Obecnie większość wypadków związanych z bezpieczeństwem akumulatorów litowo-jonowych ma miejsce z powodu awarii obwodu zabezpieczającego, co powoduje niekontrolowany wzrost temperatury akumulatora i skutkuje pożarem i eksplozją. Dlatego, aby zapewnić bezpieczne użytkowanie baterii litowej, szczególnie ważna jest konstrukcja obwodu zabezpieczającego i należy wziąć pod uwagę wszelkiego rodzaju czynniki powodujące awarię baterii litowej. Oprócz procesu produkcyjnego, awarie są głównie spowodowane zmianami ekstremalnych warunków zewnętrznych, takich jak nadmierne ładowanie, nadmierne rozładowanie i wysoka temperatura. Jeśli parametry te są monitorowane w czasie rzeczywistym i zostaną podjęte odpowiednie środki zabezpieczające w przypadku ich zmiany, można uniknąć wystąpienia niekontrolowanej zmiany temperatury. Projekt bezpieczeństwa baterii litowej obejmuje kilka aspektów: wybór ogniw, projekt konstrukcyjny i projekt bezpieczeństwa funkcjonalnego BMS.

Wybór komórek

Na bezpieczeństwo ogniw wpływa wiele czynników, dla których wybór materiału ogniwa jest podstawą. Ze względu na różne właściwości chemiczne, bezpieczeństwo jest różne w przypadku różnych materiałów katodowych baterii litowej. Na przykład fosforan litowo-żelazowy ma kształt oliwinu, który jest stosunkowo stabilny i niełatwy do zapadnięcia. Kobaltan litu i trójskładnikowy lit mają jednak strukturę warstwową, która łatwo się zapada. Bardzo ważny jest także dobór separatora, gdyż jego wydajność bezpośrednio przekłada się na bezpieczeństwo ogniwa. Dlatego przy wyborze ogniwa należy brać pod uwagę nie tylko raporty z wykrycia, ale także proces produkcyjny producenta, materiały i ich parametry.

Projekt konstrukcji

Projekt konstrukcji akumulatora uwzględnia głównie wymagania dotyczące izolacji i odprowadzania ciepła.

• Wymagania dotyczące izolacji zazwyczaj obejmują następujące aspekty: Izolacja pomiędzy elektrodą dodatnią i ujemną; Izolacja między ogniwem a obudową; Izolacja pomiędzy zaczepami słupów a obudową; Odstępy elektryczne PCB i droga upływu, projekt okablowania wewnętrznego, projekt uziemienia itp.
• Rozpraszanie ciepła dotyczy głównie niektórych dużych akumulatorów energii lub akumulatorów trakcyjnych. Ze względu na dużą energię tych akumulatorów, ciepło wytwarzane podczas ładowania i rozładowywania jest ogromne. Jeżeli ciepło nie może zostać odprowadzone na czas, będzie ono gromadzić się i powodować wypadki. Dlatego należy wziąć pod uwagę wybór i konstrukcję materiałów obudowy (powinna ona posiadać określoną wytrzymałość mechaniczną oraz wymagania dotyczące pyło- i wodoszczelności), dobór układu chłodzenia i innej wewnętrznej izolacji termicznej, odprowadzania ciepła i systemu gaśniczego.

Informacje na temat doboru i zastosowania układu chłodzenia akumulatora można znaleźć w poprzednim wydaniu.

