Тренутно, већина сигурносних несрећа код литијум-јонских батерија настаје због квара заштитног кола, што узрокује термички бијег батерије и резултира пожаром и експлозијом. Стога, да би се остварила безбедна употреба литијумске батерије, дизајн заштитног кола је посебно важан, а треба узети у обзир све врсте фактора који узрокују квар литијумске батерије. Поред процеса производње, кварови су у основи узроковани променама у екстремним спољашњим условима, као што су прекомерно пуњење, прекомерно пражњење и висока температура. Ако се ови параметри прате у реалном времену и када се промене предузимају одговарајуће заштитне мере, може се избећи појава топлотног бекства. Безбедносни дизајн литијумске батерије обухвата неколико аспеката: избор ћелије, структурни дизајн и функционални безбедносни дизајн БМС.

Избор ћелије

Постоји много фактора који утичу на безбедност ћелија у којима је избор ћелијског материјала темељ. Због различитих хемијских својстава, сигурност варира у различитим катодним материјалима литијумске батерије. На пример, литијум гвожђе фосфат је у облику оливина, који је релативно стабилан и није га лако срушити. Литијум кобалтат и литијум тернарни су, међутим, слојевита структура која се лако сруши. Избор сепаратора је такође веома важан, јер је његов учинак директно повезан са безбедношћу ћелије. Због тога ће се при избору ћелије узети у обзир не само извештаји о детекцији већ и производни процес произвођача, материјали и њихови параметри.

Дизајн структуре

Дизајн структуре батерије углавном узима у обзир захтеве изолације и одвођења топлоте.

• Захтеви за изолацијом углавном обухватају следеће аспекте: изолацију између позитивне и негативне електроде; Изолација између ћелије и кућишта; Изолација између стубова и кућишта; Електрични размак ПЦБ-а и пузна стаза, дизајн унутрашњег ожичења, дизајн уземљења итд.
• Расипање топлоте је углавном за неке велике батерије за складиштење енергије или вучне батерије. Због велике енергије ових батерија, топлота која се ствара приликом пуњења и пражњења је огромна. Ако се топлота не може распршити на време, топлота ће се акумулирати и довести до незгода. Због тога треба узети у обзир избор и дизајн материјала за кућиште (треба да има одређену механичку чврстоћу и отпорност на прашину и воду), избор система за хлађење и друге унутрашње топлотне изолације, одвођење топлоте и система за гашење пожара.

За избор и примену система за хлађење батерије погледајте претходно издање.

Дизајн функционалне безбедности

Физичка и хемијска својства одређују да материјал не може ограничити напон пуњења и пражњења. Када напон пуњења и пражњења пређе номинални опсег, то ће узроковати неповратно оштећење литијумске батерије. Због тога је потребно додати заштитно коло како би се напон и струја унутрашње ћелије одржали у нормалном стању када литијумска батерија ради. За БМС батерије потребне су следеће функције:

• Заштита од превисоког напона пуњења: пренапуњење је један од главних разлога термичког одласка. Након прекомерног пуњења, материјал катоде ће се срушити услед прекомерног ослобађања литијум јона, а на негативној електроди ће доћи и до таложења литијума, што доводи до смањења термичке стабилности и повећања споредних реакција, које имају потенцијални ризик од топлотног бекства. Због тога је посебно важно прекинути струју на време након што пуњење достигне горњи гранични напон ћелије. Ово захтева да БМС има функцију заштите од пренапона пуњења, тако да се напон ћелије увек држи у границама рада. Било би боље да заштитни напон није вредност опсега и да варира у великој мери, јер то може довести до тога да батерија не успе да прекине струју на време када је потпуно напуњена, што резултира прекомерним пуњењем. Заштитни напон БМС-а је обично дизајниран да буде исти или нешто нижи од горњег напона ћелије.
• Заштита од прекомерне струје пуњења: Пуњење батерије струјом већом од границе пуњења или пражњења може изазвати акумулацију топлоте. Када се топлота акумулира довољно да отопи дијафрагму, то може изазвати унутрашњи кратки спој. Стога је правовремено пуњење преко струјне заштите такође неопходно. Треба обратити пажњу да заштита од прекомерне струје не може бити већа од толеранције струје ћелије у дизајну.
• Заштита од пражњења под напоном: Превелики или премали напон ће оштетити перформансе батерије. Континуирано пражњење под напоном ће узроковати таложење бакра и колапс негативне електроде, тако да ће батерија генерално имати функцију заштите од пражњења под напоном.
• Заштита од прекомерног пражњења: Већина ПЦБ-а се пуни и празни кроз исти интерфејс, у овом случају струја заштите од пуњења и пражњења је конзистентна. Али неке батерије, посебно батерије за електричне алате, брзо пуњење и друге врсте батерија морају да користе велику струју пражњења или пуњења, струја је недоследна у овом тренутку, тако да је најбоље да се пуни и празни у две петље контроле.
• Заштита од кратког споја: Кратки спој батерије је такође један од најчешћих кварова. Неки судари, погрешна употреба, стискање, иглање, улазак воде, итд., Лако је изазвати кратак спој. Кратак спој ће одмах створити велику струју пражњења, што ће резултирати наглим порастом температуре батерије. Истовремено, након спољашњег кратког споја у ћелији се обично одвија низ електрохемијских реакција, што доводи до низа егзотермних реакција. Заштита од кратког споја је такође врста заштите од прекомерне струје. Али струја кратког споја ће бити бесконачна, а топлота и штета су такође бесконачни, тако да заштита мора бити веома осетљива и може се аутоматски покренути. Уобичајене мере заштите од кратког споја укључују контакторе, осигурач, мос итд.
• Заштита од превисоке температуре: Батерија је осетљива на температуру околине. Превисока или прениска температура ће утицати на његове перформансе. Због тога је важно да батерија ради унутар граничне температуре. БМС треба да има функцију заштите од температуре да заустави батерију када је температура превисока или прениска. Чак се може поделити на заштиту температуре пуњења и заштиту температуре пражњења, итд.
• Функција балансирања: За преносне рачунаре и друге вишесеријске батерије, постоји недоследност међу ћелијама због разлика у производном процесу. На пример, унутрашњи отпор неких ћелија је већи од других. Ова недоследност ће се постепено погоршавати под утицајем спољашње средине. Због тога је неопходно имати функцију управљања равнотежом за спровођење равнотеже ћелије. Генерално постоје две врсте равнотеже:

1. Пасивно балансирање: Користите хардвер, као што је компаратор напона, а затим користите отпорно расипање топлоте да бисте ослободили вишак снаге батерије великог капацитета. Али потрошња енергије је велика, брзина изједначавања је спора, а ефикасност ниска.

2.Активно балансирање: користите кондензаторе да ускладиштите снагу ћелија са вишим напоном и отпустите је у ћелију са нижим напоном. Међутим, када је разлика у притиску између суседних ћелија мала, време изједначавања је дуго, а праг напона изједначавања може се подесити флексибилније.

Стандардна валидација

Коначно, ако желите да ваше батерије успешно уђу на међународно или домаће тржиште, оне такође морају да испуне одговарајуће стандарде како би осигурале безбедност литијум-јонске батерије. Од ћелија до батерија и производа домаћина треба да испуњавају одговарајуће стандарде испитивања. Овај чланак ће се фокусирати на домаће захтеве за заштиту батерија за електронске ИТ производе.

ГБ 31241-2022

Овај стандард је за батерије преносивих електронских уређаја. Углавном разматра безбедне радне параметре термина 5.2, безбедносне захтеве од 10.1 до 10.5 за ПЦМ, 11.1 до 11.5 безбедносне захтеве за заштитно коло система (када је сама батерија без заштите), захтеве 12.1 и 12.2 за доследност и Додатак А (за документе) .

