Trenutno se većina sigurnosnih nesreća kod litijum-jonskih baterija događa zbog kvara zaštitnog kruga, što uzrokuje termički bijeg baterije i rezultira požarom i eksplozijom. Stoga, da bi se ostvarila bezbedna upotreba litijumske baterije, dizajn zaštitnog kola je posebno važan, a treba uzeti u obzir sve vrste faktora koji uzrokuju kvar litijumske baterije. Pored procesa proizvodnje, kvarovi su u osnovi uzrokovani promjenama u vanjskim ekstremnim uvjetima, kao što su prekomjerno punjenje, prekomjerno pražnjenje i visoka temperatura. Ako se ovi parametri prate u realnom vremenu i poduzimaju se odgovarajuće zaštitne mjere kada se promijene, može se izbjeći pojava termičkog bijega. Sigurnosni dizajn litijumske baterije uključuje nekoliko aspekata: odabir ćelije, strukturni dizajn i funkcionalni sigurnosni dizajn BMS-a.

Izbor ćelije

Mnogo je faktora koji utiču na sigurnost ćelija u kojima je izbor ćelijskog materijala temelj. Zbog različitih hemijskih svojstava, sigurnost varira u različitim katodnim materijalima litijumske baterije. Na primjer, litijum željezo fosfat je u obliku olivina, koji je relativno stabilan i nije ga lako srušiti. Litijum kobaltat i litijum ternarni su, međutim, slojevita struktura koja se lako sruši. Odabir separatora je također vrlo važan, jer je njegov učinak direktno povezan sa sigurnošću ćelije. Stoga će se pri odabiru ćelije uzeti u obzir ne samo izvještaji o detekciji već i proizvodni proces proizvođača, materijali i njihovi parametri.

Dizajn strukture

Dizajn strukture baterije uglavnom uzima u obzir zahtjeve izolacije i odvođenja topline.

• Zahtjevi za izolacijom općenito uključuju sljedeće aspekte: izolaciju između pozitivne i negativne elektrode; Izolacija između ćelije i kućišta; Izolacija između stubova i kućišta; Električni razmak PCB-a i puzna staza, dizajn unutrašnjeg ožičenja, dizajn uzemljenja itd.
• Rasipanje topline je uglavnom za neke velike baterije za skladištenje energije ili vučne baterije. Zbog velike energije ovih baterija, toplota koja se stvara prilikom punjenja i pražnjenja je ogromna. Ako se toplina ne može raspršiti na vrijeme, toplina će se akumulirati i rezultirati nesrećama. Stoga treba uzeti u obzir odabir i dizajn materijala kućišta (treba imati određene zahtjeve za mehaničku čvrstoću i otpornost na prašinu i vodu), izbor sistema za hlađenje i druge unutrašnje toplinske izolacije, odvođenje topline i sistema za gašenje požara.

Za izbor i primenu sistema za hlađenje baterije pogledajte prethodno izdanje.

Funkcionalni sigurnosni dizajn

Fizička i hemijska svojstva određuju da materijal ne može ograničiti napon punjenja i pražnjenja. Jednom kada napon punjenja i pražnjenja prijeđe nazivni raspon, to će uzrokovati nepovratno oštećenje litijumske baterije. Stoga je potrebno dodati zaštitno kolo kako bi se napon i struja unutrašnje ćelije održavali u normalnom stanju kada litijumska baterija radi. Za BMS baterije potrebne su sljedeće funkcije:

