Heat Lock – ein autonomes, passives Fail-Safe-Element

In Anbetracht dessen hat Ruag Ammotec die Heat-Lock-Technologie entwickelt, die dazu in der Lage ist – entkoppelt von der elektronischen Sicherheitsarchitektur des Primärsystems – das Batteriepack im Falle einer unzulässigen thermischen Belastung zu schützen und in einen sicheren Zustand zu versetzen. Die Heat-Lock-Technologie fußt auf der Basis eines passiven, thermosensitiven Agenten.

Im Kontext batterieelektrischer Systeme ist die Heat-Lock-Technologie als völlig unabhängige pyrotechnische Trennvorrichtung zu verstehen. Die zu Grunde liegende Idee besteht darin, dass Strom aus einer Batterie in einen Verbraucher fließt und sich die Batterie dabei erwärmt, diese Erwärmung aber vom BMS unbemerkt über das zulässige Maß hinausgeht.

Physiko-chemischer Sensor überwacht seine Umgebung kontinuierlich

Basis der Anwendung ist ein physiko-chemischer Sensor, der seine Umgebung kontinuierlich überwacht, durch Wärmeeintrag (Heat) ausgelöst wird und infolgedessen einen Elektronenfluss dauerhaft sperrt (Lock).

Bei Erreichen einer kritischen Temperatur wird im Heat-Lock-Element ein Prozess in Gang gesetzt, der mittels Druckzunahme im Innern dazu führt, dass ein isolierender Kolben einen hindurchgeführten Stromleiter abschert und damit die verbleibenden Enden des Leiters elektrisch dauerhaft gegeneinander isoliert.

Heat Lock verhindert gefährliche Erwärmung

Das Heat-Lock-Element unterbricht den Leiter dauerhaft, unterbindet damit einen weiteren Stromfluss und die damit verbundene gefährliche Erwärmung der Batterie. Eine derartige Single-Use-Technologie verhindert somit ein unkontrolliertes Wiedereinschalten des geschädigten Systems.

Der Fokus liegt hierbei auf dem Schutz vor Überhitzung von batterieelektrischen Anwendungen mit dem Ziel, das Gesamtsystem und letztlich den Anwender vor den vorgenannten Folgeschäden zu bewahren.

Heat Lock ermöglicht zusätzliche Sicherheitsebene im Primärsystem

Das rotationssymmetrische Design des Heat Lock ermöglicht es Batteriepackherstellern, im Entwicklungszyklus unkompliziert eine zusätzliche Sicherheitsebene in das Primärsystem einzuziehen.

Die Einheit ist im Inneren hermetisch gekapselt und kann somit problemlos in einer automatisierten Batteriemontagelinie gehandelt werden, ein konsistenter Workflow in der Fertigung ist somit sichergestellt.

Erste Stimmen aus dem Pilotumfeld auf Integrationsseite wissen um den Watchdog-Charakter der Anwendung, der somit parallel zur Software-/ Hardware Architektur die Umgebung im Auge behält, wobei es wichtig ist, zu verstehen, dass die Heat-Lock-Technologie vollkommen autark arbeitet und somit ohne separate Spannungsversorgung auskommt. Optional ist jedoch auch die zusätzliche Ansteuerung über einen elektrischen Impuls, respektive über das erwähnte BMS integrierbar.

Unterschiede zu konventionellen Thermosicherungen

Trennscharf abzugrenzen ist die Heat-Lock-Technologie von konventionellen Thermosicherungen. Durchaus haben derartige Komponenten ihre Daseinsberichtigung in den verschiedensten Anwendungsfällen, Heat Lock jedoch ist in seiner Art einzigartig, was dadurch begründet ist, dass weder Strom noch Spannung den Auslösetrigger setzen, sondern vielmehr der Zustand der zu überwachenden Umgebung betrachtet wird, um sicherzustellen, dass das Primärsystem im Falle eines Versagens der elektronischen Sicherheitsarchitektur geschützt wird.

Begrenzende Faktoren wie der niedrige Nennstrom marktüblicher Schmelzsicherungen als auch die vergleichsweise hohen Kosten von Halbleiterbauelementen haben die Auslegung des Heat Lock maßgeblich beeinflusst. Mit dem Ziel, die Entwicklung von batterieelektrischen Systemen sicher und ökonomisch lohnenswert zu gestalten.

Schwellwert lässt sich auf zwei Kelvin genau konfigurieren

Hervorzuheben ist zudem der bereits im niedrigen Temperaturbereich mögliche Schwellwert, welcher ab einer Temperatur, beginnend ab etwa 60 °C auf ±2 K genau konfiguriert werden kann – in Abhängigkeit von dem spezifischen Anwendungsfall auf Integrationsseite.

Das Führen von Nennströmen von bis zu 40 A ist bereits mit der Basisvariante realisierbar. Zudem ist die Anwendung in den Dimensionen Baugröße, Temperaturbereich und Stromstärke skalierbar und wird nach Anforderungsanalyse im Einklang mit dem Integrator abgestimmt.

Das Auslöseverhalten der Heat-Lock-Technologie

Bild 3 gibt einen exemplarischen Einblick über das charakteristische Auslöseverhalten der Heat-Lock-Technologie. Die Konfiguration der Schwellwerttemperatur sowie die konkrete Auslegung der Wärmebrücke sind fallspezifische Parameter, abhängig von der Aufheizrate und erfolgen in Synchronisation zu dem zugrundeliegenden Anwendungsfall.

Der in Bild 3 schwarz dargestellte Temperaturverlauf kennzeichnet den graduellen Anstieg der Oberflächentemperatur an der zu schützenden Batteriezelle, hervorgerufen durch den in Rot dargestellten Stromfluss.

Beim Erreichen eines Temperaturwertes von hier z. B. 98 °C ist eine Veränderung der Steigung der Temperaturkurve feststellbar, was darauf zurückzuführen ist, dass im Inneren des Heat-Lock-Elements ein Druckanstieg einsetzt, der von einer Temperaturzunahme begleitet wird. Nach einer Dauer von hier z. B. 8,3 s lässt sich ein plötzlicher Abfall des Stromflusses (rotes Rechtecksignal) erkennen, was bedeutet, dass die Trennung des Leiters erfolgt ist und eine weitere Überhitzung der Akkuzelle somit ausgeschlossen ist.

Die Abweichung von der nominellen Auslösetemperatur (93 °C) lässt sich dadurch erklären, dass die hier dargestellte Aufheizrate zu Versuchszwecken höher gewählt wurde, als dies in der Realität der Fall ist. Ein weiterer entscheidender Faktor ist die Auslegung der Wärmebrücke, die maßgeblich auf das Temperaturverhalten einwirkt. Klar erkenntlich ist auch, dass nach erfolgter Trennung der Temperaturwert für einen kurzen Zeitraum überschwingt (Abkühldauer des Heat-Lock-Elements), um danach den eingangs diskutierten Safe System State zu erreichen.

Auf dem Weg zur nachhaltigen Energiewirtschaft

Die Vorteile der Elektrifizierung können nur dann voll ausgeschöpft werden, wenn bereits die Auslegung auf Komponentenebene darauf bedacht ist, eine möglichst hohe Langlebigkeit zu gewährleisten. Eine proaktive Integration von Sicherheitsebenen wie der Heat-Lock-Technologie ermöglichen es, das System Energiespeicher und dessen Lebenszyklus möglichst nachhaltig zu gestalten und frühzeitig die Weichen zu stellen – für den Erfolg einer nachhaltigen Energiewirtschaft.

* Tom Balogh ist Project Manager New Business Development bei der Ruag Ammotec GmbH in Fürth.

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