Наразі більшість нещасних випадків, пов’язаних з безпекою літій-іонних акумуляторів, відбуваються через збій схеми захисту, що спричиняє перегрівання акумулятора та призводить до пожежі та вибуху.Тому для забезпечення безпечного використання літієвої батареї конструкція схеми захисту є особливо важливою, і слід враховувати всі види факторів, що спричиняють вихід з ладу літієвої батареї.На додаток до виробничого процесу, збої в основному спричинені змінами зовнішніх екстремальних умов, таких як надмірне заряджання, надмірне розрядження та висока температура.Якщо ці параметри контролюються в режимі реального часу та вживаються відповідні захисні заходи, коли вони змінюються, можна уникнути виникнення теплового розбігу.Дизайн безпеки літієвої батареї включає кілька аспектів: вибір елементів, структурний дизайн і функціональний дизайн безпеки BMS.

Вибір комірки

Існує багато факторів, що впливають на безпеку клітин, вибір матеріалу для клітин є основою.Через різні хімічні властивості безпека залежить від різних катодних матеріалів літієвої батареї.Наприклад, літій-залізофосфат має форму олівіну, який є відносно стабільним і його непросто зруйнувати.Кобальтат літію та потрійний літій, однак, мають шарувату структуру, яку легко зруйнувати.Вибір сепаратора також дуже важливий, оскільки його продуктивність безпосередньо залежить від безпеки клітини.Тому при виборі камери слід враховувати не тільки звіти про виявлення, але й виробничий процес виробника, матеріали та їх параметри.

Проектування конструкції

Конструкція батареї в основному враховує вимоги до ізоляції та розсіювання тепла.

• Вимоги до ізоляції зазвичай включають такі аспекти: ізоляція між позитивним і негативним електродом;Ізоляція між камерою і корпусом;Ізоляція між опорами та корпусом;Електричний відстань друкованої плати та шлях витоку, конструкція внутрішньої проводки, конструкція заземлення тощо.
• Розсіювання тепла в основному для деяких великих накопичувачів енергії або тягових батарей.Через високу енергію цих батарей під час зарядки та розрядки виділяється величезна кількість тепла.Якщо тепло не вдається вчасно розсіяти, воно буде накопичуватися, що призведе до нещасних випадків.Таким чином, слід враховувати вибір і конструкцію матеріалів корпусу (він повинен мати певну механічну міцність, пило- та водонепроникність), вибір системи охолодження та іншої внутрішньої теплоізоляції, розсіювання тепла та системи пожежогасіння.

Щодо вибору та застосування системи охолодження батареї, зверніться до попереднього випуску.

Конструкція функціональної безпеки

Фізичні та хімічні властивості визначають, що матеріал не може обмежувати зарядну та розрядну напругу.Коли напруга заряджання та розряджання перевищить номінальний діапазон, це призведе до незворотного пошкодження літієвої батареї.Тому необхідно додати схему захисту для підтримки напруги та струму внутрішньої комірки в нормальному стані, коли літієва батарея працює.Для BMS акумуляторів необхідні такі функції:

