Šiuo metu dauguma ličio jonų akumuliatorių saugos nelaimingų atsitikimų įvyksta dėl apsaugos grandinės gedimo, dėl kurio akumuliatorius nubėga nuo šilumos ir kyla gaisras bei sprogimas. Todėl, norint saugiai naudoti ličio bateriją, apsaugos grandinės konstrukcija yra ypač svarbi, todėl reikia atsižvelgti į visus veiksnius, sukeliančius ličio akumuliatoriaus gedimą. Be gamybos proceso, gedimus iš esmės sukelia išorinių ekstremalių sąlygų pokyčiai, tokie kaip per didelis įkrovimas, per didelis iškrovimas ir aukšta temperatūra. Jei šie parametrai bus stebimi realiu laiku ir jiems pasikeitus bus imtasi atitinkamų apsaugos priemonių, galima išvengti šiluminio pabėgimo. Ličio baterijos saugos projektavimas apima kelis aspektus: elementų pasirinkimą, konstrukcinį projektavimą ir BMS funkcinės saugos projektą.

Ląstelių pasirinkimas

Ląstelių saugumui įtakos turi daug veiksnių, kurių pagrindas yra ląstelės medžiagos pasirinkimas. Dėl skirtingų cheminių savybių skirtingų ličio baterijų katodinių medžiagų saugumas skiriasi. Pavyzdžiui, ličio geležies fosfatas yra olivino formos, kuris yra gana stabilus ir nesunkiai suyra. Tačiau ličio kobaltatas ir trinaris ličio yra sluoksninė struktūra, kurią lengva sugriūti. Separatoriaus pasirinkimas taip pat yra labai svarbus, nes jo veikimas yra tiesiogiai susijęs su ląstelės saugumu. Todėl parenkant elementą reikia atsižvelgti ne tik į aptikimo ataskaitas, bet ir į gamintojo gamybos procesą, medžiagas bei jų parametrus.

Konstrukcijos projektavimas

Akumuliatoriaus konstrukcijos konstrukcijoje daugiausia atsižvelgiama į izoliacijos ir šilumos išsklaidymo reikalavimus.

• Izoliacijos reikalavimai paprastai apima šiuos aspektus: Izoliacija tarp teigiamo ir neigiamo elektrodo; Izoliacija tarp kameros ir gaubto; Izoliacija tarp polių skirtukų ir gaubto; PCB elektros atstumas ir valkšnumo atstumas, vidinė laidų konstrukcija, įžeminimo konstrukcija ir kt.
• Šilumos išsklaidymas daugiausia skirtas kai kuriems dideliems energijos kaupimo arba traukos akumuliatoriams. Dėl didelės šių baterijų energijos įkraunant ir iškraunant susidaro didžiulė šiluma. Jei šilumos nepavyks išsklaidyti laiku, šiluma kaupsis ir įvyks nelaimingi atsitikimai. Todėl reikėtų atsižvelgti į gaubtų medžiagų pasirinkimą ir projektavimą (ji turėtų atitikti tam tikrus mechaninio stiprumo ir atsparumo dulkėms bei vandeniui reikalavimus), aušinimo sistemos ir kitos vidinės šilumos izoliacijos, šilumos išsklaidymo ir gaisro gesinimo sistemos pasirinkimą.

Apie akumuliatoriaus aušinimo sistemos pasirinkimą ir pritaikymą skaitykite ankstesniame leidime.

