V súčasnosti sa väčšina bezpečnostných nehôd lítium-iónových batérií vyskytuje v dôsledku zlyhania ochranného obvodu, čo spôsobuje tepelný únik batérie a má za následok požiar a výbuch. Preto, aby sa zabezpečilo bezpečné používanie lítiovej batérie, je obzvlášť dôležitý návrh ochranného obvodu a mali by sa brať do úvahy všetky druhy faktorov, ktoré spôsobujú zlyhanie lítiovej batérie. Poruchy sú okrem výrobného procesu v zásade spôsobené aj zmenami vonkajších extrémnych podmienok, ako je prebitie, nadmerné vybitie a vysoká teplota. Ak sa tieto parametre monitorujú v reálnom čase a pri ich zmene sa prijmú príslušné ochranné opatrenia, je možné zabrániť vzniku tepelného úniku. Bezpečnostný dizajn lítiovej batérie zahŕňa niekoľko aspektov: výber článkov, konštrukčný návrh a návrh funkčnej bezpečnosti BMS.

Výber buniek

Existuje mnoho faktorov ovplyvňujúcich bezpečnosť buniek, pri ktorých je základom výber materiálu bunky. V dôsledku rôznych chemických vlastností sa bezpečnosť líši v rôznych katódových materiáloch lítiovej batérie. Napríklad fosforečnan lítno-železitý má tvar olivínu, ktorý je relatívne stabilný a nie je ľahké ho zrútiť. Kobaltát lítny a ternárny lítny sú však vrstvenou štruktúrou, ktorá sa ľahko zrúti. Výber separátora je tiež veľmi dôležitý, pretože jeho výkon priamo súvisí s bezpečnosťou článku. Preto pri výbere článku treba brať do úvahy nielen detekčné správy, ale aj výrobný proces výrobcu, materiály a ich parametre.

Dizajn konštrukcie

Konštrukcia konštrukcie batérie zohľadňuje predovšetkým požiadavky na izoláciu a odvod tepla.

• Požiadavky na izoláciu vo všeobecnosti zahŕňajú nasledujúce aspekty: Izolácia medzi kladnou a zápornou elektródou; Izolácia medzi bunkou a krytom; Izolácia medzi pólmi a krytom; Elektrický rozstup PCB a povrchová vzdialenosť, návrh vnútorného zapojenia, návrh uzemnenia atď.
• Odvod tepla je hlavne pre niektoré veľké zásobníky energie alebo trakčné batérie. Vďaka vysokej energii týchto batérií je teplo vznikajúce pri nabíjaní a vybíjaní obrovské. Ak teplo nie je možné včas odviesť, teplo sa hromadí a vedie k nehodám. Preto by sa mal brať do úvahy výber a dizajn materiálov krytu (mal by mať určitú mechanickú pevnosť a prachotesnosť a vodotesnosť), výber chladiaceho systému a inej vnútornej tepelnej izolácie, odvodu tepla a hasiaceho systému.

Výber a použitie chladiaceho systému batérie nájdete v predchádzajúcom vydaní.

Funkčný bezpečnostný dizajn

Fyzikálne a chemické vlastnosti určujú, že materiál nemôže obmedziť nabíjacie a vybíjacie napätie. Akonáhle nabíjacie a vybíjacie napätie presiahne menovitý rozsah, spôsobí to nezvratné poškodenie lítiovej batérie. Preto je potrebné pridať ochranný obvod na udržanie napätia a prúdu vnútorného článku v normálnom stave, keď lítiová batéria funguje. Pre batérie BMS sú potrebné nasledujúce funkcie:

