Понастоящем повечето от инцидентите, свързани с безопасността на литиево-йонните батерии, възникват поради повреда на защитната верига, което причинява термично изтичане на батерията и води до пожар и експлозия. Следователно, за да се реализира безопасното използване на литиевата батерия, дизайнът на защитната верига е особено важен и трябва да се вземат предвид всички видове фактори, причиняващи повреда на литиевата батерия. В допълнение към производствения процес, неизправностите са основно причинени от промени във външните екстремни условия, като презареждане, прекомерно разреждане и висока температура. Ако тези параметри се наблюдават в реално време и се вземат съответните защитни мерки, когато се променят, възникването на топлинен бягство може да бъде избегнато. Дизайнът за безопасност на литиевата батерия включва няколко аспекта: избор на клетки, структурен дизайн и дизайн за функционална безопасност на BMS.

Избор на клетка

Има много фактори, влияещи върху безопасността на клетките, при които изборът на клетъчен материал е в основата. Поради различните химични свойства, безопасността варира в различните катодни материали на литиевата батерия. Например, литиево-железният фосфат е с форма на оливин, който е относително стабилен и не се разпада лесно. Литиевият кобалтат и трикомпонентният литий обаче са слоеста структура, която лесно се срутва. Изборът на сепаратор също е много важен, тъй като неговата работа е пряко свързана с безопасността на клетката. Следователно при избора на клетка трябва да се вземат предвид не само докладите за откриване, но и производственият процес на производителя, материалите и техните параметри.

Проектиране на структурата

Структурата на батерията отчита главно изискванията за изолация и разсейване на топлината.

• Изискванията за изолация обикновено включват следните аспекти: Изолация между положителния и отрицателния електрод; Изолация между клетката и корпуса; Изолация между клемите на стълбовете и корпуса; Електрическо разстояние на печатни платки и път на пълзене, дизайн на вътрешно окабеляване, дизайн на заземяване и др.
• Разсейването на топлината е главно за някои големи акумулатори на енергия или тягови батерии. Поради високата енергия на тези батерии, топлината, генерирана при зареждане и разреждане, е огромна. Ако топлината не може да бъде разсеяна навреме, тя ще се натрупа и ще доведе до инциденти. Следователно изборът и дизайнът на материалите за корпуса (трябва да има определени изисквания за механична якост и устойчивост на прах и вода), изборът на охладителна система и друга вътрешна топлоизолация, разсейване на топлината и пожарогасителна система трябва да бъдат взети под внимание.

За избора и приложението на системата за охлаждане на батерията, моля, вижте предишното издание.

Функционален безопасен дизайн

Физическите и химичните свойства определят, че материалът не може да ограничи напрежението на зареждане и разреждане. След като напрежението за зареждане и разреждане надхвърли номиналния диапазон, това ще причини необратима повреда на литиевата батерия. Следователно е необходимо да се добави защитна верига за поддържане на напрежението и тока на вътрешната клетка в нормално състояние, когато литиевата батерия работи. За BMS на батерии са необходими следните функции:

