz in horizontaler Richtung beaufschlagt. Wieder konnten im Verlauf des Tests keinerlei Abnormalitäten festgestellt werden. Nach diesem Test wurden die Zellen aus der Halterung genommen und voneinander getrennt, um jede Zelle einer eingehenden Sichtkontrolle zu unterziehen. Es konnten keine Anzeichung von Beschädigungen auf den Oberflächen der Zellen festgestellt werden.

Test mit eingelegtem Metallspan
Für den nächsten Test wurde dann ein 3,0 mm langer Metallspan zwischen zwei Zellen positioniert und die Zellen-Baugruppe erneut für 30 Minuten horizontalen Vibrationen mit einer Resonanz von 20 Hz ausgesetzt. Auch dabei gab es keinerlei Anzeichen von Feuer, Rauch oder unüblichen Gerüchen. Nach diesem Test wurden die Zellen erneut voneinander getrennt und auf äußere Beschädigungen kontrolliert. Es wurde festgestellt, dass der Metallspan gewandert war und sich teilweise in die Zellenummantelung eingearbeitet hatte, was zu entsprechendem Metallabrieb am Zellenbecher führte. Ein Durchdringen des Zellenbechers war jedoch nicht erfolgt und Elektrolyt war nicht ausgetreten.

https://UL-Segelflug.de/images/stories/Blogs/2019/1902_Batteryfire_AAIB-Abschlussbericht/GT_AAIB-Cell-pouch-fretting_Crown-Copyright.jpgMaterialabrieb nach Abschluss des 30-minütigen Vibrationstests mit eingelegtem Metallspan und Resonanzvibration von 20 Hz

Ein abschließender Test mit eingefügtem Metallspan zwischen den Zellen, diesmal mit einer Resonanzfrequenz von 28 Hz und 30 Minuten Dauer, ebenfalls mit horizontaler Vibrationseinleitung, zeigte ein ähnliches Abriebbild wie der Test zuvor. Auch hierbei entstand jedoch weder Feuer, Rauch oder unübliche Gerüche.

Batterieanforderungen
Sämtliche Batteriezellen waren seitens des Zellenherstellers (Kokam) gemäß UN T 38.3 zertifiziert. Zur Erlangung des UN T 38.3-Zertifikates werden 60 individuelle Zellen einer Höhensimulation, einem thermischen Test, einem Vibrations- Schock- und Aufschlagstest, sowie einem äußeren Kurzschlusstest sowie einer erzwungenen Schnellentladung unterzogen. Diese Tests müssen nachgewiesen werden, um die Bauteile gemäß IATA - Dangerous Goods Regulations zum Gefahrgut-Versand zugelassen zu werden.

Obwohl in der Luftfahrt aus Einzelzellen zusammengebaute Akku-Packs gemäß CS 22.963 (a) zu prüfen, also zusätzliche Anforderungen im Vergleich zur UN T 38.3-Prüfung gefordert sind, wurde seitens der EASA die UN T 38.3-Zertifizierung als Nachweis der Konformität mit den CS 22.963 (a)-Prüfkriterien für das zusammengebaute FES-Batteriesystem zum Einbau im Segelflugzeug HPH 304es/Shark freigegeben.

Brandursache nicht mit Sicherheit feststellbar
Nach abschließender Beurteilung der AAIB, konnte weder der ursächliche Grund für den Batteriebrand, noch der tatsächliche Entstehungsort im Innern einer spezifischen Zelle des vorderen Akku-Packs der G-GSGS, mit absoluter Sicherheit bestimmt werden. Somit kann die Untersuchungsbehörde auch keine Aussage darüber machen, ob eine Zertifizierung nach den weitaus strengeren EASA-Regularien den Batteriebrand verhindert hätte.

Allerdings hatte die AAIB bereits in einem frühen Stadium der Untersuchung drei Sicherheitsempfehlungen herausgegeben, die bereits im September 2017 zur Veröffentlichung des Special Bulletin c führten (siehe Final Report Seite 40).

Download Abschlussbericht HPH Glasflügel 304 es, G-GSGS 09-18

Download AAIB Special Bulletin S3/2017

Download Stellungnahme LZ-Design

Download EASA-EAD 2017-0167-E

Download LSG-B LTA LSG 17-001

Download FAA Lithium-Ion_Batteries on fire

Download Video Brennende Akkus Institut für Schadenbehebung

Download Video Brandgefährliche Akkus Landesschau Baden-Württemberg

Freigabe zur Nutzung des Reports und der darin abgebildeten Fotos:

AAIB investigations are conducted in accordance with Annex 13 to the ICAO Convention on International Civil Aviation, EU Regulation No 996/2010 and The Civil Aviation (Investigation of Air Accidents and Incidents) Regulations 1996.
The sole objective of the investigation of an accident or incident under these Regulations is the prevention of future accidents and incidents. It is not the purpose of such an investigation to apportion blame or liability.
Accordingly, it is inappropriate that AAIB reports should be used to assign fault or blame or determine liability, since neither the investigation nor the reporting process has been undertaken for that purpose.

Extracts may be published without specific permission providing that the source is duly acknowledged, the material is reproduced accurately and is not used in a derogatory manner or in a misleading context.

© Crown copyright 2017

Anmerkung des Verfassers
Sämtliche Fotos sowie der sachliche Inhalt dieses Blogs, sind mit freundlicher Genehmigung der Air Accident Investigation Branch - GOV.UK, dem offiziellen Abschlussbericht der AAIB entnommen und vom Verfasser des Blogs in die deutsche Sprache übersetzt. Der Blog gibt den Abschlussbericht lediglich in gekürzter Form und sinngemäß wieder. Auf eigene Kommentare sowie auf Bewertungen der offiziellen Aussagen wurde bewusst verzichtet, um die o.a. Freigaberichtlinien einzuhalten.

Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass für mögliche Übersetzungsfehler keine Haftung übernommen wird.

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