彈性電池系統(tǒng)的被動故障安全技術(shù)

可充電鋰離子(Li-ion)電池是不可或缺的分散能源。根據(jù)《巴黎協(xié)定》、《歐洲綠色協(xié)議》和溫室氣體排放定價，電化學(xué)儲能方案的使用在廣泛的應(yīng)用中具有戰(zhàn)略意義。這涵蓋了從為軍事部門等分散單位供電到用于醫(yī)院和數(shù)據(jù)中心等不間斷電源(UPS)系統(tǒng)，從存儲內(nèi)部光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的供個人使用的能源到支持運(yùn)行電池電機(jī)，例如電池電動汽車 (BEV)、電動自行車、電動踏板車和電動工具。

電池供電應(yīng)用中占據(jù)最大份額的是蓄電池部分，通常設(shè)計為可充電電池組。這種電池組通常由多個鋰離子電池組成。由于這項技術(shù)的不斷發(fā)展，從經(jīng)濟(jì)角度來看，其使用也變得越來越有吸引力。

這主要是由于兩個原因。

1. 生產(chǎn)和制造過程中的規(guī)模經(jīng)濟(jì)和成本偏離。

2. 單個電池的小型化以及能量密度的同時增加。

盡管市場上的存在越來越多，但重要的是要記住，可充電電池組仍然存在一定的潛在危險的殘余風(fēng)險，特別是由于第二點(diǎn)，導(dǎo)致可充電鋰離子電池在安全性方面存在缺點(diǎn)。

熱負(fù)荷過大導(dǎo)致的多米諾骨牌效應(yīng)

鋰離子電池的一個組成部分是電解質(zhì)。它通常包含易燃有機(jī)溶劑(如酯化合物)和導(dǎo)電鹽(鋰鹽)的混合物，可提高導(dǎo)電性。該混合物高度易燃，當(dāng)與過量的熱負(fù)荷結(jié)合時，可能導(dǎo)致形成爆炸性混合物。由于不斷努力進(jìn)一步提高鋰離子電池的能量密度，這對最終用戶構(gòu)成了潛在的危險。

持續(xù)和不必要的熱輸入可能會導(dǎo)致可充電電池組發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的損壞，或者在最壞的情況下，導(dǎo)致熱失控，這是存儲能量的無意且極其危險的突然釋放。

這里的關(guān)鍵參數(shù)是溫度，因為電池的工作范圍很窄，為 +15°C 至 +45°C。當(dāng)超過這個范圍時，高溫會對整個系統(tǒng)的功能安全構(gòu)成威脅。

當(dāng)電池過度充電時，發(fā)生電池缺陷的統(tǒng)計概率最高。這可能會導(dǎo)致細(xì)胞結(jié)構(gòu)的破壞，這通常與熱量的產(chǎn)生有關(guān)，在某些情況下甚至?xí)?dǎo)致爆炸。

當(dāng)然，可充電電池組的制造商也意識到了這一風(fēng)險因素，因此在電子安全架構(gòu)中嵌入了電池管理系統(tǒng) (BMS) 以及初級和次級保護(hù)電路。除此之外，它還確保電池在充電和放電循環(huán)方面保持在指定的工作范圍內(nèi)。然而，應(yīng)該指出的是，算法及其控制的硬件不能避免失敗。對于初級保護(hù)電路中使用的半導(dǎo)體的潛在崩潰也是如此。在最壞的情況下，兩者都可能發(fā)生故障，并且未被檢測到的過高負(fù)載可能會導(dǎo)致電池系統(tǒng)著火和爆炸。

熱鎖：一種自主的、被動的故障安全元件

為了解決上述問題，RUAG Ammotec GmbH 開發(fā)了熱鎖技術(shù)，該技術(shù)能夠在熱負(fù)荷過大的情況下保護(hù)電池組，并將其置于安全狀態(tài)，同時與傳統(tǒng)的電子安全架構(gòu)脫鉤。保護(hù)電路。熱鎖技術(shù)基于被動熱敏劑。

在電池系統(tǒng)中，熱鎖技術(shù)應(yīng)被理解為一種完全獨(dú)立的煙火關(guān)閉裝置。其基本思想是電流從電池流向負(fù)載，在此過程中加熱電池。然而，即使這種升溫超過了允許的水平，初級保護(hù)電路仍然不會注意到這種升溫。

該應(yīng)用的基礎(chǔ)是一個物理化學(xué)傳感器，它持續(xù)監(jiān)測其環(huán)境，由熱量輸入(熱量)觸發(fā)，從而永久阻止電子流(鎖定)。

