熱鎖—可復原電池系統的被動故障防護技術

作者 : Tom Balogh,RUAG Ammotec新業務開發專案經理

從電動車,到各種場景的不斷電供應系統,電池/組的使用可說是無處不在。作為分散式綠色能源,為環境可持續改善將作出越來越大的貢獻。不過,隨著電流負荷的不斷增加以及應用的日益普及,帶來了安全方面的挑戰。本文介紹的熱鎖技術,為解決該挑戰提供了一種頗具吸引力的方案。

可充電的鋰離子(Li-ion)電池是一種不可或缺的分散式能源。根據巴黎協定(Paris Agreement)、歐洲環保協定(European Green Deal)和溫室氣體排放定價協定,電化學儲能方案的使用在種類廣泛的應用中極具策略意義,其範圍涵蓋了從軍事領域中為分散式單元供電,到用於醫院和資料中心的不斷電供應系統(UPS)系統,以及從儲存由家庭光伏(PV)系統產生供個人使用的能量,到使用電池供電的電動機器——例如純電動車(BEV)、電動自行車、電動滑板車和電動工具等。

在電池供電應用中,佔最大份額的是蓄電池部份,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。正如彭博新能源財經(BloombergNEF)在2021年進行的一項調查(見1)顯示,鑒於這項技術的不斷發展,從經濟角度來看它的使用正變得越來越有吸引力。

圖1:圖示為電池組類的全球價格趨勢。(資料來源:Bloomberg)

這主要得益於兩個原因:

  • 生產和製造過程中的規模經濟和成本下降。
  • 單節電池的小型化以及能量密度的同步提高。

儘管在市場上的佔有率越來越高,但重要的是要記住,充電電池組仍然存在一定的潛在危險,特別是由於第二點,導致鋰離子充電電池在安全性方面存在劣勢。

過度熱負荷導致骨牌效應

電解液是鋰離子電池的一個組成部份,它通常由易燃有機溶劑(如酯類化合物)和用於提高導電性的導電鹽(鋰鹽)混合而成。這種混合物是高度易燃的,當與過大的熱負荷相結合時,會導致形成爆炸性混合物。經過業界的不斷努力,鋰離子電池的能量密度越來越高,這對最終用戶構成了潛在危險。

持續和有害的熱輸入,會對充電電池組造成不可逆的損壞,或者在最壞的情況下導致熱失控,這將造成一種無意但極其危險的儲存能量突然釋放。

這裡的關鍵參數是溫度,因為電池單元的工作範圍很窄,為+15℃至+45℃。當超過這個範圍時,高溫會對整個系統的功能性安全構成威脅。

電池缺陷的最高統計機率出現在電池過度充電時,可能導致電池結構的破壞,並且通常與熱量產生有關,在某些情況下甚至會發生爆炸。

充電電池組製造商自然也意識到了這一風險因素,這就是為什麼在電子安全架構中嵌入電池管理系統(BMS)以及初級和次級保護電路的原因。如同其它措施一樣,它能確保電池在充電和放電週期中保持在規定的工作範圍內。但是應該注意的是,演算法及其控制硬體也不能完全免於發生故障,初級保護電路中使用的半導體同樣可能發生崩潰。在最壞的情況下,兩者都可能發生故障,而未被檢測到的過高負載則會導致電池系統著火和爆炸。

熱鎖工作原理

為了解決上述問題,德國公司RUAG Ammotec開發了一種「熱鎖」(heat lock)技術,該技術能夠在熱負載過高的情況下保護電池組並將其置於安全狀態,同時與傳統保護電路中的電子安全架構脫鉤。這種熱鎖技術採用一種被動的熱敏劑。2顯示這種熱鎖元件的示例圖。

圖2:不帶電池周邊裝置的熱鎖元件。(資料來源:RUAG Ammotec)

在電池系統的背景下,熱鎖技術可以被理解為一種完全獨立的煙火關閉裝置。基本概念是電流從電池流入負載,在此過程中加熱電池。然而,初級保護電路卻無法注意到這種升溫,即使在溫度超過允許位準之後。

