В настоящее время большинство несчастных случаев, связанных с безопасностью литий-ионных аккумуляторов, происходит из-за отказа схемы защиты, что приводит к тепловому разгону аккумулятора и приводит к возгоранию и взрыву. Поэтому для обеспечения безопасного использования литиевой батареи особенно важна разработка схемы защиты, и следует учитывать все факторы, вызывающие выход из строя литиевой батареи. Помимо производственного процесса, отказы в основном вызваны изменениями внешних экстремальных условий, таких как чрезмерный заряд, чрезмерный разряд и высокая температура. Если эти параметры контролируются в режиме реального времени и при их изменении принимаются соответствующие защитные меры, возникновения теплового разгона можно избежать. Проектирование безопасности литиевой батареи включает в себя несколько аспектов: выбор элементов, структурный проект и проектирование функциональной безопасности BMS.

Выбор ячейки

Существует множество факторов, влияющих на безопасность элементов, в основе которых лежит выбор материала элементов. Из-за различных химических свойств безопасность разных катодных материалов литиевой батареи различается. Например, фосфат лития-железа имеет форму оливина, который относительно стабилен и его нелегко разрушить. Однако кобальтат лития и тройной литий представляют собой слоистую структуру, которая легко разрушается. Выбор сепаратора также очень важен, так как от его производительности напрямую зависит безопасность ячейки. Поэтому при выборе ячейки необходимо учитывать не только отчеты об обнаружении, но и производственный процесс производителя, материалы и их параметры.

Проектирование конструкции

При проектировании конструкции батареи в основном учитываются требования к изоляции и рассеиванию тепла.

• Требования к изоляции обычно включают следующие аспекты: Изоляция между положительным и отрицательным электродом; Изоляция между ячейкой и корпусом; Изоляция между контактами опор и корпусом; Электрическое расстояние печатной платы и путь утечки, конструкция внутренней проводки, конструкция заземления и т. д.
• Рассеяние тепла в основном характерно для некоторых крупных аккумуляторов энергии или тяговых батарей. Из-за высокой энергии этих аккумуляторов при зарядке и разрядке выделяется огромное количество тепла. Если тепло не удастся рассеять вовремя, оно будет накапливаться и приведет к несчастным случаям. Поэтому следует учитывать выбор и проектирование материалов корпуса (он должен иметь определенную механическую прочность, а также требования к пыле- и водонепроницаемости), выбор системы охлаждения и другой внутренней теплоизоляции, системы отвода тепла и пожаротушения.

Для выбора и применения системы охлаждения аккумулятора обратитесь к предыдущему выпуску.

Функциональная безопасность

Физические и химические свойства определяют, что материал не может ограничивать напряжение зарядки и разрядки. Как только напряжение зарядки и разрядки превысит номинальный диапазон, это приведет к необратимому повреждению литиевой батареи. Поэтому необходимо добавить схему защиты для поддержания напряжения и тока внутреннего элемента в нормальном состоянии при работе литиевой батареи. Для BMS аккумуляторов необходимы следующие функции:

