彈性電池系統(tǒng)的被動故障安全技術

可充電鋰離子(Li-ion)電池是不可或缺的分散能源。根據《巴黎協(xié)定》、《歐洲綠色協(xié)議》和溫室氣體排放定價，電化學儲能方案的使用在廣泛的應用中具有戰(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)院和數據中心等不間斷電源(UPS)系統(tǒng)，從存儲內部光伏系統(tǒng)產生的供個人使用的能源到支持運行電池電機，例如電池電動汽車 (BEV)、電動自行車、電動踏板車和電動工具。

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

這主要是由于兩個原因。

1. 生產和制造過程中的規(guī)模經濟和成本偏離。

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險，特別是由于第二點，導致可充電鋰離子電池在安全性方面存在缺點。

熱負荷過大導致的多米諾骨牌效應

鋰離子電池的一個組成部分是電解質。它通常包含易燃有機溶劑(如酯化合物)和導電鹽(鋰鹽)的混合物，可提高導電性。該混合物高度易燃，當與過量的熱負荷結合時，可能導致形成爆炸性混合物。由于不斷努力進一步提高鋰離子電池的能量密度，這對最終用戶構成了潛在的危險。

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

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

當電池過度充電時，發(fā)生電池缺陷的統(tǒng)計概率最高。這可能會導致細胞結構的破壞，這通常與熱量的產生有關，在某些情況下甚至會導致爆炸。

當然，可充電電池組的制造商也意識到了這一風險因素，因此在電子安全架構中嵌入了電池管理系統(tǒng) (BMS) 以及初級和次級保護電路。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。然而，應該指出的是，算法及其控制的硬件不能避免失敗。對于初級保護電路中使用的半導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載可能會導致電池系統(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，該技術能夠在熱負荷過大的情況下保護電池組，并將其置于安全狀態(tài)，同時與傳統(tǒng)的電子安全架構脫鉤。保護電路。熱鎖技術基于被動熱敏劑。

在電池系統(tǒng)中，熱鎖技術應被理解為一種完全獨立的煙火關閉裝置。其基本思想是電流從電池流向負載，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，初級保護電路仍然不會注意到這種升溫。

該應用的基礎是一個物理化學傳感器，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)。

當達到臨界溫度時，熱鎖元件中會啟動一個過程，通過內部壓力的增加，導致絕緣活塞剪斷穿過它的電流導體，從而使其余端部電絕緣導體之間永久地分開。

熱鎖元件永久中斷導體，從而防止進一步的電流流動以及由此導致的電池危險加熱。這種一次性技術可以防止損壞的系統(tǒng)以不受控制的方式重新啟動。

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

熱鎖的旋轉對稱設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。

集成方面試點環(huán)境的初步印象表明了應用程序的看門狗特征，它與硬件/軟件架構一起密切關注環(huán)境。重要的是要了解熱鎖技術完全自主運行，因此不需要單獨的電源。然而，也可以選擇集成通過電脈沖或上述 BMS 進行的額外控制。

熱鎖與熱熔斷器

熱鎖技術必須與傳統(tǒng)的熱熔斷器明確區(qū)分開來。雖然此類組件在各種應用中發(fā)揮著重要作用，但熱鎖的獨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發(fā)生故障時保護主系統(tǒng)。商用熔斷器的額定電流較低以及半導體器件的成本相對較高等限制因素對熱鎖的設計產生了重大影響。目標是使電池系統(tǒng)的開發(fā)安全且具有經濟價值。

此外，閾值是低溫范圍內的一個重要考慮因素，值得特別強調。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用場景?；景姹疽呀浽试S高達 40 A 的額定電流。此外，該應用在尺寸、溫度范圍和電流方面都是可擴展的，并且在需求分析后與集成商進行協(xié)調。

對熱鎖技術特征觸發(fā)行為的深入了解。閾值溫度的配置以及熱橋設計的細節(jié)都是與具體情況相關的參數，這些參數依賴于加熱速率并與基礎應用同步執(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電池單元表面溫度的逐漸升高。當達到 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)，這意味著導體已斷開，從而防止可充電電池進一步過熱。

與標稱觸發(fā)溫度 (93°C) 的偏差可以通過以下事實來解釋：出于實驗目的，故意選擇此處顯示的加熱速率高于實際情況。另一個決定性因素是熱橋的設計，它對溫度相關行為有顯著影響。還可以看出，發(fā)生分離后，在達到開頭討論的安全系統(tǒng)狀態(tài)之前，溫度值在短時間內(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計進行微調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。主動集成熱鎖技術等安全級別使得能夠盡可能可持續(xù)地設計儲能系統(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。