Funkcinės saugos dizainas

Fizinės ir cheminės savybės lemia, kad medžiaga negali apriboti įkrovimo ir iškrovimo įtampos. Kai įkrovimo ir iškrovimo įtampa viršija vardinį diapazoną, ličio akumuliatorius bus negrįžtamai sugadintas. Todėl, kai veikia ličio baterija, būtina pridėti apsaugos grandinę, kad vidinio elemento įtampa ir srovė būtų normali. Akumuliatorių BMS reikalingos šios funkcijos:

• Apsauga nuo įkrovimo per didelės įtampos: perkrovimas yra viena iš pagrindinių terminio pabėgimo priežasčių. Po perkrovimo katodo medžiaga subyrės dėl per didelio ličio jonų išsiskyrimo, o neigiamame elektrode taip pat atsiras ličio nuosėdų, dėl kurių sumažės terminis stabilumas ir padidės šalutinės reakcijos, dėl kurių gali kilti terminio pabėgimo rizika. Todėl ypač svarbu laiku atjungti srovę, kai įkrovimas pasiekia viršutinę ribinę elemento įtampą. Tam reikia, kad BMS veiktų apsaugos nuo įkrovimo per įtampą funkcija, kad elemento įtampa visada būtų darbo ribose. Būtų geriau, kad apsaugos įtampa nebūtų diapazono vertė ir labai svyruotų, nes dėl to akumuliatorius gali nesugebėti nutraukti srovės, kai jis visiškai įkrautas, o tai gali sukelti perkrovą. BMS apsaugos įtampa paprastai projektuojama taip, kad ji būtų tokia pati arba šiek tiek mažesnė už viršutinę elemento įtampą.
• Apsauga nuo įkrovimo per srovę: įkraunant akumuliatorių, kurio srovė viršija įkrovimo arba iškrovimo ribą, gali kauptis šiluma. Kai šilumos susikaupia pakankamai, kad ištirptų diafragma, tai gali sukelti vidinį trumpąjį jungimą. Todėl taip pat svarbu laiku įkrauti apsaugą nuo srovės. Turėtume atkreipti dėmesį, kad apsauga nuo viršįtampio negali būti didesnė nei elemento srovės tolerancija projekte.
• Iškrova esant apsaugai nuo įtampos: per didelė arba per maža įtampa pablogins akumuliatoriaus veikimą. Nuolatinis iškrovimas esant įtampai sukels vario nuosėdas, o neigiamas elektrodas subyrės, todėl paprastai akumuliatorius išsikraus esant įtampos apsaugos funkcijai.
• Apsauga nuo iškrovimo per srovę: didžioji dalis PCB įkrauna ir iškrauna per tą pačią sąsają, šiuo atveju įkrovimo ir iškrovimo apsaugos srovė yra nuosekli. Tačiau kai kuriems akumuliatoriams, ypač elektriniams įrankiams, greitojo įkrovimo ir kitų tipų akumuliatoriams, reikia naudoti didelę srovę, iškrovimą arba įkrovimą, srovė šiuo metu yra nenuosekli, todėl geriausia įkrauti ir iškrauti valdant dvi kilpas.
• Apsauga nuo trumpojo jungimo: Akumuliatoriaus trumpasis jungimas taip pat yra vienas iš dažniausiai pasitaikančių gedimų. Kai kuriuos susidūrimus, netinkamą naudojimą, suspaudimą, adatą, vandens patekimą ir kt. lengva sukelti trumpąjį jungimą. Trumpasis jungimas iš karto sukels didelę iškrovos srovę, dėl to smarkiai pakils akumuliatoriaus temperatūra. Tuo pačiu metu ląstelėje po išorinio trumpojo jungimo paprastai vyksta elektrocheminių reakcijų serija, kuri sukelia egzoterminių reakcijų seriją. Apsauga nuo trumpojo jungimo taip pat yra tam tikra apsauga nuo per didelės srovės. Tačiau trumpojo jungimo srovė bus begalinė, o karštis ir žala taip pat begaliniai, todėl apsauga turi būti labai jautri ir gali būti automatiškai suveikiama. Įprastos trumpojo jungimo apsaugos priemonės yra kontaktoriai, saugiklis, mos ir kt.
• Apsauga nuo perkaitimo: akumuliatorius jautrus aplinkos temperatūrai. Per aukšta arba per žema temperatūra turės įtakos jo veikimui. Todėl svarbu, kad akumuliatorius veiktų ribinėje temperatūroje. BMS turi turėti temperatūros apsaugos funkciją, kuri sustabdytų akumuliatorių, kai temperatūra yra per aukšta arba per žema. Jis netgi gali būti suskirstytas į įkrovimo temperatūros apsaugą ir iškrovimo temperatūros apsaugą ir kt.
• Balansavimo funkcija: Nešiojamųjų kompiuterių ir kitų kelių serijų baterijose yra nenuoseklumo tarp elementų dėl gamybos proceso skirtumų. Pavyzdžiui, kai kurių ląstelių vidinis pasipriešinimas yra didesnis nei kitų. Šis nenuoseklumas palaipsniui didės veikiant išorinei aplinkai. Todėl, norint įgyvendinti ląstelės balansą, būtina turėti balanso valdymo funkciją. Paprastai yra dviejų rūšių pusiausvyra:

1. Pasyvus balansavimas: naudokite aparatinę įrangą, pvz., įtampos lyginamąjį įrenginį, tada naudokite atsparumo šilumos išsklaidymą, kad išlaisvintumėte didelės talpos akumuliatoriaus galią. Tačiau energijos suvartojimas yra didelis, išlyginimo greitis yra lėtas, o efektyvumas mažas.

2. Aktyvus balansavimas: naudokite kondensatorius, kad kauptumėte aukštesnės įtampos elementų galią ir išleidžiate ją į žemesnės įtampos elementą. Tačiau kai slėgio skirtumas tarp gretimų elementų yra mažas, išlyginimo laikas yra ilgas, o išlyginimo įtampos slenkstį galima nustatyti lanksčiau.

Standartinis patvirtinimas

Galiausiai, jei norite, kad jūsų akumuliatoriai sėkmingai patektų į tarptautinę ar vidaus rinką, jie taip pat turi atitikti susijusius standartus, kad būtų užtikrintas ličio jonų akumuliatoriaus saugumas. Nuo elementų iki baterijų ir pagrindinių produktų turi atitikti atitinkamus bandymo standartus. Šiame straipsnyje daugiausia dėmesio bus skiriama buitiniams elektroninių IT produktų baterijų apsaugos reikalavimams.

GB 31241-2022

Šis standartas skirtas nešiojamųjų elektroninių prietaisų baterijoms. Jame daugiausia atsižvelgiama į 5.2 termino saugaus darbo parametrus, 10.1–10.5 saugos reikalavimus PCM, 11.1–11.5 saugos reikalavimus sistemos apsaugos grandinei (kai pats akumuliatorius yra be apsaugos), 12.1 ir 12.2 nuoseklumo reikalavimus ir A priedą (dokumentams). .

u Terminas 5.2 reikalauja elemento ir akumuliatoriaus parametrų turi būti suderinti, o tai galima suprasti taip, kad akumuliatoriaus darbiniai parametrai neturi viršyti elementų diapazono. Tačiau ar akumuliatoriaus apsaugos parametrai turi būti užtikrinti, kad akumuliatoriaus veikimo parametrai neviršytų elementų diapazono? Yra įvairių supratimų, tačiau akumuliatoriaus konstrukcijos saugumo požiūriu atsakymas yra teigiamas. Pavyzdžiui, maksimali elemento (arba elementų bloko) įkrovimo srovė yra 3000 mA, maksimali akumuliatoriaus darbinė srovė neturi viršyti 3000 mA, o akumuliatoriaus apsauginė srovė taip pat turėtų užtikrinti, kad srovė įkrovimo procese neviršytų 3000 mA. Tik tokiu būdu galime veiksmingai apsisaugoti ir išvengti pavojų. Apsaugos parametrų projektavimą žr. A priede. Jame aptariamas naudojamo elemento – akumuliatoriaus – pagrindinio kompiuterio parametrų dizainas, kuris yra gana išsamus.

