Trenutno se večina varnostnih nesreč pri litij-ionskih baterijah zgodi zaradi okvare zaščitnega vezja, ki povzroči toplotno beg baterije in povzroči požar in eksplozijo. Zato je za uresničitev varne uporabe litijeve baterije še posebej pomembna zasnova zaščitnega vezja, pri čemer je treba upoštevati vse vrste dejavnikov, ki povzročajo okvaro litijeve baterije. Poleg proizvodnega procesa so okvare v bistvu posledica sprememb zunanjih ekstremnih pogojev, kot so prekomerno polnjenje, prekomerno praznjenje in visoka temperatura. Če se ti parametri spremljajo v realnem času in se ob njihovi spremembi izvedejo ustrezni zaščitni ukrepi, se lahko izognemo pojavu toplotnega uhajanja. Varnostna zasnova litijeve baterije vključuje več vidikov: izbiro celic, strukturno zasnovo in funkcionalno varnostno zasnovo BMS.

Izbira celice

Na varnost celic vpliva veliko dejavnikov, pri katerih je izbira celičnega materiala temelj. Zaradi različnih kemičnih lastnosti se varnost razlikuje pri različnih katodnih materialih litijeve baterije. Na primer, litijev železov fosfat ima obliko olivina, ki je razmeroma stabilen in ga ni enostavno zrušiti. Litijev kobaltat in litijev ternarni pa sta plastna struktura, ki se zlahka zruši. Zelo pomembna je tudi izbira separatorja, saj je njegova učinkovitost neposredno povezana z varnostjo celice. Zato je treba pri izbiri celice upoštevati ne le poročila o zaznavi, temveč tudi proizvajalčev proizvodni proces, materiale in njihove parametre.

Oblikovanje strukture

Zasnova strukture baterije upošteva predvsem zahteve glede izolacije in odvajanja toplote.

• Zahteve glede izolacije na splošno vključujejo naslednje vidike: izolacijo med pozitivno in negativno elektrodo; Izolacija med celico in ohišjem; Izolacija med jezički drogov in ohišjem; Električni razmik tiskanega vezja in plazilna pot, zasnova notranjega ožičenja, zasnova ozemljitve itd.
• Odvajanje toplote je predvsem za nekatere velike akumulatorje za shranjevanje energije ali pogonske baterije. Zaradi visoke energije teh baterij je toplota, ki nastane pri polnjenju in praznjenju, ogromna. Če toplote ni mogoče pravočasno odvesti, se bo toplota kopičila in povzročila nesreče. Zato je treba upoštevati izbiro in načrtovanje materialov ohišja (imeti mora določeno mehansko trdnost ter zahteve glede odpornosti na prah in vodo), izbiro hladilnega sistema in druge notranje toplotne izolacije, odvajanje toplote in sistem za gašenje požara.

Za izbiro in uporabo hladilnega sistema akumulatorja glejte prejšnjo izdajo.

Funkcionalna varnostna zasnova

Fizikalne in kemijske lastnosti določajo, da material ne more omejiti napetosti polnjenja in praznjenja. Ko napetost polnjenja in praznjenja preseže nazivno območje, bo to povzročilo nepopravljivo škodo na litijevi bateriji. Zato je treba dodati zaščitno vezje za vzdrževanje napetosti in toka notranje celice v normalnem stanju, ko litijeva baterija deluje. Za BMS baterij so potrebne naslednje funkcije:

