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热锁:用于可复原电池系统的无源故障防护技术

时间:2022-06-15 01:53:55 作者:TOM BALOGH 阅读:
从电动汽车,到各种场景的不间断电源,电池/组的使用可以说是无处不在。作为分布式绿色能源,为环境可持续改善将作出越来越大的贡献。不过,随着电流负荷的不断增加以及应用的日益普及,会带来安全性方面的挑战。本文介绍的热锁技术,为解决该挑战提供了一种颇具吸引力的方案。
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可充电锂离子(Li-ion)电池是一种不可或缺的分散式能源。根据巴黎协定、欧洲环保协议和温室气体排放定价协议,电化学储能方案的使用在种类广泛的应用中极具战略意义,其范围涵盖了从军事领域中为分散式单元供电,到用于医院和数据中心的不间断电源(UPS)系统,以及从存储家庭光伏系统产生的供个人使用的能量,到使用电池供电的电动机器——例如电动汽车(BEV)、电动自行车、电动踏板车和电动工具。

在电池供电应用中,占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。正如彭博新能源财经在2021年进行的一项调查(见图1)表明,鉴于这项技术的不断发展,从经济角度来看它的使用正变得越来越有吸引力。

图1:图示为电池组类的全球价格趋势。资料来源:彭博

这主要得益于两个原因:

生产和制造过程中的规模经济和成本下降。

单节电池的小型化以及能量密度的同步提高。

尽管在市场上的占有率越来越高,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,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劣势。

过度热负荷导致的多米诺骨牌效应

电解液是锂离子电池的一个组成部分,它通常由易燃有机溶剂(如酯类化合物)和用于提高导电性的导电盐(锂盐)混合而成。这种混合物是高度易燃的,当与过大的热负荷相结合时,会导致形成爆炸性混合物。经过业界的不断努力,锂离子电池的能量密度越来越高,这对最终用户构成了潜在危险。

持续和有害的热输入,会对可充电电池组造成不可逆转的损坏,或者在最坏的情况下导致热失控,这将造成一种无意但极其危险的存储能量的突然释放。

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

电池缺陷的最高统计概率出现在电池过度充电时,可能会导致电池结构的破坏,并且通常与热量产生有关,在某些情况下甚至会发生爆炸。

可充电电池组的制造商自然也意识到了这一风险因素,这就是为什么在电子安全架构中嵌入电池管理系统(BMS)以及初级和次级保护电路的原因。与其它措施一起,它能确保电池在充电和放电循环中保持在规定的工作范围内。但是应该注意的是,算法和它们控制的硬件也不能完全免于发生故障,初级保护电路中使用的半导体同样也可能发生崩溃。在最坏的情况下,两者都可能发生故障,而未被检测到的过高负载则会导致电池系统着火和爆炸。

热锁工作原理

为了解决上述问题,RUAG Ammotec GmbH公司开发了一种热锁技术,该技术能够在热负载过大的情况下保护电池组并将其置于安全状态,同时与传统保护电路中的电子安全架构脱钩。这种热锁技术采用一种无源的热敏剂。图2给出了这种热锁元件的示例图。

图2:不带电池外设的热锁元件。资料来源:RUAG Ammotec

在电池系统的背景下,热锁技术可以被理解为一种完全独立的烟火关闭装置。基本思想是电流从电池流入负载,在此过程中加热电池。然而,初级保护电路却无法注意到这种升温,即使在温度超过允许水平之后。

该应用的基础是一种物理化学传感器,它连续监测周围的环境,并由热输入(热量)触发,从而永久阻止电子的流动(锁定)。

当达到临界温度时,热锁元件会启动一个过程,通过增加内部压力使绝缘活塞切断穿过它的电流导体,从而使导体剩余一端与另一端彼此在电气上永久绝缘。

热锁元件将永久中断导体,从而防止进一步的电流流动和由此产生的电池危险加热。这种一次性技术,可防止损坏的系统以不受控制的方式被重新启动。

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

图3所示热锁的旋转式对称设计,使可充电电池组制造商在开发过程中轻松地为初级系统增加额外的安全层。由于该单元被密封在内部,因此可以很容易地在自动化的电池装配线上进行处理,从而确保制造过程中一致的工作流程。

图3:嵌入在电池系统中的热锁。资料来源:RUAG Ammotec

从集成商的试点环境得到的初步印象可以看出这种应用具有看门狗特性,它会一直密切关注环境以及硬件/软件架构。重要的是热锁技术是完全自主运行的,不需要单独的电源。但是,也可以选择集成通过电脉冲或前述电池管理系统进行的额外控制。

热锁VS热熔断

热锁技术必须与传统的热熔断器明显区分开来。虽然热熔断器在各种应用中发挥着重要作用,但热锁在某种意义上是独一无二的,它不是由电流或电压触发的。相反,被监控的环境条件用于确保在电子安全架构发生故障时保护主系统。诸如市售熔断器的低额定电流和半导体器件相对较高的成本等限制因素,对热锁的设计有重大影响,我们的目标是使电池系统的发展更加安全且经济实惠。

此外,在低温范围内作为重要考虑因素的阈值需要特别强调一下。它可以从大约60℃的温度开始配置为±2K的精度,具体取决于集成商的特定应用场景。基本版已经允许高达40A的额定电流。此外,该应用在尺寸、温度范围和电流方面具有可扩展性,在需求分析后可与集成商达成一致。

图4显示了热锁技术的特征性触发行为。阈值温度的配置以及热桥设计的细节都是与具体应用参数相关的,依赖于加热速率并与底层应用同步执行。

图4:热锁元件在阈值温度设置为93℃时的触发行为。资料来源:RUAG Ammotec

黑色显示的温度曲线描绘了由红色显示的电流引起的要保护的电池单元表面温度的逐渐升高。当达到比如98℃的温度值时,可以观察到温度曲线的斜率发生变化,这是由于热锁元件内部压力伴随着温度升高而增加。在比如8.3秒的持续时间后,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连接,从而防止了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:此处显示的加热速率是有意选择的,仅用于实验目的,要高于实际情况。另一个决定性因素是热桥的设计,它对与温度相关的行为有显著影响。从图中还可以看出,在导体断开后,在达到本文一开始讨论的安全系统状态之前,温度值会在短时间内持续急剧上升,这段时间是热锁元件的冷却时间。

只有对元件级设计进行精细调整以确保尽可能长的使用寿命时,才能充分利用电气化带来的好处。热锁技术等安全级别的主动集成,使得储能系统的设计及其寿命周期的可持续性成为可能,也才能为可持续的能源产业的成功提前设定正确方向。

(参考原文:Heat lock: Passive fail-safe technology for resilient battery systems

本文为《电子工程专辑》2022年6月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订

责编:Jimmy.zhang
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