În prezent, majoritatea accidentelor de siguranță ale bateriilor litiu-ion apar din cauza defecțiunii circuitului de protecție, ceea ce provoacă evadarea termică a bateriei și duce la incendiu și explozie. Prin urmare, pentru a realiza utilizarea în siguranță a bateriei cu litiu, proiectarea circuitului de protecție este deosebit de importantă și trebuie luați în considerare tot felul de factori care cauzează defecțiunea bateriei cu litiu. Pe lângă procesul de producție, defecțiunile sunt cauzate în principal de modificări ale condițiilor extreme externe, cum ar fi supraîncărcare, supradescărcare și temperatură ridicată. Dacă acești parametri sunt monitorizați în timp real și se vor lua măsurile de protecție corespunzătoare atunci când se modifică, se poate evita apariția evadării termice. Designul de siguranță al bateriei cu litiu include mai multe aspecte: selecția celulelor, proiectarea structurală și proiectarea de siguranță funcțională a BMS.

Selectarea celulelor

Există mulți factori care afectează siguranța celulei în care alegerea materialului celular este fundamentul. Datorită proprietăților chimice diferite, siguranța variază în diferite materiale catodice ale bateriei cu litiu. De exemplu, fosfatul de fier litiu are formă de olivină, care este relativ stabil și nu se prăbușește ușor. Cobaltatul de litiu și ternarul de litiu sunt totuși o structură stratificată care este ușor de prăbușit. Selectarea separatorului este, de asemenea, foarte importantă, deoarece performanța acestuia este direct legată de siguranța celulei. Prin urmare, la selectarea celulei, se vor lua în considerare nu numai rapoartele de detectare, ci și procesul de producție al producătorului, materialele și parametrii acestora.

Proiectarea structurii

Designul structurii bateriei ia în considerare în principal cerințele de izolare și disipare a căldurii.

• Cerințele de izolare implică în general următoarele aspecte: Izolarea între electrodul pozitiv și negativ; Izolație între celulă și incintă; Izolație între urechile stâlpului și carcasă; Distanța electrică PCB și distanța de curgere, proiectarea cablajului intern, proiectarea împământului etc.
• Disiparea căldurii este în principal pentru unele baterii mari de stocare a energiei sau de tracțiune. Datorită energiei mari a acestor baterii, căldura generată la încărcare și descărcare este uriașă. Dacă căldura nu poate fi disipată în timp, căldura se va acumula și va duce la accidente. Prin urmare, trebuie luate în considerare selecția și proiectarea materialelor carcasei (ar trebui să aibă anumite cerințe de rezistență mecanică și rezistentă la praf și apă), selectarea sistemului de răcire și a altor izolații termice interne, disiparea căldurii și sistemul de stingere a incendiilor.

Pentru selectarea și aplicarea sistemului de răcire a bateriei, vă rugăm să consultați ediția anterioară.

Proiectare de siguranță funcțională

Proprietățile fizice și chimice determină că materialul nu poate limita tensiunea de încărcare și descărcare. Odată ce tensiunea de încărcare și descărcare depășește intervalul nominal, va cauza daune ireversibile bateriei cu litiu. Prin urmare, este necesar să adăugați circuitul de protecție pentru a menține tensiunea și curentul celulei interne într-o stare normală atunci când bateria cu litiu funcționează. Pentru BMS de baterii, sunt necesare următoarele funcții:

