弹性电池系统的被动故障安全技术

可充电锂离子(Li-ion)电池是不可或缺的分散能源。根据《巴黎协定》、《欧洲绿色协议》和温室气体排放定价，电化学储能方案的使用在广泛的应用中具有战略意义。这涵盖了从为军事部门等分散单位供电到用于医院和数据中心等不间断电源(UPS)系统，从存储内部光伏系统产生的供个人使用的能源到支持运行电池电机，例如电池电动汽车 (BEV)、电动自行车、电动踏板车和电动工具。

电池供电应用中占据最大份额的是蓄电池部分，通常设计为可充电电池组。这种电池组通常由多个锂离子电池组成。由于这项技术的不断发展，从经济角度来看，其使用也变得越来越有吸引力。

这主要是由于两个原因。

1. 生产和制造过程中的规模经济和成本偏离。

2. 单个电池的小型化以及能量密度的同时增加。

尽管市场上的存在越来越多，但重要的是要记住，可充电电池组仍然存在一定的潜在危险的残余风险，特别是由于第二点，导致可充电锂离子电池在安全性方面存在缺点。

热负荷过大导致的多米诺骨牌效应

锂离子电池的一个组成部分是电解质。它通常包含易燃有机溶剂(如酯化合物)和导电盐(锂盐)的混合物，可提高导电性。该混合物高度易燃，当与过量的热负荷结合时，可能导致形成爆炸性混合物。由于不断努力进一步提高锂离子电池的能量密度，这对最终用户构成了潜在的危险。

持续和不必要的热输入可能会导致可充电电池组发生不可逆转的损坏，或者在最坏的情况下，导致热失控，这是存储能量的无意且极其危险的突然释放。

这里的关键参数是温度，因为电池的工作范围很窄，为 +15°C 至 +45°C。当超过这个范围时，高温会对整个系统的功能安全构成威胁。

当电池过度充电时，发生电池缺陷的统计概率最高。这可能会导致细胞结构的破坏，这通常与热量的产生有关，在某些情况下甚至会导致爆炸。

当然，可充电电池组的制造商也意识到了这一风险因素，因此在电子安全架构中嵌入了电池管理系统 (BMS) 以及初级和次级保护电路。除此之外，它还确保电池在充电和放电循环方面保持在指定的工作范围内。然而，应该指出的是，算法及其控制的硬件不能避免失败。对于初级保护电路中使用的半导体的潜在崩溃也是如此。在最坏的情况下，两者都可能发生故障，并且未被检测到的过高负载可能会导致电池系统着火和爆炸。

热锁：一种自主的、被动的故障安全元件

为了解决上述问题，RUAG Ammotec GmbH 开发了热锁技术，该技术能够在热负荷过大的情况下保护电池组，并将其置于安全状态，同时与传统的电子安全架构脱钩。保护电路。热锁技术基于被动热敏剂。

在电池系统中，热锁技术应被理解为一种完全独立的烟火关闭装置。其基本思想是电流从电池流向负载，在此过程中加热电池。然而，即使这种升温超过了允许的水平，初级保护电路仍然不会注意到这种升温。

该应用的基础是一个物理化学传感器，它持续监测其环境，由热量输入(热量)触发，从而永久阻止电子流(锁定)。

当达到临界温度时，热锁元件中会启动一个过程，通过内部压力的增加，导致绝缘活塞剪断穿过它的电流导体，从而使其余端部电绝缘导体之间永久地分开。

热锁元件永久中断导体，从而防止进一步的电流流动以及由此导致的电池危险加热。这种一次性技术可以防止损坏的系统以不受控制的方式重新启动。

这里的重点是防止电池供电应用中的过热，目的是保护整个系统并最终保护用户免受上述损害。

热锁的旋转对称设计使可充电电池组制造商能够在开发周期中轻松地为主系统添加额外的安全层。由于该装置内部密封，因此可以在自动化电池装配线上轻松处理，从而确保制造过程中的一致工作流程。

集成方面试点环境的初步印象表明了应用程序的看门狗特征，它与硬件/软件架构一起密切关注环境。重要的是要了解热锁技术完全自主运行，因此不需要单独的电源。然而，也可以选择集成通过电脉冲或上述 BMS 进行的额外控制。

热锁与热熔断器

热锁技术必须与传统的热熔断器明确区分开来。虽然此类组件在各种应用中发挥着重要作用，但热锁的独特之处在于它不是由电流或电压触发的。相反，被监控的环境状况用于确保在电子安全架构发生故障时保护主系统。商用熔断器的额定电流较低以及半导体器件的成本相对较高等限制因素对热锁的设计产生了重大影响。目标是使电池系统的开发安全且具有经济价值。

此外，阈值是低温范围内的一个重要考虑因素，值得特别强调。它可以从大约 60°C 开始的温度精确配置到 ± 2 K，具体取决于集成端的具体应用场景。基本版本已经允许高达 40 A 的额定电流。此外，该应用在尺寸、温度范围和电流方面都是可扩展的，并且在需求分析后与集成商进行协调。

对热锁技术特征触发行为的深入了解。阈值温度的配置以及热桥设计的细节都是与具体情况相关的参数，这些参数依赖于加热速率并与基础应用同步执行。

黑色所示的温度曲线描绘了由于红色所示的电流引起的待保护电池单元表面温度的逐渐升高。当达到 98°C 的温度值(以本例为例)时，可以观察到温度曲线斜率的变化，这是由于热锁元件内部压力的增加，并伴随着温度升高。在 8.3 秒的持续时间后(以本例为例)，可以看到电流突然下降(红色矩形信号)，这意味着导体已断开，从而防止可充电电池进一步过热。

与标称触发温度 (93°C) 的偏差可以通过以下事实来解释：出于实验目的，故意选择此处显示的加热速率高于实际情况。另一个决定性因素是热桥的设计，它对温度相关行为有显着影响。还可以看出，发生分离后，在达到开头讨论的安全系统状态之前，温度值在短时间内(热锁元件的冷却时间)继续急剧上升。

为可持续能源加倍努力

只有对组件级别的设计进行微调以确保尽可能长的使用寿命，才能充分利用电气化的优势。主动集成热锁技术等安全级别使得能够尽可能可持续地设计储能系统及其生命周期，并尽早为可持续能源行业的成功奠定基础。