• Захист від перенапруги під час зарядки: перезаряд є однією з основних причин перегріву.Після перезаряду матеріал катода зруйнується через надмірне вивільнення іонів літію, а на негативному електроді також випаде осад літію, що призведе до зниження термічної стабільності та збільшення побічних реакцій, які мають потенційний ризик термічного відходу.Тому особливо важливо відключити струм вчасно після того, як заряд досягне верхньої межі напруги елемента.Це вимагає, щоб BMS мав функцію захисту від перенапруги зарядки, щоб напруга елемента завжди залишалася в робочих межах.Було б краще, щоб захисна напруга не була діапазоном і коливалася в широких межах, оскільки це може призвести до того, що акумулятор не зможе вчасно відключити струм, коли він повністю заряджений, що призведе до перезаряду.Напруга захисту BMS зазвичай розрахована такою ж або трохи нижчою за верхню напругу елемента.
• Захист від перевищення струму заряджання: заряджання батареї струмом, що перевищує ліміт заряду або розряду, може спричинити накопичення тепла.Коли накопичується достатньо тепла, щоб розплавити діафрагму, це може спричинити внутрішнє коротке замикання.Тому також важливий своєчасний захист від перевантаження по струму.Ми повинні звернути увагу, що захист від перевантаження по струму не може бути вищим, ніж допустимий струм елемента в конструкції.
• Захист від розряду під напругою: надто висока або надто низька напруга погіршить роботу акумулятора.Безперервний розряд під напругою призведе до випадання міді та згортання негативного електрода, тому, як правило, акумулятор матиме функцію захисту від розряду під напругою.
• Захист від перевищення струму розряду: більшість друкованих плат заряджається та розряджається через один інтерфейс, у цьому випадку струм захисту від заряду та розряду є узгодженим.Але деякі батареї, особливо батареї для електричних інструментів, акумулятори швидкої зарядки та інші типи батарей потребують використання великого струму розряду або заряджання, струм у цей час є непостійним, тому найкраще заряджати та розряджати за двоконтурним керуванням.
• Захист від короткого замикання: коротке замикання батареї також є однією з найпоширеніших несправностей.Деякі зіткнення, неправильне використання, стискання, голки, потрапляння води тощо можуть легко викликати коротке замикання.Коротке замикання негайно спричинить великий струм розряду, що призведе до різкого підвищення температури батареї.У той же час після зовнішнього короткого замикання в комірці зазвичай відбувається серія електрохімічних реакцій, що призводить до серії екзотермічних реакцій.Захист від короткого замикання також є різновидом захисту від перевантаження по струму.Але струм короткого замикання буде нескінченним, нагрівання та шкода також нескінченні, тому захист має бути дуже чутливим і може спрацьовувати автоматично.Звичайні засоби захисту від короткого замикання включають контактори, запобіжники, MOS тощо.
• Захист від перегріву: акумулятор чутливий до температури навколишнього середовища.Занадто висока або занадто низька температура вплине на його продуктивність.Тому важливо підтримувати роботу батареї в межах граничної температури.BMS повинна мати функцію температурного захисту, щоб зупинити акумулятор, коли температура занадто висока або занадто низька.Його навіть можна розділити на захист від температури заряду та захист від температури розряду тощо.
• Функція балансування: для ноутбуків та інших багатосерійних акумуляторів існує невідповідність елементів через відмінності у виробничому процесі.Наприклад, внутрішній опір деяких клітин більший, ніж інших.Ця невідповідність буде поступово посилюватися під впливом зовнішнього середовища.Тому для реалізації балансу комірки необхідно мати функцію управління балансом.Загалом існує два види рівноваги:

1. Пасивне балансування: використовуйте апаратне забезпечення, наприклад компаратор напруги, а потім використовуйте розсіювання тепла опором, щоб вивільнити надлишкову потужність акумулятора великої ємності.Але споживання енергії велике, швидкість вирівнювання повільна, а ефективність низька.

2.Активне балансування: використовуйте конденсатори для накопичення енергії клітин з вищою напругою та передачі її на клітинку з нижчою напругою.Однак, коли різниця тиску між сусідніми осередками невелика, час вирівнювання тривалий, і поріг напруги вирівнювання можна встановлювати більш гнучко.

Стандартна перевірка

Нарешті, якщо ви хочете, щоб ваші батареї успішно вийшли на міжнародний або внутрішній ринок, вони також повинні відповідати відповідним стандартам, щоб гарантувати безпеку літій-іонної батареї.Від елементів до батарей і головних продуктів повинні відповідати відповідним стандартам випробувань.У цій статті мова піде про внутрішні вимоги до захисту акумуляторів для електронних ІТ-продуктів.