у Термин 5.2 захтева да се параметри ћелије и батерије ускладе, што се може разумети као радни параметри батерије не би требало да прелазе опсег ћелија. Међутим, да ли је потребно обезбедити параметре заштите батерије да радни параметри батерије не прелазе опсег ћелија? Постоје различита схватања, али из перспективе безбедности дизајна батерија, одговор је да. На пример, максимална струја пуњења ћелије (или блока ћелије) је 3000мА, максимална радна струја батерије не би требало да прелази 3000мА, а струја заштите батерије такође треба да обезбеди да струја у процесу пуњења не би требало да пређе 3000мА. Само на тај начин можемо ефикасно заштитити и избећи опасности. За дизајн параметара заштите, погледајте Додатак А. Он разматра дизајн параметара ћелија – батерија – домаћин у употреби, који је релативно свеобухватан.

у За батерије са заштитним кругом, потребан је безбедносни тест 10.1~10.5. Ово поглавље углавном истражује заштиту од пренапона пуњења, заштиту од пренапона пуњења, заштиту под напоном пражњења, заштиту од прекомјерног пражњења и заштиту од кратког споја. Они су поменути у горе наведеномДизајн функционалне безбедностии основни захтеви. ГБ 31241 захтева проверу 500 пута.

у Ако је батерија без заштитног кола заштићена својим пуњачем или крајњим уређајем, безбедносни тест 11.1~11.5 заштитног кола система ће се спровести са спољним заштитним уређајем. Углавном се истражује контрола напона, струје и температуре пуњења и пражњења. Вреди напоменути да се, у поређењу са батеријама са заштитним круговима, батерије без заштитних кола могу ослонити само на заштиту опреме у стварној употреби. Ризик је већи, тако да ће нормалан рад и услови појединачних кварова бити тестирани одвојено. Ово приморава крајњи уређај да има двоструку заштиту; иначе не може да прође тест из поглавља 11.

у Коначно, ако батерија има више серијских ћелија, морате узети у обзир феномен неуравнотеженог пуњења. Потребан је тест усаглашености из поглавља 12. Овде се углавном истражују функције заштите равнотеже и диференцијалног притиска ПЦБ-а. Ова функција није потребна за једноћелијске батерије.

ГБ 4943.1-2022

Овај стандард је за АВ производе. Са све већом употребом електронских производа на батерије, нова верзија ГБ 4943.1-2022 даје специфичне захтеве за батерије у Додатку М, процењујући опрему са батеријама и њихова заштитна кола. На основу процене заштитног кола батерије, додати су и додатни безбедносни захтеви за опрему која садржи секундарне литијумске батерије.

у Секундарни заштитни круг литијумске батерије углавном истражује прекомерно пуњење, прекомерно пражњење, обрнуто пуњење, сигурносну заштиту при пуњењу (температура), заштиту од кратког споја, итд. Треба напоменути да сви ови тестови захтевају једну грешку у заштитном колу. Овај захтев се не помиње у стандарду за батерије ГБ 31241. Дакле, у дизајну функције заштите батерије, морамо комбиновати стандардне захтеве батерије и домаћина. Ако батерија има само једну заштиту и нема редундантних компоненти, или батерија нема заштитни круг, а заштитни круг обезбеђује само домаћин, домаћин треба да буде укључен у овај део теста.

Закључак

У закључку, за пројектовање безбедне батерије, поред избора самог материјала, подједнако су важни и накнадни структурални дизајн и дизајн функционалне безбедности. Иако различити стандарди имају различите захтеве за производе, ако се може сматрати да безбедност дизајна батерија у потпуности испуњава захтеве различитих тржишта, време испоруке може бити знатно смањено и производ се може убрзати на тржишту. Поред комбиновања закона, прописа и стандарда различитих земаља и региона, такође је неопходно дизајнирати производе засноване на стварној употреби батерија у терминалним производима.