該應用的基礎是一種物理化學感測器,它連續監測周圍的環境,並由熱輸入(熱量)觸發,從而永久阻止電子的流動(鎖定)。

當達到臨界溫度時,熱鎖元件會啟動一個過程,透過增加內部壓力使絕緣活塞切斷穿過它的電流導體,從而使導體剩餘一端與另一端彼此在電氣上永久絕緣。

熱鎖元件將永久中斷導體,從而防止進一步的電流流動和由此產生的電池危險加熱。這種一次性技術,可防止損壞的系統以不受控制的方式被重新開機。

這裡的重點是防止電池電氣應用中的過熱,目的是保護整個系統並最終保護使用者免受上述損害。

3所示熱鎖的旋轉式對稱設計,使充電電池組製造商在開發過程中輕鬆地為初級系統增加額外的安全層。由於該單元被密封在內部,因此很容易地就能在自動化的電池裝配線上進行處理,從而確保製造過程中一致的工作流程。

圖3:嵌入於電池系統中的熱鎖。(資料來源:RUAG Ammotec)

從系統整合商的試驗環境得到的初步印象能夠看出這種應用具有看門狗(watchdog)特性,它會一直密切關注環境以及硬體/軟體架構。重要的是熱鎖技術是完全自主運行的,不需要單獨的電源。但是,也可以選擇整合透過電脈衝或前述電池管理系統進行的額外控制。

熱鎖vs.熱熔斷

熱鎖技術必須與傳統的熱熔斷器(熔絲)明顯區分開來。雖然熱熔斷器在各種應用中發揮著重要作用,但熱鎖在某種意義上是獨一無二的,它不是由電流或電壓觸發的。相反地,被監控的環境條件用於確保在電子安全架構發生故障時保護主系統。諸如市售熔斷器的低額定電流和半導體元件相對較高的成本等限制因素,對熱鎖的設計有重大影響,因此,設計的目標在於使電池系統的發展更加安全且經濟實惠。

此外,必須特別強調在低溫範圍內作為重要考慮因素的閾值。它可以從大約60℃的溫度開始配置為±2K的精度,具體取決於整合商的特定應用場景。基本版已經允許高達40A的額定電流。此外,該應用在尺寸、溫度範圍和電流方面具有可擴展性,在需求分析後可與整合商達成一致。

4顯示熱鎖技術的特徵性觸發行為。閾值溫度的配置以及熱橋設計的細節都與具體應用參數相關的,依賴於加熱速率並與底層應用同步執行。

圖4:熱鎖元件在閾值溫度設置為93℃時的觸發行為。(資料來源:RUAG Ammotec)

黑色顯示的溫度曲線描繪了由紅色顯示的電流引起所需保護的電池單元表面溫度逐漸升高。當達到如98℃的溫度值時,可以觀察到溫度曲線的斜率發生變化,這是由於熱鎖元件內部壓力伴隨著溫度升高而增加。在如8.3秒的持續時間後,可以看到電流突然下降(紅色矩形訊號),這意味著導體已斷開連接,從而防止了充電電池進一步過熱。

與標稱觸發溫度(93°C)的偏差可以如此解釋:此處顯示的加熱速率是有意選擇的,僅用於實驗目的,且高於實際情況。另一個決定性因素是熱橋的設計,它對與溫度相關的行為有顯著影響。從圖中還可以看出,在導體斷開後,在達到本文一開始討論的安全系統狀態之前,溫度值會在短時間內持續急劇上升,這段時間是熱鎖元件的冷卻時間。

只有對元件級設計進行精細調整以確保盡可能長的使用壽命時,才能充份利用電氣化帶來的好處。熱鎖技術等安全級的主動整合,使得儲能系統的設計及其壽命週期的可持續性成為可能,也才能為可持續能源產業的成功提前設定正確方向。

(參考原文:Heat lock: Passive fail-safe technology for resilient battery systems,by Tom Balogh)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2022年9月號雜誌

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