當(dāng)達(dá)到臨界溫度時，熱鎖元件中會啟動一個過程，通過內(nèi)部壓力的增加，導(dǎo)致絕緣活塞剪斷穿過它的電流導(dǎo)體，從而使其余端部電絕緣導(dǎo)體之間永久地分開。

熱鎖元件永久中斷導(dǎo)體，從而防止進(jìn)一步的電流流動以及由此導(dǎo)致的電池危險加熱。這種一次性技術(shù)可以防止損壞的系統(tǒng)以不受控制的方式重新啟動。

這里的重點(diǎn)是防止電池供電應(yīng)用中的過熱，目的是保護(hù)整個系統(tǒng)并最終保護(hù)用戶免受上述損害。

熱鎖的旋轉(zhuǎn)對稱設(shè)計使可充電電池組制造商能夠在開發(fā)周期中輕松地為主系統(tǒng)添加額外的安全層。由于該裝置內(nèi)部密封，因此可以在自動化電池裝配線上輕松處理，從而確保制造過程中的一致工作流程。

集成方面試點(diǎn)環(huán)境的初步印象表明了應(yīng)用程序的看門狗特征，它與硬件/軟件架構(gòu)一起密切關(guān)注環(huán)境。重要的是要了解熱鎖技術(shù)完全自主運(yùn)行，因此不需要單獨(dú)的電源。然而，也可以選擇集成通過電脈沖或上述 BMS 進(jìn)行的額外控制。

熱鎖與熱熔斷器

熱鎖技術(shù)必須與傳統(tǒng)的熱熔斷器明確區(qū)分開來。雖然此類組件在各種應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用，但熱鎖的獨(dú)特之處在于它不是由電流或電壓觸發(fā)的。相反，被監(jiān)控的環(huán)境狀況用于確保在電子安全架構(gòu)發(fā)生故障時保護(hù)主系統(tǒng)。商用熔斷器的額定電流較低以及半導(dǎo)體器件的成本相對較高等限制因素對熱鎖的設(shè)計產(chǎn)生了重大影響。目標(biāo)是使電池系統(tǒng)的開發(fā)安全且具有經(jīng)濟(jì)價值。

此外，閾值是低溫范圍內(nèi)的一個重要考慮因素，值得特別強(qiáng)調(diào)。它可以從大約 60°C 開始的溫度精確配置到 ± 2 K，具體取決于集成端的具體應(yīng)用場景。基本版本已經(jīng)允許高達(dá) 40 A 的額定電流。此外，該應(yīng)用在尺寸、溫度范圍和電流方面都是可擴(kuò)展的，并且在需求分析后與集成商進(jìn)行協(xié)調(diào)。

對熱鎖技術(shù)特征觸發(fā)行為的深入了解。閾值溫度的配置以及熱橋設(shè)計的細(xì)節(jié)都是與具體情況相關(guān)的參數(shù)，這些參數(shù)依賴于加熱速率并與基礎(chǔ)應(yīng)用同步執(zhí)行。

黑色所示的溫度曲線描繪了由于紅色所示的電流引起的待保護(hù)電池單元表面溫度的逐漸升高。當(dāng)達(dá)到 98°C 的溫度值(以本例為例)時，可以觀察到溫度曲線斜率的變化，這是由于熱鎖元件內(nèi)部壓力的增加，并伴隨著溫度升高。在 8.3 秒的持續(xù)時間后(以本例為例)，可以看到電流突然下降(紅色矩形信號)，這意味著導(dǎo)體已斷開，從而防止可充電電池進(jìn)一步過熱。

與標(biāo)稱觸發(fā)溫度 (93°C) 的偏差可以通過以下事實(shí)來解釋：出于實(shí)驗?zāi)康?，故意選擇此處顯示的加熱速率高于實(shí)際情況。另一個決定性因素是熱橋的設(shè)計，它對溫度相關(guān)行為有顯著影響。還可以看出，發(fā)生分離后，在達(dá)到開頭討論的安全系統(tǒng)狀態(tài)之前，溫度值在短時間內(nèi)(熱鎖元件的冷卻時間)繼續(xù)急劇上升。

為可持續(xù)能源加倍努力

只有對組件級別的設(shè)計進(jìn)行微調(diào)以確保盡可能長的使用壽命，才能充分利用電氣化的優(yōu)勢。主動集成熱鎖技術(shù)等安全級別使得能夠盡可能可持續(xù)地設(shè)計儲能系統(tǒng)及其生命周期，并盡早為可持續(xù)能源行業(yè)的成功奠定基礎(chǔ)。