• Защита от пренапрежение при зареждане: презареждането е една от основните причини за топлинно бягство. След презареждане материалът на катода ще се срути поради прекомерно освобождаване на литиеви йони, а отрицателният електрод също ще доведе до утаяване на литий, което води до намаляване на термичната стабилност и увеличаване на страничните реакции, които имат потенциален риск от термично изтичане. Ето защо е особено важно токът да бъде прекъснат навреме, след като зареждането достигне горната граница на напрежението на клетката. Това изисква BMS да има функцията за защита от пренапрежение при зареждане, така че напрежението на клетката винаги да се поддържа в работна граница. Би било по-добре защитното напрежение да не е стойност на обхвата и да варира в широки граници, тъй като може да накара батерията да не успее да прекъсне тока навреме, когато е напълно заредена, което води до презареждане. Защитното напрежение на BMS обикновено е проектирано да бъде същото или малко по-ниско от горното напрежение на клетката.
• Защита от зареждане над ток: Зареждането на батерия с ток, по-голям от ограничението за зареждане или разреждане, може да причини натрупване на топлина. Когато топлината се натрупа достатъчно, за да разтопи диафрагмата, това може да причини вътрешно късо съединение. Следователно навременното зареждане на защитата от свръхток също е от съществено значение. Трябва да обърнем внимание, че защитата от свръхток не може да бъде по-висока от толеранса на тока на клетката в дизайна.
• Защита срещу разреждане под напрежение: Твърде голямо или твърде малко напрежение ще повреди работата на батерията. Продължителното разреждане под напрежение ще доведе до утаяване на медта и свиване на отрицателния електрод, така че обикновено батерията ще има функция за защита от разреждане под напрежение.
• Защита от прекомерно разреждане: По-голямата част от зареждането и разреждането на PCB през един и същ интерфейс, в този случай защитният ток на зареждане и разреждане е последователен. Но някои батерии, особено батерии за електрически инструменти, бързо зареждане и други видове батерии трябва да използват голям ток на разреждане или зареждане, токът е непостоянен в този момент, така че е най-добре да зареждате и разреждате в два контура за управление.
• Защита от късо съединение: Късото съединение на батерията също е една от най-честите неизправности. Някои сблъсъци, неправилна употреба, притискане, пробождане, навлизане на вода и т.н. могат лесно да предизвикат късо съединение. Късо съединение незабавно ще генерира голям разряден ток, което ще доведе до рязко повишаване на температурата на батерията. В същото време серия от електрохимични реакции обикновено протичат в клетката след външно късо съединение, което води до серия от екзотермични реакции. Защитата от късо съединение също е вид защита от свръхток. Но токът на късо съединение ще бъде безкраен, топлината и вредата също са безкрайни, така че защитата трябва да е много чувствителна и може да се задейства автоматично. Общите мерки за защита от късо съединение включват контактори, предпазители, mos и др.
• Защита от прегряване: Батерията е чувствителна към околната температура. Твърде високата или твърде ниската температура ще повлияе на работата му. Поради това е важно батерията да работи в рамките на граничната температура. BMS трябва да има функция за защита от температура, за да спре батерията, когато температурата е твърде висока или твърде ниска. Тя дори може да бъде разделена на защита от температурата на зареждане и защита от температурата на разреждане и т.н.
• Функция за балансиране: За преносими компютри и други многосерийни батерии има несъответствие между клетките поради разликите в производствения процес. Например вътрешното съпротивление на някои клетки е по-голямо от други. Това несъответствие постепенно ще се влоши под въздействието на външната среда. Следователно е необходимо да има функция за управление на баланса, за да се реализира балансът на клетката. Най-общо има два вида равновесие:

1.Пасивно балансиране: Използвайте хардуер, като например компаратор на напрежение, и след това използвайте съпротивителното разсейване на топлината, за да освободите излишната мощност на батерията с голям капацитет. Но консумацията на енергия е голяма, скоростта на изравняване е бавна и ефективността е ниска.

2.Активно балансиране: използвайте кондензатори за съхраняване на мощността на клетките с по-високо напрежение и я освобождавайте към клетката с по-ниско напрежение. Въпреки това, когато разликата в налягането между съседните клетки е малка, времето за изравняване е дълго и прагът на изравняващото напрежение може да се задава по-гъвкаво.

Стандартно валидиране

Най-накрая, ако искате вашите батерии да навлязат успешно на международния или вътрешния пазар, те също трябва да отговарят на съответните стандарти, за да гарантират безопасността на литиево-йонната батерия. От клетките до батериите и хост продуктите трябва да отговарят на съответните стандарти за изпитване. Тази статия ще се съсредоточи върху изискванията за защита на вътрешните батерии за електронни ИТ продукти.

