Page 35 - 能量採集技術開啟醫療應用新局

熱鎖—— 可復原電池系統的被動故障防護技術
作者:Tom Balogh，EDN 特約作者
過度熱負荷導致骨牌效應
可充電的鋰離子電池是一種不可或 缺的分散式能源。根據巴黎協定、 歐洲環保協定(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 及從儲存由家庭太陽光電(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。
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 負載相結合時，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。
中使用的半導體同樣可能發生崩 潰。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。
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，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 鎖技術採用如圖1的熱敏劑。
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。
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。
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。
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。
這裡的關鍵參數是溫度，因為 電池單元的工作範圍很窄(+15°C至 +45°C)，當超過範圍時，高溫會對 整個系統的功能性安全構成威脅。
這主要得益於兩個原因:
• 生產和製造過程中的規模經濟
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 池結構破壞，它通常與熱量產生有 關，某些情況下甚至會發生爆炸。
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)。
和成本下降。
• 單節電池的小型化以及能量密
充電電池組製造商自然也意 識到了這一風險，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，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
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。
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。
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
DESIGN FEATURES
熱鎖工作原理
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