Funkcjonalny projekt bezpieczeństwa

Właściwości fizyczne i chemiczne decydują o tym, że materiał nie może ograniczać napięcia ładowania i rozładowywania. Gdy napięcie ładowania i rozładowywania przekroczy zakres znamionowy, spowoduje to nieodwracalne uszkodzenie baterii litowej. Dlatego konieczne jest dodanie obwodu zabezpieczającego, aby utrzymać napięcie i prąd ogniwa wewnętrznego w normalnym stanie, gdy działa bateria litowa. W przypadku BMS akumulatorów wymagane są następujące funkcje:

• Zabezpieczenie przed przepięciem ładowania: przeładowanie jest jedną z głównych przyczyn niestabilności termicznej. Po przeładowaniu materiał katody zapadnie się w wyniku nadmiernego uwolnienia jonów litu, a na elektrodzie ujemnej również nastąpi wytrącenie litu, co prowadzi do zmniejszenia stabilności termicznej i nasilenia reakcji ubocznych, które stwarzają potencjalne ryzyko niekontrolowanej niekontrolowanej temperatury. Dlatego szczególnie istotne jest odcięcie prądu w odpowiednim czasie po osiągnięciu przez ładowanie górnego napięcia granicznego ogniwa. Wymaga to od BMS posiadania funkcji zabezpieczenia przed przepięciem ładowania, tak aby napięcie ogniwa zawsze utrzymywało się w granicach roboczych. Byłoby lepiej, gdyby napięcie ochronne nie było wartością zakresową i wahało się w szerokim zakresie, ponieważ może to spowodować, że akumulator nie odetnie prądu w momencie, gdy jest w pełni naładowany, co skutkuje przeładowaniem. Napięcie ochronne BMS jest zwykle projektowane tak, aby było takie samo lub nieco niższe niż górne napięcie ogniwa.
• Zabezpieczenie nadprądowe ładowania: ładowanie akumulatora prądem większym niż limit ładowania lub rozładowania może spowodować akumulację ciepła. Gdy nagromadzi się ciepło wystarczające do stopienia membrany, może to spowodować wewnętrzne zwarcie. Dlatego też istotne jest również terminowe zabezpieczenie nadprądowe ładowania. Należy zwrócić uwagę, że zabezpieczenie nadprądowe nie może być wyższe niż tolerancja prądu ogniwa w projekcie.
• Zabezpieczenie przed rozładowaniem pod napięciem: Zbyt duże lub zbyt małe napięcie pogorszy wydajność akumulatora. Ciągłe rozładowywanie pod napięciem spowoduje wytrącenie się miedzi i zapadnięcie się elektrody ujemnej, więc ogólnie akumulator będzie miał funkcję zabezpieczenia przed rozładowaniem pod napięciem.
• Zabezpieczenie nadprądowe rozładowania: Większość płytek PCB ładuje się i rozładowuje przez ten sam interfejs, w tym przypadku prąd zabezpieczenia ładowania i rozładowania jest stały. Jednak niektóre akumulatory, szczególnie akumulatory do elektronarzędzi, akumulatory do szybkiego ładowania i inne typy akumulatorów wymagają rozładowywania lub ładowania o dużym natężeniu prądu, prąd jest w tym czasie niespójny, dlatego najlepiej ładować i rozładowywać w dwóch pętlach.
• Zabezpieczenie przed zwarciem: Zwarcie akumulatora jest również jedną z najczęstszych usterek. Niektóre kolizje, niewłaściwe użytkowanie, ściskanie, igłowanie, wnikanie wody itp. łatwo wywołać zwarcie. Zwarcie natychmiast generuje duży prąd rozładowania, co powoduje gwałtowny wzrost temperatury akumulatora. Jednocześnie po zewnętrznym zwarciu w ogniwie zwykle zachodzi szereg reakcji elektrochemicznych, co prowadzi do szeregu reakcji egzotermicznych. Zabezpieczenie przed zwarciem jest również rodzajem zabezpieczenia nadprądowego. Ale prąd zwarciowy będzie nieskończony, a ciepło i szkody również będą nieskończone, więc ochrona musi być bardzo czuła i może zostać uruchomiona automatycznie. Typowe środki ochrony przed zwarciem obejmują styczniki, bezpieczniki, mos itp.
• Zabezpieczenie przed przegrzaniem: Bateria jest wrażliwa na temperaturę otoczenia. Zbyt wysoka lub zbyt niska temperatura będzie miała wpływ na jego działanie. Dlatego ważne jest, aby akumulator działał w dopuszczalnej temperaturze. BMS powinien mieć funkcję zabezpieczenia termicznego, aby zatrzymać akumulator, gdy temperatura jest zbyt wysoka lub zbyt niska. Można go nawet podzielić na ochronę temperatury ładowania i ochronę temperatury rozładowania itp.
• Funkcja równoważenia: W przypadku akumulatorów do notebooków i innych akumulatorów z wielu serii występuje niespójność między ogniwami ze względu na różnice w procesie produkcyjnym. Na przykład, opór wewnętrzny niektórych ogniw jest większy niż innych. Ta niespójność będzie się stopniowo pogłębiać pod wpływem środowiska zewnętrznego. Dlatego konieczne jest posiadanie funkcji zarządzania saldem, aby wdrożyć równowagę ogniwa. Ogólnie rzecz biorąc, istnieją dwa rodzaje równowagi:

1. Równoważenie pasywne: Użyj sprzętu, takiego jak komparator napięcia, a następnie użyj oporowego rozpraszania ciepła, aby uwolnić nadmiar mocy akumulatora o dużej pojemności. Ale zużycie energii jest duże, prędkość wyrównywania jest niska, a wydajność niska.

2. Aktywne równoważenie: użyj kondensatorów do magazynowania mocy ogniw o wyższym napięciu i uwalniania jej do ogniwa o niższym napięciu. Jednakże, gdy różnica ciśnień pomiędzy sąsiednimi ogniwami jest niewielka, czas wyrównywania jest długi, a próg napięcia wyrównawczego można ustawić bardziej elastycznie.

Standardowa walidacja

Wreszcie, jeśli chcesz, aby Twoje baterie z powodzeniem weszły na rynek międzynarodowy lub krajowy, muszą również spełniać odpowiednie normy, aby zapewnić bezpieczeństwo baterii litowo-jonowej. Od ogniw po akumulatory i produkty główne powinny spełniać odpowiednie standardy testowe. W tym artykule skupimy się na krajowych wymaganiach dotyczących ochrony baterii dla elektronicznych produktów IT.

GB 31241-2022

Niniejsza norma dotyczy baterii przenośnych urządzeń elektronicznych. Uwzględnia głównie terminy 5.2 bezpieczne parametry pracy, 10.1 do 10.5 wymagania bezpieczeństwa dla PCM, 11.1 do 11.5 wymagania bezpieczeństwa dotyczące obwodu zabezpieczającego system (gdy sam akumulator nie jest chroniony), 12.1 i 12.2 wymagania dotyczące spójności oraz Załącznik A (dla dokumentów) .

u Termin 5.2 wymaga dopasowania parametrów ogniwa i akumulatora, co należy rozumieć jako parametry pracy akumulatora nie przekraczające zakresu ogniw. Czy jednak należy zadbać o parametry zabezpieczenia akumulatora, aby parametry pracy akumulatora nie przekraczały zasięgu ogniw? Istnieją różne interpretacje, ale z punktu widzenia bezpieczeństwa konstrukcji baterii odpowiedź brzmi: tak. Przykładowo maksymalny prąd ładowania ogniwa (lub bloku ogniw) wynosi 3000mA, maksymalny prąd pracy akumulatora nie powinien przekraczać 3000mA, a prąd ochronny akumulatora powinien także zapewniać, aby prąd w procesie ładowania nie przekraczał 3000mA. Tylko w ten sposób możemy skutecznie chronić i unikać zagrożeń. Informacje na temat projektowania parametrów ochrony można znaleźć w Załączniku A. Uwzględniono w nim projekt parametrów używanego ogniwa – akumulatora – hosta, który jest stosunkowo obszerny.

