Trenutačno se većina sigurnosnih nesreća litij-ionskih baterija događa zbog kvara zaštitnog kruga, što uzrokuje toplinski bijeg baterije i rezultira požarom i eksplozijom. Stoga, kako bi se ostvarila sigurna uporaba litijske baterije, dizajn zaštitnog kruga je posebno važan, a treba uzeti u obzir sve vrste čimbenika koji uzrokuju kvar litijske baterije. Osim proizvodnog procesa, 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 stvarnom vremenu i poduzmu odgovarajuće zaštitne mjere kada se oni promijene, može se izbjeći pojava toplinskog odlaska. Sigurnosni dizajn litijske baterije uključuje nekoliko aspekata: odabir ćelija, strukturni dizajn i funkcionalni sigurnosni dizajn BMS-a.

Odabir ćelija

Postoje mnogi čimbenici koji utječu na sigurnost stanica u kojima je odabir materijala za stanice temelj. Zbog različitih kemijskih svojstava, sigurnost varira u različitim materijalima katode litijeve baterije. Na primjer, litij željezo fosfat ima oblik olivina, koji je relativno stabilan i nije ga lako urušiti. Međutim, litij kobaltat i litij ternarni imaju slojevitu strukturu koju je lako urušiti. Odabir separatora također je vrlo važan, budući da je njegova izvedba izravno povezana sa sigurnošću ćelije. Stoga se pri odabiru ćelije moraju uzeti u obzir ne samo izvješća o detekciji, već i proizvodni proces proizvođača, materijali i njihovi parametri.

Dizajn strukture

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

• Zahtjevi za izolaciju općenito uključuju sljedeće aspekte: Izolacija između pozitivne i negativne elektrode; Izolacija između ćelije i kućišta; Izolacija između jezičaka polova i kućišta; Električni razmak PCB-a i puzna staza, unutarnji dizajn ožičenja, dizajn uzemljenja itd.
• Rasipanje topline je uglavnom za neke velike baterije za pohranu energije ili pogonske baterije. Zbog velike energije ovih baterija, toplina koja se stvara prilikom punjenja i pražnjenja je ogromna. Ako se toplina ne može na vrijeme raspršiti, toplina će se nakupljati i uzrokovati nezgode. Stoga treba uzeti u obzir izbor i dizajn materijala za kućište (trebao bi imati određenu mehaničku čvrstoću i zahtjeve za otpornost na prašinu i vodootpornost), izbor rashladnog sustava i druge unutarnje toplinske izolacije, disipaciju topline i sustav za gašenje požara.

Za odabir i primjenu sustava hlađenja akumulatora pogledajte prethodno izdanje.

Funkcionalni sigurnosni dizajn

Fizička i kemijska svojstva određuju da materijal ne može ograničiti napon punjenja i pražnjenja. Jednom kada napon punjenja i pražnjenja prijeđe nazivni raspon, uzrokovat će nepovratno oštećenje litijske baterije. Stoga je potrebno dodati zaštitni krug za održavanje napona i struje unutarnje ćelije u normalnom stanju kada litijeva baterija radi. Za BMS baterija potrebne su sljedeće funkcije:

• Zaštita od prekomjernog napona punjenja: prenapunjenost je jedan od glavnih razloga za toplinski bijeg. Nakon prekomjernog punjenja, materijal katode će se urušiti zbog prekomjernog otpuštanja litij iona, a negativna elektroda će također imati taloženje litija, što dovodi do smanjenja toplinske stabilnosti i povećanja nuspojava, koje imaju potencijalni rizik od toplinskog odlaska. Stoga je osobito važno prekinuti struju na vrijeme nakon što punjenje dosegne gornju granicu napona ćelije. To zahtijeva da BMS ima funkciju zaštite od prenapona punjenja, tako da se napon ćelije uvijek održava unutar radne granice. Bilo bi bolje da zaštitni napon nije vrijednost raspona i da uvelike varira, jer može uzrokovati da baterija ne uspije prekinuti struju na vrijeme kada je potpuno napunjena, što može rezultirati prekomjernim punjenjem. Zaštitni napon BMS-a obično je dizajniran da bude isti ili malo niži od gornjeg napona ćelije.
• Zaštita od prekomjerne struje punjenja: Punjenje baterije strujom većom od granice punjenja ili pražnjenja može uzrokovati nakupljanje topline. Kada se toplina akumulira dovoljno da otopi dijafragmu, može uzrokovati unutarnji kratki spoj. Stoga je pravodobno punjenje prekostrujne zaštite također bitno. Trebamo obratiti pozornost da zaštita od prenapona ne može biti veća od tolerancije struje ćelije u dizajnu.
• Zaštita od pražnjenja ispod napona: Previsok ili premali napon oštetit će performanse baterije. Kontinuirano pražnjenje pod naponom uzrokovat će taloženje bakra i kolaps negativne elektrode, tako da će baterija općenito imati funkciju zaštite od pražnjenja pod naponom.
• Zaštita od prekomjerne struje pražnjenja: Većina PCB-a se puni i prazni kroz isto sučelje, u ovom slučaju zaštitna struja punjenja i pražnjenja je dosljedna. Ali neke baterije, posebno baterije za električne alate, brzo punjenje i druge vrste baterija trebaju koristiti veliku struju pražnjenja ili punjenja, struja je u ovom trenutku nedosljedna, pa je najbolje puniti i prazniti u kontroli s dvije petlje.
• Zaštita od kratkog spoja: Kratki spoj baterije također je jedan od najčešćih kvarova. Neki sudari, pogrešna uporaba, stiskanje, bockanje, ulazak vode itd. lako mogu izazvati kratki spoj. Kratki spoj će odmah generirati veliku struju pražnjenja, što će rezultirati naglim porastom temperature baterije. Istovremeno se u ćeliji nakon vanjskog kratkog spoja obično odvija niz elektrokemijskih reakcija, što dovodi do niza egzotermnih reakcija. Zaštita od kratkog spoja također je vrsta zaštite od prekomjerne struje. Ali struja kratkog spoja bit će beskonačna, a toplina i šteta također su beskonačni, tako da zaštita mora biti vrlo osjetljiva i može se automatski aktivirati. Uobičajene mjere zaštite od kratkog spoja uključuju kontaktore, osigurače, mos, itd.
• Zaštita od pretjerane temperature: Baterija je osjetljiva na temperaturu okoline. Previsoka ili preniska temperatura utjecat će na njegovu učinkovitost. Stoga je važno održavati rad baterije unutar granične temperature. BMS bi trebao imati funkciju zaštite od temperature kako bi zaustavio bateriju kada je temperatura previsoka ili preniska. Može se čak podijeliti na zaštitu od temperature punjenja i zaštitu od temperature pražnjenja itd.
• Funkcija balansiranja: Za prijenosne i druge baterije s više serija postoji nedosljednost među ćelijama zbog razlika u proizvodnom procesu. Na primjer, unutarnji otpor nekih stanica je veći od drugih. Ta će se nedosljednost postupno pogoršavati pod utjecajem vanjskog okruženja. Stoga je potrebno imati funkciju upravljanja ravnotežom za provedbu ravnoteže ćelije. Općenito postoje dvije vrste ravnoteže:

1.Pasivno balansiranje: upotrijebite hardver, kao što je komparator napona, a zatim upotrijebite disipaciju topline otpora kako biste oslobodili višak snage baterije velikog kapaciteta. Ali potrošnja energije je velika, brzina izjednačavanja je spora, a učinkovitost niska.

2. Aktivno balansiranje: koristite kondenzatore za pohranjivanje snage ćelija s višim naponom i oslobađanje je u ćeliju s nižim naponom. Međutim, kada je razlika tlaka između susjednih ćelija mala, vrijeme izjednačavanja je dugo, a prag izjednačenja napona može se postaviti fleksibilnije.

Standardna provjera valjanosti

Konačno, ako želite da vaše baterije uspješno uđu na međunarodno ili domaće tržište, one također moraju zadovoljiti povezane standarde kako bi se osigurala sigurnost litij-ionske baterije. Od ćelija do baterija i glavni proizvodi trebaju zadovoljiti odgovarajuće standarde ispitivanja. Ovaj će se članak usredotočiti na domaće zahtjeve za zaštitu baterija za elektroničke IT proizvode.