• Prenapetostna zaščita pri polnjenju: prenapolnjenost je eden glavnih razlogov za toplotno uhajanje. Po prekomernem polnjenju se bo material katode zrušil zaradi prekomernega sproščanja litijevih ionov, negativna elektroda pa bo povzročila tudi precipitacijo litija, kar vodi do zmanjšanja toplotne stabilnosti in povečanja stranskih reakcij, ki imajo potencialno tveganje za toplotni umik. Zato je še posebej pomembno, da pravočasno prekinete tok, potem ko polnjenje doseže zgornjo mejno napetost celice. To zahteva, da ima BMS funkcijo zaščite pred prenapetostjo pri polnjenju, tako da je napetost celice vedno znotraj delovne meje. Bolje bi bilo, da zaščitna napetost ni razpon in se zelo spreminja, saj lahko povzroči, da baterija ne prekine toka pravočasno, ko je popolnoma napolnjena, kar povzroči prenapolnjenost. Zaščitna napetost BMS je običajno zasnovana tako, da je enaka ali nekoliko nižja od zgornje napetosti celice.
• Zaščita pred polnjenjem nad tokom: polnjenje baterije s tokom, ki presega omejitev polnjenja ali praznjenja, lahko povzroči kopičenje toplote. Ko se toplota nabere dovolj, da se membrana stopi, lahko povzroči notranji kratek stik. Zato je bistvenega pomena tudi pravočasna prenapetostna zaščita. Pozorni moramo biti, da prenapetostna zaščita ne more biti višja od tolerance celičnega toka v načrtu.
• Zaščita pred praznjenjem pod napetostjo: Previsoka ali premajhna napetost poškoduje delovanje baterije. Neprekinjeno praznjenje pod napetostjo bo povzročilo izločanje bakra in sesedanje negativne elektrode, zato bo baterija na splošno imela funkcijo zaščite pred praznjenjem pod napetostjo.
• Zaščita pred prekomernim tokom: večina tiskanega vezja se polni in prazni prek istega vmesnika; v tem primeru sta tok zaščite pred polnjenjem in praznjenjem enaka. Toda nekatere baterije, zlasti baterije za električna orodja, baterije za hitro polnjenje in druge vrste baterij, potrebujejo praznjenje velikega toka ali polnjenje, tok je v tem trenutku nedosleden, zato je najbolje polniti in prazniti v dveh zankah.
• Zaščita pred kratkim stikom: tudi kratek stik akumulatorja je ena najpogostejših okvar. Nekateri trki, napačna uporaba, stiskanje, vbodi, vdor vode itd. lahko povzročijo kratek stik. Kratek stik bo takoj ustvaril velik tok praznjenja, kar bo povzročilo močno povišanje temperature akumulatorja. Obenem se v celici po zunanjem kratkem stiku navadno odvija vrsta elektrokemičnih reakcij, ki vodijo v vrsto eksotermnih reakcij. Zaščita pred kratkim stikom je tudi vrsta zaščite pred preobremenitvijo. Toda tok kratkega stika bo neskončen, toplota in škoda sta prav tako neskončni, zato mora biti zaščita zelo občutljiva in se lahko samodejno sproži. Pogosti ukrepi za zaščito pred kratkim stikom vključujejo kontaktorje, varovalke, mos itd.
• Zaščita pred previsoko temperaturo: baterija je občutljiva na temperaturo okolja. Previsoka ali prenizka temperatura bo vplivala na njegovo delovanje. Zato je pomembno, da baterija deluje znotraj mejne temperature. BMS mora imeti funkcijo temperaturne zaščite, da zaustavi baterijo, ko je temperatura previsoka ali prenizka. Lahko se celo razdeli na zaščito pred temperaturo polnjenja in zaščito pred temperaturo praznjenja itd.
• Funkcija uravnoteženja: Pri baterijah za prenosnike in druge baterije z več serijami obstaja nedoslednost med celicami zaradi razlik v proizvodnem procesu. Na primer, notranji upor nekaterih celic je večji od drugih. Ta nedoslednost se bo postopoma poslabšala pod vplivom zunanjega okolja. Zato je za vzpostavitev ravnovesja celice potrebna funkcija upravljanja ravnovesja. Na splošno obstajata dve vrsti ravnovesja:

1.Pasivno uravnoteženje: Uporabite strojno opremo, kot je primerjalnik napetosti, in nato uporabite odvajanje toplote z uporom, da sprostite odvečno moč visokozmogljive baterije. Toda poraba energije je velika, hitrost izenačevanja je počasna in učinkovitost je nizka.

2. Aktivno uravnoteženje: uporabite kondenzatorje za shranjevanje moči celic z višjo napetostjo in jo sprostite celici z nižjo napetostjo. Ko pa je razlika v tlaku med sosednjimi celicami majhna, je čas izenačevanja dolg in prag izenačitvene napetosti je mogoče nastaviti bolj prilagodljivo.

Standardna validacija

Končno, če želite, da vaše baterije uspešno vstopijo na mednarodni ali domači trg, morajo izpolnjevati tudi povezane standarde, da se zagotovi varnost litij-ionske baterije. Od celic do baterij in gostiteljskih izdelkov mora ustrezati ustreznim testnim standardom. Ta članek se bo osredotočil na domače zahteve glede zaščite baterij za elektronske izdelke IT.