• Защита от перенапряжения при зарядке: перезарядка является одной из основных причин температурного разгона. После перезаряда материал катода разрушится из-за чрезмерного выделения ионов лития, а на отрицательном электроде также произойдет осаждение лития, что приводит к снижению термостабильности и увеличению побочных реакций, которые имеют потенциальный риск термического выхода из-под контроля. Поэтому особенно важно вовремя отключать ток после того, как зарядка достигнет верхнего предельного напряжения элемента. Для этого необходимо, чтобы BMS имела функцию защиты от перенапряжения при зарядке, чтобы напряжение элемента всегда оставалось в пределах рабочего предела. Было бы лучше, чтобы защитное напряжение не было значением диапазона и варьировалось в широких пределах, поскольку это может привести к тому, что батарея не сможет вовремя отключить ток, когда она полностью заряжена, что приведет к перезарядке. Защитное напряжение BMS обычно должно быть таким же или немного ниже, чем верхнее напряжение элемента.
• Защита от перегрузки по току: зарядка аккумулятора током, превышающим предел заряда или разряда, может привести к накоплению тепла. Когда тепла накапливается достаточно, чтобы расплавить диафрагму, это может вызвать внутреннее короткое замыкание. Поэтому своевременная защита от перегрузки по току также важна. Следует обратить внимание, что защита от перегрузки по току не может быть выше допустимого тока ячейки в конструкции.
• Защита от разряда при пониженном напряжении: слишком большое или слишком маленькое напряжение может привести к повреждению аккумулятора. Непрерывный разряд под напряжением приведет к осаждению меди и разрушению отрицательного электрода, поэтому обычно батарея имеет функцию защиты от разряда под напряжением.
• Защита от перегрузки по току: большая часть платы заряжается и разряжается через один и тот же интерфейс, в этом случае ток защиты от заряда и разряда одинаков. Но некоторые батареи, особенно батареи для электроинструментов, батареи быстрой зарядки и другие типы батарей, должны использовать большой ток разряда или зарядки, ток в это время непостоянен, поэтому лучше всего заряжать и разряжать в двухконтурном управлении.
• Защита от короткого замыкания. Короткое замыкание аккумулятора также является одной из наиболее распространенных неисправностей. Некоторые столкновения, неправильное использование, сдавливание, прокалывание, попадание воды и т. д. легко могут вызвать короткое замыкание. Короткое замыкание немедленно вызовет большой ток разряда, что приведет к резкому повышению температуры батареи. При этом в клетке после внешнего короткого замыкания обычно происходит серия электрохимических реакций, что приводит к серии экзотермических реакций. Защита от короткого замыкания также является своего рода защитой от перегрузки по току. Но ток короткого замыкания будет бесконечным, равно как и тепло и вред, поэтому защита должна быть очень чувствительной и может срабатывать автоматически. Общие меры защиты от короткого замыкания включают контакторы, предохранители, МОС и т. д.
• Защита от перегрева: аккумулятор чувствителен к температуре окружающей среды. Слишком высокая или слишком низкая температура повлияет на его производительность. Поэтому важно поддерживать работу аккумулятора в пределах предельной температуры. BMS должна иметь функцию защиты от перегрева, чтобы остановить батарею, когда температура слишком высокая или слишком низкая. Его даже можно разделить на защиту от температуры заряда, защиту от температуры разряда и т. д.
• Функция балансировки: для ноутбуков и других многосерийных аккумуляторов существует несоответствие между элементами из-за различий в производственном процессе. Например, внутреннее сопротивление некоторых ячеек больше, чем у других. Эта несогласованность будет постепенно усугубляться под влиянием внешней среды. Следовательно, необходимо иметь функцию управления балансом для реализации баланса ячейки. Обычно существует два вида равновесия:

1. Пассивная балансировка: используйте аппаратное обеспечение, такое как компаратор напряжения, а затем используйте сопротивление рассеивания тепла, чтобы высвободить избыточную мощность аккумулятора большой емкости. Но потребление энергии велико, скорость выравнивания низкая, а эффективность низкая.

2. Активная балансировка: используйте конденсаторы для хранения энергии ячеек с более высоким напряжением и передачи ее в ячейку с более низким напряжением. Однако когда разница давлений между соседними ячейками невелика, время выравнивания велико, и порог выравнивания напряжения можно установить более гибко.

Стандартная проверка

Наконец, если вы хотите, чтобы ваши батареи успешно вышли на международный или внутренний рынок, они также должны соответствовать соответствующим стандартам, чтобы обеспечить безопасность литий-ионных батарей. От элементов до батарей и принимающих продуктов должны соответствовать соответствующим стандартам испытаний. В этой статье основное внимание будет уделено внутренним требованиям к защите аккумуляторов для электронных ИТ-продуктов.