GB 31241-2022

Този стандарт е за батерии на преносими електронни устройства. Той разглежда главно термин 5.2 безопасни работни параметри, 10.1 до 10.5 изисквания за безопасност за PCM, 11.1 до 11.5 изисквания за безопасност на защитната верига на системата (когато самата батерия е без защита), 12.1 и 12.2 изисквания за последователност и Приложение A (за документи) .

u Термин 5.2 изисква параметрите на клетката и батерията да бъдат съвпадащи, което може да се разбере, че работните параметри на батерията не трябва да надвишават обхвата на клетките. Трябва ли обаче параметрите за защита на батерията да бъдат гарантирани, че работните параметри на батерията не надвишават обхвата на клетките? Има различни разбирания, но от гледна точка на безопасността на дизайна на батерията, отговорът е да. Например максималният ток на зареждане на клетка (или клетъчен блок) е 3000 mA, максималният работен ток на батерията не трябва да надвишава 3000 mA, а защитният ток на батерията също трябва да гарантира, че токът в процеса на зареждане не трябва да надвишава 3000mA. Само по този начин можем ефективно да защитим и избегнем опасностите. За проектирането на защитни параметри, моля, вижте Приложение A. В него се разглежда дизайнът на параметрите клетка – батерия – хост в употреба, който е относително изчерпателен.

u За батерии със защитна верига е необходим тест за безопасност на защитната верига на батерията 10,1~10,5. Тази глава разглежда главно защитата при зареждане от пренапрежение, защита от зареждане срещу ток, защита от разреждане под напрежение, защита от разреждане от пренапрежение и защита от късо съединение. Те са споменати по-гореДизайн за функционална безопасности основните изисквания. GB 31241 изисква проверка 500 пъти.

u Ако батерията без защитна верига е защитена от нейното зарядно устройство или крайно устройство, тестът за безопасност на защитната верига на системата 11.1~11.5 трябва да се проведе с външното защитно устройство. Основно се изследват контролът на напрежението, тока и температурата на заряда и разряда. Струва си да се отбележи, че в сравнение с батериите със защитни вериги, батериите без защитни вериги могат да разчитат само на защитата на оборудването при реална употреба. Рискът е по-висок, така че нормалната работа и условията на единична повреда ще бъдат тествани отделно. Това принуждава крайното устройство да има двойна защита; в противен случай не може да премине теста в глава 11.

u И накрая, ако има няколко последователни клетки в една батерия, трябва да имате предвид феномена на небалансирано зареждане. Изисква се тест за съответствие на глава 12. Функциите за защита на баланса и диференциалното налягане на PCB се изследват основно тук. Тази функция не е необходима за едноклетъчни батерии.

GB 4943.1-2022

Този стандарт е за AV продукти. С нарастващото използване на електронни продукти, захранвани от батерии, новата версия на GB 4943.1-2022 дава специфични изисквания за батериите в Приложение М, оценявайки оборудването с батерии и техните защитни вериги. Въз основа на оценката на защитната верига на батерията са добавени и допълнителни изисквания за безопасност за оборудване, съдържащо вторични литиеви батерии.

u Веригата за защита на вторичната литиева батерия изследва главно презареждане, преразреждане, обратно зареждане, защита при зареждане (температура), защита от късо съединение и т.н. Трябва да се отбележи, че всички тези тестове изискват единична повреда в защитната верига. Това изискване не е споменато в стандарта за батерията GB 31241. Така че при проектирането на функцията за защита на батерията трябва да комбинираме стандартните изисквания за батерия и хост. Ако батерията има само една защита и няма излишни компоненти или батерията няма защитна верига и защитната верига се предоставя само от хоста, хостът трябва да бъде включен за тази част от теста.

Заключение

В заключение, за проектирането на безопасна батерия, в допълнение към избора на самия материал, последващият структурен дизайн и проектът за функционална безопасност са еднакво важни. Въпреки че различните стандарти имат различни изисквания за продуктите, ако безопасността на дизайна на батерията може да се счита напълно за отговаряща на изискванията на различните пазари, времето за изпълнение може да бъде значително намалено и продуктът може да бъде ускорен до пазара. В допълнение към комбинирането на законите, разпоредбите и стандартите на различни страни и региони, е необходимо също така да се проектират продукти въз основа на действителното използване на батерии в терминални продукти.