GB 31241-2022

Ta standard velja za baterije prenosnih elektronskih naprav. Upošteva predvsem izraz 5.2 varne delovne parametre, 10.1 do 10.5 varnostne zahteve za PCM, 11.1 do 11.5 varnostne zahteve za sistemsko zaščitno vezje (ko je baterija sama brez zaščite), 12.1 in 12.2 zahteve za skladnost in Dodatek A (za dokumente) .

u Izraz 5.2 zahteva, da se parametri celice in baterije ujemajo, kar lahko razumemo tako, da delovni parametri baterije ne smejo presegati obsega celic. Vendar, ali je treba zaščitne parametre baterije zagotoviti, da delovni parametri baterije ne presežejo obsega celic? Obstajajo različna razumevanja, vendar je z vidika varnosti zasnove baterije odgovor pritrdilen. Na primer, največji polnilni tok celice (ali celičnega bloka) je 3000 mA, največji delovni tok baterije ne sme preseči 3000 mA, zaščitni tok baterije pa mora zagotoviti tudi, da tok v procesu polnjenja ne sme preseči 3000 mA. Le tako se lahko učinkovito zaščitimo in preprečimo nevarnostim. Za zasnovo zaščitnih parametrov glejte Dodatek A. Upošteva zasnovo parametrov celica – baterija – gostitelj v uporabi, ki je razmeroma obsežen.

u Za baterije z zaščitnim vezjem je potreben preskus varnosti zaščitnega vezja baterije 10,1~10,5. To poglavje v glavnem raziskuje zaščito pred napetostjo pri polnjenju, zaščito pred napetostjo pri polnjenju, zaščito pred podnapetostjo pri praznjenju, zaščito pred prenapetostjo pri praznjenju in zaščito pred kratkim stikom. Ti so omenjeni zgorajFunkcionalna varnostna zasnovain osnovne zahteve. GB 31241 zahteva 500-kratno preverjanje.

u Če je baterija brez zaščitnega vezja zaščitena s polnilnikom ali končno napravo, je treba preskus varnosti sistemskega zaščitnega vezja 11.1~11.5 opraviti z zunanjo zaščitno napravo. Raziskuje se predvsem nadzor napetosti, toka in temperature polnjenja in praznjenja. Treba je omeniti, da se baterije brez zaščitnih vezij v primerjavi z baterijami z zaščitnimi vezji lahko zanašajo le na zaščito opreme v dejanski uporabi. Tveganje je večje, zato bodo normalno delovanje in stanja posamezne napake testirana ločeno. To prisili končno napravo, da ima dvojno zaščito; sicer ne more opraviti preizkusa v 11. poglavju.

u Končno, če je v bateriji več serijskih celic, morate upoštevati pojav neuravnoteženega polnjenja. Potreben je preskus skladnosti s poglavjem 12. Tu se v glavnem raziskujeta zaščitni funkciji PCB za ravnovesje in diferenčni tlak. Ta funkcija ni potrebna za enocelične baterije.

GB 4943.1-2022

Ta standard je za izdelke AV. Z vse večjo uporabo elektronskih izdelkov, ki se napajajo z baterijami, nova različica GB 4943.1-2022 podaja posebne zahteve za baterije v Dodatku M, pri čemer ocenjuje opremo z baterijami in njihovimi zaščitnimi vezji. Na podlagi ocene zaščitnega vezja baterije so bile dodane tudi dodatne varnostne zahteve za opremo, ki vsebuje sekundarne litijeve baterije.

u Sekundarno zaščitno vezje litijeve baterije preiskuje predvsem prekomerno polnjenje, prekomerno praznjenje, povratno polnjenje, varnostno zaščito pri polnjenju (temperatura), zaščito kratkega stika itd. Treba je opozoriti, da vsi ti preskusi zahtevajo eno samo napako v zaščitnem vezju. Ta zahteva ni omenjena v standardu za baterije GB 31241. Zato moramo pri načrtovanju funkcije zaščite baterije združiti standardne zahteve za baterijo in gostitelja. Če ima baterija samo eno zaščito in nima odvečnih komponent ali če baterija nima zaščitnega vezja in zaščitno vezje zagotavlja samo gostitelj, je treba gostitelja vključiti v ta del preskusa.

Zaključek

Skratka, za načrtovanje varne baterije sta poleg izbire samega materiala enako pomembna kasnejša strukturna zasnova in zasnova funkcionalne varnosti. Čeprav imajo različni standardi različne zahteve za izdelke, se lahko, če je mogoče v celoti šteti, da varnost zasnove baterije ustreza zahtevam različnih trgov, pretočni čas močno skrajša in izdelek pospeši na trg. Poleg združevanja zakonov, predpisov in standardov različnih držav in regij je treba oblikovati tudi izdelke, ki temeljijo na dejanski uporabi baterij v terminalskih izdelkih.