• Ochrana proti prepätiu pri nabíjaní: prebitie je jedným z hlavných dôvodov tepelného úniku. Po prebití sa materiál katódy zrúti v dôsledku nadmerného uvoľňovania lítiových iónov a na zápornej elektróde dôjde aj k precipitácii lítia, čo vedie k zníženiu tepelnej stability a zvýšeniu vedľajších reakcií, ktoré majú potenciálne riziko tepelného úniku. Preto je obzvlášť dôležité včas prerušiť prúd potom, čo nabíjanie dosiahne hornú hranicu napätia článku. To si vyžaduje, aby BMS mal funkciu ochrany proti prepätiu nabíjania, aby sa napätie článku vždy udržalo v rámci pracovného limitu. Bolo by lepšie, keby ochranné napätie nebolo hodnotou rozsahu a veľmi sa menilo, pretože to môže spôsobiť, že batéria neodpojí prúd v čase, keď je plne nabitá, čo vedie k prebitiu. Ochranné napätie BMS je zvyčajne navrhnuté tak, aby bolo rovnaké alebo mierne nižšie ako horné napätie článku.
• Ochrana proti nadmernému nabíjaniu: Nabíjanie batérie prúdom vyšším ako je limit nabitia alebo vybitia môže spôsobiť akumuláciu tepla. Keď sa teplo nahromadí dostatočné množstvo na roztavenie membrány, môže to spôsobiť vnútorný skrat. Preto je tiež nevyhnutné včasné nabíjanie nad prúdovou ochranou. Mali by sme venovať pozornosť tomu, že nadprúdová ochrana nemôže byť vyššia ako tolerancia bunkového prúdu v návrhu.
• Ochrana proti vybitiu pod napätím: Príliš veľké alebo príliš nízke napätie poškodí výkon batérie. Nepretržité vybíjanie pod napätím spôsobí zrážanie medi a kolaps zápornej elektródy, takže vo všeobecnosti bude mať batéria vybitie pod napäťovou ochranou.
• Ochrana proti vybíjaniu nad prúdom: Väčšina PCB sa nabíja a vybíja cez rovnaké rozhranie, v tomto prípade je prúd ochrany proti nabíjaniu a vybíjaniu konzistentný. Ale niektoré batérie, najmä batérie do elektrického náradia, rýchlonabíjanie a iné typy batérií, potrebujú používať veľké prúdové vybíjanie alebo nabíjanie, prúd je v tomto čase nekonzistentný, preto je najlepšie nabíjať a vybíjať v dvoch slučkách.
• Ochrana proti skratu: Skrat batérie je tiež jednou z najčastejších porúch. Nejaká kolízia, nesprávne použitie, stlačenie, vpichnutie, vniknutie vody atď. je ľahké vyvolať skrat. Skrat okamžite generuje veľký vybíjací prúd, čo má za následok prudký nárast teploty batérie. Zároveň po vonkajšom skrate zvyčajne prebieha v článku séria elektrochemických reakcií, čo vedie k sérii exotermických reakcií. Ochrana proti skratu je tiež druhom nadprúdovej ochrany. Ale skratový prúd bude nekonečný a teplo a poškodenie sú tiež nekonečné, takže ochrana musí byť veľmi citlivá a môže sa automaticky spustiť. Bežné ochranné opatrenia proti skratu zahŕňajú stýkače, poistky, mos, atď.
• Ochrana proti prehriatiu: Batéria je citlivá na okolitú teplotu. Príliš vysoká alebo príliš nízka teplota ovplyvní jeho výkon. Preto je dôležité udržiavať batériu v prevádzke v rámci limitnej teploty. BMS by mal mať funkciu ochrany pred teplotou na zastavenie batérie, keď je teplota príliš vysoká alebo príliš nízka. Môže sa dokonca rozdeliť na ochranu pred teplotou nabíjania a ochranu pred teplotou vybíjania atď.
• Funkcia vyvažovania: V prípade batérií notebookov a iných batérií viacerých sérií existuje medzi článkami nekonzistentnosť v dôsledku rozdielov vo výrobnom procese. Napríklad vnútorný odpor niektorých buniek je väčší ako u iných. Táto nejednotnosť sa bude vplyvom vonkajšieho prostredia postupne prehlbovať. Preto je potrebné mať funkciu riadenia rovnováhy na implementáciu rovnováhy bunky. Vo všeobecnosti existujú dva druhy rovnováhy:

1. Pasívne vyvažovanie: Použite hardvér, ako je komparátor napätia, a potom použite odporový odvod tepla, aby ste uvoľnili prebytočnú energiu vysokokapacitnej batérie. Ale spotreba energie je veľká, rýchlosť vyrovnávania je pomalá a účinnosť je nízka.

2.Aktívne vyvažovanie: použite kondenzátory na uloženie výkonu článkov s vyšším napätím a jeho uvoľnenie do článku s nižším napätím. Keď je však rozdiel tlakov medzi susednými článkami malý, doba vyrovnávania je dlhá a prah vyrovnávacieho napätia je možné nastaviť flexibilnejšie.

Štandardná validácia

Nakoniec, ak chcete, aby vaše batérie úspešne vstúpili na medzinárodný alebo domáci trh, musia tiež spĺňať súvisiace normy, aby sa zaistila bezpečnosť lítium-iónovej batérie. Od článkov po batérie a hostiteľské produkty by mali spĺňať príslušné testovacie normy. Tento článok sa zameria na domáce požiadavky na ochranu batérií pre elektronické IT produkty.