GB 31241-2022

Ova norma je za baterije prijenosnih elektroničkih uređaja. Uglavnom razmatra pojam 5.2 sigurne radne parametre, 10.1 do 10.5 sigurnosne zahtjeve za PCM, 11.1 do 11.5 sigurnosne zahtjeve za zaštitni krug sustava (kada je sama baterija bez zaštite), 12.1 i 12.2 zahtjeve za dosljednost i Dodatak A (za dokumente) .

u Izraz 5.2 zahtijeva da se parametri ćelije i baterije moraju uskladiti, što se može shvatiti kao radni parametri baterije ne bi smjeli prelaziti raspon ćelija. Međutim, trebaju li parametri zaštite baterije biti osigurani da radni parametri baterije ne prelaze raspon ćelija? Postoje različita shvaćanja, ali iz perspektive sigurnosti dizajna baterije, odgovor je da. Na primjer, maksimalna struja punjenja ćelije (ili bloka ćelija) je 3000 mA, maksimalna radna struja baterije ne bi trebala prelaziti 3000 mA, a zaštitna struja baterije također bi trebala osigurati da struja u procesu punjenja ne bi trebala prelaziti 3000 mA. Samo na taj način možemo se učinkovito zaštititi i izbjeći opasnosti. Za dizajn zaštitnih parametara pogledajte Dodatak A. On razmatra dizajn parametara ćelija – baterija – host u uporabi, koji je relativno sveobuhvatan.

u Za baterije sa zaštitnim krugom potrebno je sigurnosno ispitivanje zaštitnog kruga baterije 10,1~10,5. Ovo poglavlje uglavnom istražuje zaštitu od prenapona pri punjenju, zaštitu od prenapona pri punjenju, zaštitu od podnapona pri pražnjenju, zaštitu od prenapona pri pražnjenju i zaštitu od kratkog spoja. Oni su navedeni u gornjem tekstuDizajn funkcionalne sigurnostii osnovni zahtjevi. 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 sustava mora se provesti s vanjskim zaštitnim uređajem. Uglavnom se istražuje kontrola napona, struje i temperature punjenja i pražnjenja. Vrijedno je napomenuti da se, u usporedbi s baterijama sa zaštitnim krugovima, baterije bez zaštitnih krugova mogu osloniti samo na zaštitu opreme u stvarnoj uporabi. Rizik je veći, tako da će se normalni rad i uvjeti pojedinačne greške testirati odvojeno. Ovo prisiljava krajnji uređaj na dvostruku zaštitu; inače ne može proći test u 11. poglavlju.

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

GB 4943.1-2022

Ovaj standard je za AV proizvode. Uz sve veću upotrebu elektroničkih proizvoda s baterijskim napajanjem, nova verzija GB 4943.1-2022 daje posebne zahtjeve za baterije u Dodatku M, ocjenjujući opremu s baterijama i njihove zaštitne krugove. Na temelju procjene kruga zaštite baterija, dodani su i dodatni sigurnosni zahtjevi za opremu koja sadrži sekundarne litijeve baterije.

u Sekundarni zaštitni krug litijske baterije uglavnom istražuje prekomjerno punjenje, prekomjerno pražnjenje, obrnuto punjenje, sigurnosnu zaštitu punjenja (temperatura), zaštitu od kratkog spoja itd. Treba napomenuti da svi ti 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 za bateriju i host. Ako baterija ima samo jednu zaštitu i nema suvišnih komponenti, ili baterija nema zaštitni krug i zaštitni krug osigurava samo glavno računalo, glavno računalo treba uključiti u ovaj dio ispitivanja.

Zaključak

Zaključno, za projektiranje sigurne baterije, osim izbora samog materijala, podjednako su važni naknadni konstrukcijski dizajn i projekt funkcionalne sigurnosti. Iako različite norme imaju različite zahtjeve za proizvode, ako se u potpunosti može smatrati da sigurnost dizajna baterije zadovoljava zahtjeve različitih tržišta, vrijeme isporuke može se znatno smanjiti i proizvod se može ubrzati na tržištu. Uz kombiniranje zakona, propisa i standarda različitih zemalja i regija, također je potrebno dizajnirati proizvode koji se temelje na stvarnoj upotrebi baterija u terminalnim proizvodima.