u W przypadku akumulatorów wyposażonych w obwód ochronny wymagany jest test bezpieczeństwa obwodu zabezpieczającego akumulator 10,1–10,5. W tym rozdziale omówiono głównie zabezpieczenie nadnapięciowe ładowania, zabezpieczenie nadprądowe ładowania, zabezpieczenie przed rozładowaniem pod napięciem, zabezpieczenie nadprądowe przed rozładowaniem i zabezpieczenie przed zwarciem. Są one wymienione powyżejProjekt bezpieczeństwa funkcjonalnegoi podstawowe wymagania. GB 31241 wymaga sprawdzenia 500 razy.

u Jeśli akumulator bez obwodu zabezpieczającego jest chroniony przez ładowarkę lub urządzenie końcowe, test bezpieczeństwa obwodu zabezpieczającego system 11.1 ~ 11.5 należy przeprowadzić z zewnętrznym urządzeniem zabezpieczającym. Badana jest głównie kontrola napięcia, prądu i temperatury ładowania i rozładowania. Warto zauważyć, że w porównaniu z akumulatorami wyposażonymi w obwody zabezpieczające, akumulatory bez obwodów zabezpieczających mogą polegać jedynie na ochronie sprzętu będącego w rzeczywistym użyciu. Ryzyko jest wyższe, dlatego warunki normalnej pracy i pojedynczej usterki zostaną przetestowane oddzielnie. Wymusza to, aby urządzenie końcowe posiadało podwójną ochronę; w przeciwnym razie nie może przejść testu z rozdziału 11.

u Wreszcie, jeśli w akumulatorze znajduje się wiele ogniw szeregowych, należy wziąć pod uwagę zjawisko niezrównoważonego ładowania. Wymagany jest test zgodności z rozdziału 12. W tym miejscu badane są głównie funkcje zabezpieczenia równowagi i różnicy ciśnień PCB. Ta funkcja nie jest wymagana w przypadku akumulatorów jednoogniwowych.

GB 4943.1-2022

Ten standard dotyczy produktów AV. Wraz z rosnącym wykorzystaniem produktów elektronicznych zasilanych bateryjnie, nowa wersja GB 4943.1-2022 podaje szczegółowe wymagania dotyczące baterii w Załączniku M, oceniając sprzęt wyposażony w baterie i ich obwody zabezpieczające. Na podstawie oceny obwodu zabezpieczającego akumulatory dodano także dodatkowe wymagania bezpieczeństwa dla urządzeń zawierających wtórne akumulatory litowe.

u Wtórny obwód zabezpieczający baterię litową bada głównie przeładowanie, nadmierne rozładowanie, ładowanie zwrotne, zabezpieczenie bezpieczeństwa ładowania (temperatura), zabezpieczenie przed zwarciem itp. Należy zauważyć, że wszystkie te testy wymagają pojedynczego uszkodzenia w obwodzie zabezpieczającym. Wymaganie to nie jest wymienione w normie GB 31241 dotyczącej baterii. Dlatego przy projektowaniu funkcji ochrony baterii musimy połączyć standardowe wymagania dotyczące baterii i hosta. Jeśli akumulator ma tylko jedno zabezpieczenie i nie ma elementów nadmiarowych, lub akumulator nie ma obwodu zabezpieczającego, a obwód zabezpieczający zapewnia tylko host, host powinien zostać włączony do tej części testu.

Wniosek

Podsumowując, aby zaprojektować bezpieczny akumulator, oprócz wyboru samego materiału, równie ważny jest późniejszy projekt konstrukcyjny i projekt bezpieczeństwa funkcjonalnego. Chociaż różne normy mają różne wymagania dotyczące produktów, jeśli można w pełni uwzględnić bezpieczeństwo konstrukcji akumulatorów i spełniać wymagania różnych rynków, czas realizacji może zostać znacznie skrócony, a produkt może przyspieszyć wprowadzenie produktu na rynek. Oprócz łączenia przepisów ustawowych, wykonawczych i standardów różnych krajów i regionów, konieczne jest również projektowanie produktów w oparciu o faktyczne wykorzystanie baterii w produktach końcowych.