• Protecție la supratensiune de încărcare: supraîncărcarea este unul dintre principalele motive pentru evadarea termică. După supraîncărcare, materialul catodului se va prăbuși din cauza eliberării excesive de ioni de litiu, iar electrodul negativ va avea, de asemenea, precipitații de litiu, ceea ce duce la scăderea stabilității termice și la creșterea reacțiilor secundare, care au risc potențial de evadare termică. Prin urmare, este deosebit de important să tăiați curentul la timp după ce încărcarea atinge tensiunea limită superioară a celulei. Acest lucru necesită ca BMS să aibă funcția de protecție împotriva supratensiunii de încărcare, astfel încât tensiunea celulei să fie întotdeauna menținută în limita de funcționare. Ar fi mai bine ca tensiunea de protecție să nu fie o valoare de gamă și să varieze foarte mult, deoarece poate face ca bateria să nu întrerupă curentul la timp când este complet încărcată, ceea ce duce la o supraîncărcare. Tensiunea de protecție a BMS este de obicei proiectată să fie aceeași sau ușor mai mică decât tensiunea superioară a celulei.
• Protecția la supracurent de încărcare: Încărcarea unei baterii cu un curent mai mare decât limita de încărcare sau descărcare poate provoca acumularea de căldură. Când căldura se acumulează suficient pentru a topi diafragma, poate provoca un scurtcircuit intern. Prin urmare, încărcarea în timp util a protecției împotriva curentului este, de asemenea, esențială. Ar trebui să fim atenți că protecția la supracurent nu poate fi mai mare decât toleranța de curent al celulei din design.
• Protecția la descărcare sub tensiune: tensiunea prea mare sau prea mică va deteriora performanța bateriei. Descărcarea continuă sub tensiune va cauza precipitarea cuprului și prăbușirea electrodului negativ, astfel încât, în general, bateria va avea funcție de protecție la descărcare sub tensiune.
• Protecția la descărcare la supracurent: cea mai mare parte a PCB-ului se încarcă și se descarcă prin aceeași interfață, în acest caz, curentul de protecție de încărcare și descărcare este consistent. Dar unele baterii, în special baterii pentru unelte electrice, încărcare rapidă și alte tipuri de baterii, trebuie să utilizeze o descărcare sau încărcare mare a curentului, curentul este inconsecvent în acest moment, deci cel mai bine este să încărcați și să descărcați în două bucle de control.
• Protecția la scurtcircuit: scurtcircuitul bateriei este, de asemenea, una dintre cele mai frecvente defecțiuni. Unele coliziuni, utilizare greșită, stoarcere, ace, pătrunderea apei etc., sunt ușor de provocat scurtcircuit. Un scurtcircuit va genera imediat un curent de descărcare mare, ducând la o creștere bruscă a temperaturii bateriei. În același timp, în celulă au loc de obicei o serie de reacții electrochimice după scurtcircuit extern, ceea ce duce la o serie de reacții exoterme. Protecția la scurtcircuit este, de asemenea, un fel de protecție la supracurent. Dar curentul de scurtcircuit va fi infinit, iar căldura și daunele sunt, de asemenea, infinite, așa că protecția trebuie să fie foarte sensibilă și poate fi declanșată automat. Măsurile comune de protecție la scurtcircuit includ contactori, siguranțe, mos etc.
• Protecție împotriva temperaturii excesive: bateria este sensibilă la temperatura mediului ambiant. Temperatura prea ridicată sau prea scăzută îi va afecta performanța. Prin urmare, este important ca bateria să funcționeze în limitele temperaturii. BMS ar trebui să aibă o funcție de protecție a temperaturii pentru a opri bateria atunci când temperatura este prea mare sau prea scăzută. Poate fi chiar subdivizat în protecție la temperatura de încărcare și protecție la temperatura de descărcare etc.
• Funcția de echilibrare: Pentru notebook și alte baterii multi-seriate, există inconsecvență între celule din cauza diferențelor în procesul de producție. De exemplu, rezistența internă a unor celule este mai mare decât altele. Această inconsecvență se va agrava treptat sub influența mediului extern. Prin urmare, este necesar să existe o funcție de management al echilibrului pentru a implementa echilibrul celulei. În general, există două tipuri de echilibru:

1.Echilibrare pasivă: utilizați hardware, cum ar fi comparatorul de tensiune, apoi utilizați disiparea căldurii prin rezistență pentru a elibera puterea în exces a bateriei de mare capacitate. Dar consumul de energie este mare, viteza de egalizare este lentă și eficiența este scăzută.

2.Echilibrare activă: utilizați condensatori pentru a stoca puterea celulelor cu tensiune mai mare și o eliberează celulei cu o tensiune mai mică. Cu toate acestea, atunci când diferența de presiune între celulele adiacente este mică, timpul de egalizare este lung, iar pragul de tensiune de egalizare poate fi setat mai flexibil.

Validare standard

În cele din urmă, dacă doriți ca bateriile dvs. să intre cu succes pe piața internațională sau internă, trebuie, de asemenea, să îndeplinească standardele aferente pentru a asigura siguranța bateriei litiu-ion. De la celule la baterii și produsele gazdă ar trebui să îndeplinească standardele de testare corespunzătoare. Acest articol se va concentra pe cerințele interne de protecție a bateriilor pentru produsele electronice IT.