GB 31241-2022

Táto norma platí pre batérie prenosných elektronických zariadení. Zohľadňuje najmä termín 5.2 bezpečné pracovné parametre, 10.1 až 10.5 bezpečnostné požiadavky pre PCM, 11.1 až 11.5 bezpečnostné požiadavky na obvod ochrany systému (keď je samotná batéria bez ochrany), požiadavky 12.1 a 12.2 na konzistenciu a prílohu A (pre dokumenty) .

u Termín 5.2 vyžaduje zosúladenie parametrov článku a batérie, čo možno chápať tak, že pracovné parametre batérie by nemali prekročiť rozsah článkov. Je však potrebné zabezpečiť parametre ochrany batérie, aby pracovné parametre batérie neprekročili rozsah článkov? Existujú rôzne chápania, ale z hľadiska bezpečnosti konštrukcie batérie je odpoveď áno. Napríklad maximálny nabíjací prúd článku (alebo bloku článkov) je 3 000 mA, maximálny pracovný prúd batérie by nemal prekročiť 3 000 mA a ochranný prúd batérie by mal tiež zabezpečiť, aby prúd v procese nabíjania neprekročil 3000 mA. Len tak môžeme účinne chrániť a predchádzať nebezpečenstvám. Návrh parametrov ochrany nájdete v Prílohe A. Zohľadňuje návrh parametrov používaný článok – batéria – hostiteľ, ktorý je pomerne obsiahly.

u Pri batériách s ochranným obvodom sa vyžaduje test bezpečnosti ochranného obvodu batérie 10,1~10,5. Táto kapitola sa zaoberá hlavne ochranou proti prepätiu pri nabíjaní, ochranou proti nadprúdu, vybíjaním pod napätím, ochranou proti vybíjaniu nad prúdom a ochranou proti skratu. Tieto sú uvedené vyššieFunkčný bezpečnostný dizajna základné požiadavky. GB 31241 vyžaduje 500-krát kontrolu.

u Ak je batéria bez ochranného obvodu chránená svojou nabíjačkou alebo koncovým zariadením, bezpečnostný test ochranného obvodu systému 11.1~11.5 sa musí vykonať s externým ochranným zariadením. Skúma sa hlavne kontrola napätia, prúdu a teploty nabíjania a vybíjania. Stojí za zmienku, že v porovnaní s batériami s ochrannými obvodmi sa batérie bez ochranných obvodov môžu spoliehať iba na ochranu zariadenia pri skutočnom používaní. Riziko je vyššie, takže bežná prevádzka a stavy jedinej poruchy budú testované oddelene. To núti koncové zariadenie mať dvojitú ochranu; inak nemôže prejsť testom v kapitole 11.

u Nakoniec, ak je v batérii viacero sériových článkov, musíte zvážiť jav nevyváženého nabíjania. Vyžaduje sa skúška zhody podľa kapitoly 12. Skúma sa tu hlavne funkcia ochrany rovnováhy a diferenčného tlaku PCB. Táto funkcia nie je potrebná pre jednočlánkové batérie.

GB 4943.1-2022

Táto norma platí pre AV produkty. So zvyšujúcim sa používaním elektronických produktov napájaných batériami uvádza nová verzia GB 4943.1-2022 špecifické požiadavky na batérie v prílohe M, ktorá hodnotí zariadenia s batériami a ich ochranné obvody. Na základe vyhodnotenia ochranného obvodu batérie boli doplnené aj ďalšie bezpečnostné požiadavky na zariadenia obsahujúce sekundárne lítiové batérie.

u Sekundárny ochranný obvod lítiovej batérie skúma hlavne prebitie, nadmerné vybitie, spätné nabíjanie, bezpečnostnú ochranu nabíjania (teplotu), ochranu proti skratu atď. Treba poznamenať, že všetky tieto testy vyžadujú jedinú chybu v ochrannom obvode. Táto požiadavka nie je uvedená v štandarde batérie GB 31241. Takže pri návrhu funkcie ochrany batérie musíme skombinovať štandardné požiadavky batérie a hostiteľa. Ak má batéria iba jednu ochranu a žiadne nadbytočné komponenty, alebo batéria nemá žiadny ochranný obvod a ochranný obvod poskytuje iba hostiteľ, hostiteľ by mal byť zahrnutý do tejto časti testu.

Záver

Na záver, pre návrh bezpečnej batérie je okrem výberu samotného materiálu rovnako dôležitý aj následný konštrukčný návrh a návrh funkčnej bezpečnosti. Aj keď rôzne normy majú rôzne požiadavky na produkty, ak možno bezpečnosť konštrukcie batérie plne zvážiť tak, aby spĺňala požiadavky rôznych trhov, dodacia lehota sa môže výrazne skrátiť a produkt sa môže urýchliť na trhu. Okrem kombinovania zákonov, nariadení a noriem rôznych krajín a regiónov je tiež potrebné navrhovať produkty na základe skutočného použitia batérií v koncových produktoch.