• Zaštita od prenapona punjenja: prekomjerno punjenje je jedan od glavnih razloga za termički bijeg. Nakon prekomjernog punjenja, materijal katode će se srušiti zbog prekomjernog oslobađanja litij-iona, a na negativnoj elektrodi će doći i do taloženja litija, što dovodi do smanjenja termičke stabilnosti i povećanja sporednih reakcija, koje imaju potencijalni rizik od termičkog bijega. Stoga je posebno važno prekinuti struju na vrijeme nakon što punjenje dostigne gornji granični napon ćelije. To zahtijeva da BMS ima funkciju zaštite od prenapona punjenja, tako da se napon ćelije uvijek drži unutar radne granice. Bilo bi bolje da zaštitni napon nije vrijednost raspona i da varira u velikoj mjeri, jer to može uzrokovati da baterija ne prekine struju na vrijeme kada je potpuno napunjena, što rezultira prekomjernim punjenjem. Zaštitni napon BMS-a je obično dizajniran da bude isti ili nešto niži od gornjeg napona ćelije.
• Zaštita od prekomjerne struje punjenja: Punjenje baterije strujom većom od granice punjenja ili pražnjenja može uzrokovati akumulaciju topline. Kada se toplota akumulira dovoljno da otopi dijafragmu, to može uzrokovati unutrašnji kratki spoj. Stoga je pravovremeno punjenje preko strujne zaštite također bitno. Treba obratiti pažnju da zaštita od prekomjerne struje ne može biti veća od tolerancije struje ćelije u projektu.
• Zaštita od pražnjenja pod naponom: Preveliki ili premali napon će oštetiti performanse baterije. Kontinuirano pražnjenje pod naponom će uzrokovati taloženje bakra i kolaps negativne elektrode, tako da će baterija općenito imati funkciju zaštite od pražnjenja pod naponom.
• Zaštita od prekomjernog pražnjenja: Većina PCB-a se puni i prazni preko istog sučelja, u ovom slučaju struja zaštite punjenja i pražnjenja je konzistentna. Ali neke baterije, posebno baterije za električne alate, brzo punjenje i druge vrste baterija moraju koristiti veliku struju pražnjenja ili punjenja, struja je u ovom trenutku nedosljedna, pa je najbolje puniti i prazniti u dvije petlje kontrole.
• Zaštita od kratkog spoja: Kratki spoj baterije je također jedan od najčešćih kvarova. Neki sudari, pogrešna upotreba, stiskanje, iglanje, ulazak vode, itd., lako mogu izazvati kratki spoj. Kratki spoj će odmah stvoriti veliku struju pražnjenja, što će rezultirati naglim porastom temperature baterije. Istovremeno, nakon vanjskog kratkog spoja u ćeliji se obično odvija niz elektrohemijskih reakcija, što dovodi do niza egzotermnih reakcija. Zaštita od kratkog spoja je također vrsta zaštite od prekomjerne struje. Ali struja kratkog spoja će biti beskonačna, a toplota i šteta su takođe beskonačni, tako da zaštita mora biti veoma osetljiva i može se automatski aktivirati. Uobičajene mjere zaštite od kratkog spoja uključuju kontaktore, osigurač, mos itd.
• Zaštita od previsoke temperature: Baterija je osjetljiva na temperaturu okoline. Previsoka ili preniska temperatura će uticati na njegove performanse. Stoga je važno da baterija radi unutar granične temperature. BMS bi trebao imati funkciju temperaturne zaštite za zaustavljanje baterije kada je temperatura previsoka ili preniska. Čak se može podijeliti na zaštitu temperature punjenja i zaštitu temperature pražnjenja, itd.
• Funkcija balansiranja: Za prijenosna računala i druge višeserijske baterije, postoji nedosljednost među ćelijama zbog razlika u proizvodnom procesu. Na primjer, unutrašnji otpor nekih ćelija je veći od drugih. Ova nedosljednost će se postepeno pogoršavati pod utjecajem vanjskog okruženja. Stoga je neophodno imati funkciju upravljanja ravnotežom za implementaciju ravnoteže ćelije. Generalno postoje dvije vrste ravnoteže:

1. Pasivno balansiranje: Koristite hardver, kao što je komparator napona, a zatim koristite otporno rasipanje topline da biste oslobodili višak snage baterije velikog kapaciteta. Ali potrošnja energije je velika, brzina izjednačavanja je spora, a efikasnost niska.

2.Aktivno balansiranje: koristite kondenzatore za pohranjivanje snage ćelija sa višim naponom i puštanje u ćeliju sa nižim naponom. Međutim, kada je razlika u pritisku između susjednih ćelija mala, vrijeme izjednačavanja je dugo, a prag napona izjednačavanja može se podesiti fleksibilnije.

Standardna validacija

Konačno, ako želite da vaše baterije uspješno uđu na međunarodno ili domaće tržište, one također moraju ispuniti odgovarajuće standarde kako bi osigurali sigurnost litijum-jonskih baterija. Od ćelija do baterija i proizvodi domaćina treba da ispunjavaju odgovarajuće standarde ispitivanja. Ovaj članak će se fokusirati na domaće zahtjeve zaštite baterija za elektronske IT proizvode.