u Akumuliatoriams su apsaugine grandine reikia atlikti 10,1–10,5 akumuliatoriaus apsaugos grandinės saugos bandymą. Šiame skyriuje daugiausia nagrinėjama apsauga nuo įkrovimo virš įtampos, apsauga nuo įkrovimo per srovę, iškrovimas esant apsaugai nuo įtampos, apsauga nuo iškrovimo virš srovės ir apsauga nuo trumpojo jungimo. Jie paminėti aukščiauFunkcinis saugos dizainasir pagrindiniai reikalavimai. GB 31241 reikia patikrinti 500 kartų.

u Jei akumuliatorius be apsaugos grandinės yra apsaugotas jo įkrovikliu arba galutiniu įtaisu, 11,1–11,5 sistemos apsaugos grandinės saugos bandymas turi būti atliktas naudojant išorinį apsaugos įtaisą. Daugiausia tiriama įkrovimo ir iškrovimo įtampos, srovės ir temperatūros valdymas. Verta paminėti, kad, palyginti su baterijomis su apsaugos grandinėmis, akumuliatoriai be apsaugos grandinių gali pasikliauti tik faktiškai naudojamos įrangos apsauga. Rizika yra didesnė, todėl normalaus veikimo ir pavienių gedimų sąlygos bus tikrinamos atskirai. Tai verčia galinį įtaisą turėti dvigubą apsaugą; kitu atveju jis negali išlaikyti 11 skyriuje nurodyto testo.

u Galiausiai, jei baterijoje yra kelios serijos elementai, reikia atsižvelgti į nesubalansuoto įkrovimo reiškinį. Būtinas 12 skyriuje nurodytas atitikties testas. Čia daugiausia tiriamos PCB pusiausvyros ir diferencinio slėgio apsaugos funkcijos. Ši funkcija nereikalinga vieno elemento baterijoms.

GB 4943.1-2022

Šis standartas skirtas AV gaminiams. Vis dažniau naudojant baterijomis maitinamus elektroninius gaminius, naujojoje GB 4943.1-2022 versijoje M priede pateikiami specifiniai reikalavimai baterijoms, įvertinant įrangą su baterijomis ir jų apsaugos grandines. Remiantis akumuliatoriaus apsaugos grandinės įvertinimu, taip pat buvo įtraukti papildomi saugos reikalavimai įrangai, kurioje yra antrinės ličio baterijos.

u Antrinė ličio baterijos apsaugos grandinė daugiausia tiria perkrovimą, perkrovą, atvirkštinį įkrovimą, įkrovimo saugos apsaugą (temperatūrą), apsaugą nuo trumpojo jungimo ir tt Reikėtų pažymėti, kad atliekant visus šiuos bandymus reikia nustatyti vieną apsaugos grandinės gedimą. Šis reikalavimas nepaminėtas akumuliatoriaus standarte GB 31241. Taigi projektuojant baterijos apsaugos funkciją, reikia derinti standartinius akumuliatoriaus ir pagrindinio kompiuterio reikalavimus. Jei akumuliatoriuje yra tik viena apsauga ir nėra perteklinių komponentų arba akumuliatoriuje nėra apsaugos grandinės, o apsaugos grandinę užtikrina tik pagrindinis kompiuteris, į šią bandymo dalį turėtų būti įtrauktas pagrindinis kompiuteris.

Išvada

Apibendrinant, norint sukurti saugų akumuliatorių, ne tik pačios medžiagos pasirinkimas, bet ir vėlesnis konstrukcijos projektas bei funkcinės saugos projektas yra vienodai svarbūs. Nors skirtingi standartai kelia skirtingus reikalavimus gaminiams, jei galima manyti, kad akumuliatoriaus konstrukcijos saugumas visiškai atitinka skirtingų rinkų reikalavimus, pristatymo laikas gali sutrumpėti ir produktas gali būti paspartintas pateikimas į rinką. Be skirtingų šalių ir regionų įstatymų, reglamentų ir standartų derinimo, gaminius taip pat būtina kurti atsižvelgiant į faktinį baterijų naudojimą galiniuose gaminiuose.