ГБ 31241-2022

Настоящий стандарт распространяется на батареи портативных электронных устройств. В основном рассматриваются параметры безопасной работы термина 5.2, требования безопасности для PCM с 10.1 по 10.5, требования безопасности с 11.1 по 11.5 для схемы защиты системы (когда сама батарея не имеет защиты), требования к согласованности 12.1 и 12.2 и Приложение A (для документов). .

u Термин 5.2 требует, чтобы параметры элемента и батареи были согласованы, что можно понимать как рабочие параметры батареи не должны выходить за пределы диапазона ячеек. Однако нужно ли гарантировать, чтобы параметры защиты батареи не превышали диапазон рабочих параметров батареи? Существуют разные мнения, но с точки зрения безопасности конструкции батареи ответ — да. Например, максимальный зарядный ток ячейки (или блока ячеек) составляет 3000 мА, максимальный рабочий ток батареи не должен превышать 3000 мА, а ток защиты батареи также должен гарантировать, что ток в процессе зарядки не должен превышать 3000мА. Только так мы сможем эффективно защититься и избежать опасностей. Для расчета параметров защиты обратитесь к Приложению А. В нем рассматривается расчет параметров используемого элемента – батареи – хоста, который является относительно полным.

u Для аккумуляторов со схемой защиты требуется проверка безопасности схемы защиты 10,1–10,5. В этой главе в основном рассматриваются защита от перенапряжения при зарядке, защита от превышения тока, разрядка при пониженном напряжении, защита от превышения тока и защита от короткого замыкания. Они упомянуты вышеФункциональная безопасностьи основные требования. GB 31241 требует проверки 500 раз.

u Если аккумулятор без схемы защиты защищен зарядным устройством или оконечным устройством, проверка безопасности схемы защиты системы 11.1~11.5 должна проводиться с внешним защитным устройством. В основном исследуется контроль напряжения, тока и температуры заряда и разряда. Стоит отметить, что по сравнению с батареями со схемами защиты, батареи без схем защиты могут рассчитывать только на защиту оборудования при фактическом использовании. Риск выше, поэтому нормальная работа и условия одиночной неисправности будут проверяться отдельно. Это заставляет конечное устройство иметь двойную защиту; в противном случае он не сможет пройти тест в главе 11.

Наконец, если в аккумуляторе имеется несколько последовательных элементов, необходимо учитывать явление несбалансированной зарядки. Требуется тест на соответствие главы 12. Здесь в основном исследуются функции защиты печатной платы по балансу и перепаду давления. Эта функция не требуется для одноэлементных аккумуляторов.

ГБ 4943.1-2022

Этот стандарт предназначен для AV-продуктов. В связи с увеличением использования электронных продуктов с батарейным питанием в новой версии стандарта GB 4943.1-2022 приведены конкретные требования к батареям в Приложении M, в которых оценивается оборудование с батареями и их схемы защиты. На основании оценки схемы защиты аккумуляторов также были добавлены дополнительные требования безопасности для оборудования, содержащего вторичные литиевые батареи.

u Схема защиты вторичной литиевой батареи в основном исследует перезарядку, чрезмерную разрядку, обратную зарядку, защиту безопасности зарядки (температура), защиту от короткого замыкания и т. д. Следует отметить, что все эти тесты требуют наличия одной неисправности в схеме защиты. Это требование не упоминается в стандарте аккумуляторов GB 31241. Поэтому при разработке функции защиты аккумулятора нам необходимо объединить стандартные требования к аккумулятору и хосту. Если батарея имеет только одну защиту и не имеет резервных компонентов или батарея не имеет схемы защиты и схема защиты обеспечивается только хостом, хост должен быть включен в эту часть испытания.

Заключение

В заключение, для проектирования безопасной батареи, помимо выбора самого материала, одинаково важно последующее проектирование конструкции и проектирование функциональной безопасности. Несмотря на то, что разные стандарты предъявляют разные требования к продуктам, если безопасность конструкции аккумуляторов можно полностью учитывать как отвечающую требованиям разных рынков, время выполнения заказа может быть значительно сокращено, а выпуск продукта на рынок может быть ускорен. Помимо объединения законов, правил и стандартов разных стран и регионов, необходимо также разрабатывать продукты, основанные на реальном использовании батарей в терминальных продуктах.