GB 31241-2022

Acest standard este pentru bateriile dispozitivelor electronice portabile. Se ia în considerare în principal termenul 5.2 parametrii de siguranță de lucru, 10.1 până la 10.5 cerințe de siguranță pentru PCM, 11.1 până la 11.5 cerințe de siguranță pentru circuitul de protecție a sistemului (când bateria în sine este fără protecție), cerințele 12.1 și 12.2 pentru consecvență și apendicele A (pentru documente) .

u Termenul 5.2 necesită corespondență cu parametrii celulei și bateriei, ceea ce poate fi înțeles ca parametrii de funcționare ai bateriei nu trebuie să depășească intervalul de celule. Cu toate acestea, trebuie să se asigure parametrii de protecție a bateriei că parametrii de funcționare ale bateriei nu depășesc intervalul de celule? Există diferite înțelegeri, dar din perspectiva siguranței designului bateriei, răspunsul este da. De exemplu, curentul maxim de încărcare al unei celule (sau bloc de celule) este de 3000 mA, curentul maxim de lucru al bateriei nu trebuie să depășească 3000 mA, iar curentul de protecție al bateriei ar trebui, de asemenea, să asigure că curentul din procesul de încărcare nu trebuie să depășească 3000mA. Numai în acest fel putem proteja și evita în mod eficient pericolele. Pentru proiectarea parametrilor de protecție, vă rugăm să consultați Anexa A. Se ia în considerare proiectarea parametrilor celulei – baterie – gazdă în uz, care este relativ cuprinzătoare.

u Pentru bateriile cu circuit de protecție, este necesar un test de siguranță a circuitului de protecție a bateriei de 10,1~10,5. Acest capitol investighează în principal protecția la supratensiune de încărcare, protecția la supracurent de încărcare, protecția la descărcare sub tensiune, protecția la supracurent și protecția la scurtcircuit. Acestea sunt menționate mai susProiectare de siguranță funcționalăși cerințele de bază. GB 31241 necesită verificare de 500 de ori.

u Dacă bateria fără circuit de protecție este protejată de încărcătorul sau dispozitivul său terminal, testul de siguranță al circuitului de protecție a sistemului 11.1~11.5 trebuie efectuat cu dispozitivul de protecție extern. Controlul tensiunii, curentului și temperaturii încărcării și descărcării sunt investigate în principal. Este de remarcat faptul că, în comparație cu bateriile cu circuite de protecție, bateriile fără circuite de protecție se pot baza doar pe protecția echipamentelor aflate în uz efectiv. Riscul este mai mare, astfel încât funcționarea normală și condițiile de defecțiune unică vor fi testate separat. Acest lucru forțează dispozitivul final să aibă protecție dublă; în caz contrar, nu poate trece testul din capitolul 11.

u În cele din urmă, dacă există mai multe celule în serie într-o baterie, trebuie să luați în considerare fenomenul de încărcare dezechilibrată. Este necesar un test de conformitate cu capitolul 12. Funcțiile de echilibrare și protecție a presiunii diferențiale ale PCB sunt investigate în principal aici. Această funcție nu este necesară pentru bateriile cu o singură celulă.

GB 4943.1-2022

Acest standard este pentru produsele AV. Odată cu utilizarea în creștere a produselor electronice alimentate cu baterii, noua versiune a GB 4943.1-2022 oferă cerințe specifice pentru baterii în Anexa M, evaluând echipamentele cu baterii și circuitele de protecție ale acestora. Pe baza evaluării circuitului de protecție a bateriei, au fost adăugate și cerințe suplimentare de siguranță pentru echipamentele care conțin baterii secundare cu litiu.

u Circuitul secundar de protecție a bateriei cu litiu investighează în principal supraîncărcarea, supradescărcarea, încărcarea inversă, protecția de siguranță la încărcare (temperatură), protecția la scurtcircuit etc. Trebuie remarcat că toate aceste teste necesită o singură defecțiune în circuitul de protecție. Această cerință nu este menționată în standardul bateriei GB 31241. Deci, în proiectarea funcției de protecție a bateriei, trebuie să combinăm cerințele standard ale bateriei și gazdei. Dacă bateria are o singură protecție și nu are componente redundante sau dacă bateria nu are circuit de protecție și circuitul de protecție este furnizat numai de gazdă, gazda ar trebui inclusă pentru această parte a testului.

Concluzie

În concluzie, pentru a proiecta o baterie sigură, pe lângă alegerea materialului în sine, designul structural ulterior și designul de siguranță funcțională sunt la fel de importante. Deși diferite standarde au cerințe diferite pentru produse, dacă siguranța designului bateriei poate fi considerată pe deplin pentru a satisface cerințele diferitelor piețe, timpul de livrare poate fi mult redus și produsul poate fi accelerat pe piață. Pe lângă combinarea legilor, reglementărilor și standardelor diferitelor țări și regiuni, este, de asemenea, necesară proiectarea produselor bazate pe utilizarea efectivă a bateriilor în produsele terminale.