GB 31241-2022

Цей стандарт стосується акумуляторів портативних електронних пристроїв.У ньому в основному розглядаються термін 5.2 безпечних робочих параметрів, 10.1-10.5 вимоги безпеки для PCM, 11.1-11.5 вимоги безпеки до схеми захисту системи (коли сама батарея без захисту), 12.1 і 12.2 вимоги до узгодженості та Додаток A (для документів) .

u Термін 5.2 вимагає узгодження параметрів елементів і елементів живлення, що можна зрозуміти як робочі параметри елементів живлення не повинні перевищувати діапазон елементів.Однак чи потрібно забезпечувати параметри захисту батареї, щоб робочі параметри батареї не виходили за межі діапазону елементів?Існують різні розуміння, але з точки зору безпеки конструкції батареї відповідь - так.Наприклад, максимальний зарядний струм елемента (або елементного блоку) становить 3000 мА, максимальний робочий струм акумулятора не повинен перевищувати 3000 мА, а захисний струм акумулятора також повинен забезпечувати, щоб струм у процесі заряджання не перевищував 3000 мА.Тільки так ми можемо ефективно захистити та уникнути небезпек.Для розробки параметрів захисту дивіться Додаток A. У ньому розглядається конструкція параметрів клітина – батарея – головний пристрій, яка використовується, яка є відносно вичерпною.

u Для акумуляторів зі схемою захисту необхідний тест безпеки ланцюга захисту батареї 10,1~10,5.У цьому розділі в основному розглядаються захист від перенапруги при зарядці, захист від перевищення струму від розряду, захист від розряду під напругою, захист від перевищення струму від розряду та захист від короткого замикання.Вони згадані вищеДизайн функціональної безпекиі основні вимоги.GB 31241 вимагає перевірки 500 разів.

u Якщо батарея без захисної схеми захищена зарядним пристроєм або кінцевим пристроєм, випробування на безпеку 11.1~11.5 захисної схеми системи повинно проводитись із зовнішнім захисним пристроєм.В основному досліджується контроль напруги, струму та температури заряду та розряду.Варто зазначити, що порівняно з батареями зі схемами захисту, батареї без схем захисту можуть покладатися лише на захист обладнання під час фактичного використання.Ризик вищий, тому нормальна робота та умови окремої несправності будуть перевірені окремо.Це змушує кінцевий пристрій мати подвійний захист;інакше він не зможе пройти тест у розділі 11.

u Нарешті, якщо в батареї є кілька послідовних елементів, вам потрібно враховувати явище незбалансованого заряджання.Потрібен тест на відповідність розділу 12.Тут в основному досліджуються функції захисту друкованої плати від балансу та перепаду тиску.Ця функція не потрібна для одноелементних батарей.

GB 4943.1-2022

Цей стандарт стосується аудіо/відео продукції.У зв’язку зі збільшенням використання електронних продуктів, що живляться від батарей, нова версія GB 4943.1-2022 надає особливі вимоги до батарей у Додатку M, оцінюючи обладнання з батареями та схеми їх захисту.На основі оцінки схеми захисту батареї також були додані додаткові вимоги безпеки для обладнання, що містить вторинні літієві батареї.

u Схема захисту вторинної літієвої батареї в основному перевіряє перезаряд, надмірний розряд, зворотне заряджання, захист від заряджання (температура), захист від короткого замикання тощо. Слід зазначити, що всі ці тести вимагають однієї несправності в ланцюзі захисту.Ця вимога не згадується в стандарті GB 31241 щодо батареї. Тому при розробці функції захисту батареї нам потрібно поєднати стандартні вимоги до батареї та хоста.Якщо батарея має лише один захист і не має резервних компонентів, або батарея не має захисної схеми, а захисна схема надається лише головним блоком, хост повинен бути включений до цієї частини тесту.

Висновок

Підсумовуючи, для розробки безпечної батареї, окрім вибору самого матеріалу, однаково важливими є наступне проектування конструкції та проектування функціональної безпеки.Незважаючи на те, що різні стандарти пред’являють різні вимоги до продуктів, якщо безпеку конструкції батареї можна повністю вважати відповідним вимогам різних ринків, час виконання робіт можна значно скоротити, а продукт можна пришвидшити на ринку.Окрім поєднання законів, нормативних актів і стандартів різних країн і регіонів, також необхідно розробляти продукти на основі фактичного використання батарей у термінальних продуктах.