GB 31241-2022

Ovaj standard je za baterije prenosivih elektronskih uređaja. Uglavnom razmatra 5.2 sigurnosne radne parametre, 10.1 do 10.5 sigurnosne zahtjeve za PCM, 11.1 do 11.5 sigurnosne zahtjeve za zaštitno kolo sistema (kada je sama baterija bez zaštite), 12.1 i 12.2 zahtjeve za konzistentnost i Dodatak A (za dokumente) .

u Pojam 5.2 zahtijeva da se parametri ćelije i baterije usklade, što se može shvatiti kao radni parametri baterije ne bi trebali prelaziti opseg ćelija. Međutim, da li je potrebno osigurati parametre zaštite baterije da radni parametri baterije ne prelaze raspon ćelija? Postoje različita shvaćanja, ali iz perspektive sigurnosti dizajna baterija, odgovor je da. Na primjer, maksimalna struja punjenja ćelije (ili bloka ćelije) je 3000 mA, maksimalna radna struja baterije ne smije biti veća od 3000 mA, a struja zaštite baterije također treba osigurati da struja u procesu punjenja ne bi trebala prelaziti 3000mA. Samo na taj način možemo efikasno zaštititi i izbjeći opasnosti. Za dizajn parametara zaštite, pogledajte Dodatak A. On razmatra dizajn parametara ćelija – baterija – domaćin u upotrebi, koji je relativno sveobuhvatan.

u Za baterije sa zaštitnim krugom, potreban je sigurnosni test zaštitnog kruga akumulatora 10,1~10,5. Ovo poglavlje uglavnom istražuje zaštitu od prenapona punjenja, zaštitu od prenapona punjenja, zaštitu pod naponom pražnjenja, zaštitu od prekomjernog pražnjenja i zaštitu od kratkog spoja. Oni su spomenuti u gore navedenomFunkcionalni sigurnosni dizajni osnovne zahtjeve. GB 31241 zahtijeva provjeru 500 puta.

u Ako je baterija bez zaštitnog kruga zaštićena svojim punjačem ili krajnjim uređajem, sigurnosni test 11.1~11.5 zaštitnog kruga sistema će se provesti s vanjskim zaštitnim uređajem. Uglavnom se istražuje kontrola napona, struje i temperature punjenja i pražnjenja. Vrijedi napomenuti da se, u poređenju s baterijama sa zaštitnim krugovima, baterije bez zaštitnih krugova mogu osloniti samo na zaštitu opreme u stvarnoj upotrebi. Rizik je veći, tako da će se normalan rad i pojedinačni kvar testirati odvojeno. Ovo prisiljava krajnji uređaj da ima dvostruku zaštitu; inače ne može proći test iz poglavlja 11.

u Konačno, ako baterija ima više serijskih ćelija, morate uzeti u obzir fenomen neuravnoteženog punjenja. Potreban je test usklađenosti iz poglavlja 12. Ovdje se uglavnom istražuju funkcije zaštite ravnoteže i diferencijalnog tlaka PCB-a. Ova funkcija nije potrebna za jednoćelijske baterije.

GB 4943.1-2022

Ovaj standard je za AV proizvode. Uz sve veću upotrebu elektronskih proizvoda na baterije, nova verzija GB 4943.1-2022 daje posebne zahtjeve za baterije u Dodatku M, procjenjujući opremu s baterijama i njihovim zaštitnim krugovima. Na osnovu procjene zaštitnog kruga baterije, dodani su i dodatni sigurnosni zahtjevi za opremu koja sadrži sekundarne litijumske baterije.

u Sekundarni zaštitni krug litijumske baterije uglavnom istražuje prekomjerno punjenje, prekomjerno pražnjenje, obrnuto punjenje, sigurnosnu zaštitu pri punjenju (temperatura), zaštitu od kratkog spoja, itd. Treba napomenuti da svi ovi testovi zahtijevaju jednu grešku u zaštitnom krugu. Ovaj zahtjev nije spomenut u standardu za baterije GB 31241. Dakle, u dizajnu funkcije zaštite baterije, moramo kombinirati standardne zahtjeve baterije i hosta. Ako baterija ima samo jednu zaštitu i nema redundantnih komponenti, ili baterija nema zaštitni krug, a zaštitni krug osigurava samo domaćin, domaćin bi trebao biti uključen u ovaj dio testa.

Zaključak

U zaključku, za projektovanje sigurne baterije, pored izbora samog materijala, podjednako su važni i kasniji konstrukcijski i funkcionalni sigurnosni dizajn. Iako različiti standardi imaju različite zahtjeve za proizvode, ako se u potpunosti može smatrati da sigurnost dizajna baterija zadovoljava zahtjeve različitih tržišta, vrijeme isporuke može se znatno smanjiti i proizvod se može ubrzati na tržištu. Pored kombinovanja zakona, propisa i standarda različitih zemalja i regiona, takođe je potrebno dizajnirati proizvode zasnovane na stvarnoj upotrebi baterija u terminalnim proizvodima.