Προς το παρόν, τα περισσότερα από τα ατυχήματα ασφαλείας των μπαταριών ιόντων λιθίου συμβαίνουν λόγω της βλάβης του κυκλώματος προστασίας, το οποίο προκαλεί τη θερμική διαφυγή της μπαταρίας και οδηγεί σε πυρκαγιά και έκρηξη. Επομένως, για να πραγματοποιηθεί η ασφαλής χρήση της μπαταρίας λιθίου, ο σχεδιασμός του κυκλώματος προστασίας είναι ιδιαίτερα σημαντικός και θα πρέπει να ληφθούν υπόψη όλα τα είδη παραγόντων που προκαλούν την αστοχία της μπαταρίας λιθίου. Εκτός από τη διαδικασία παραγωγής, οι αστοχίες προκαλούνται βασικά από αλλαγές στις εξωτερικές ακραίες συνθήκες, όπως υπερφόρτιση, υπερβολική εκφόρτιση και υψηλή θερμοκρασία. Εάν αυτές οι παράμετροι παρακολουθούνται σε πραγματικό χρόνο και ληφθούν αντίστοιχα προστατευτικά μέτρα όταν αλλάξουν, μπορεί να αποφευχθεί η εμφάνιση θερμικής διαφυγής. Ο σχεδιασμός ασφαλείας της μπαταρίας λιθίου περιλαμβάνει διάφορες πτυχές: επιλογή κυψελών, δομικό σχεδιασμό και λειτουργικό σχεδιασμό ασφάλειας του BMS.

Επιλογή κυττάρων

Υπάρχουν πολλοί παράγοντες που επηρεάζουν την ασφάλεια των κυττάρων στους οποίους η επιλογή του υλικού της κυψέλης είναι η βάση. Λόγω των διαφορετικών χημικών ιδιοτήτων, η ασφάλεια ποικίλλει σε διαφορετικά υλικά καθόδου μπαταρίας λιθίου. Για παράδειγμα, ο φωσφορικός σίδηρος λιθίου έχει σχήμα ολιβίνης, ο οποίος είναι σχετικά σταθερός και δεν είναι εύκολο να καταρρεύσει. Το κοβαλτικό λίθιο και το τριμερές λίθιο, ωστόσο, είναι πολυεπίπεδη δομή που είναι εύκολο να καταρρεύσει. Η επιλογή του διαχωριστή είναι επίσης πολύ σημαντική, καθώς η απόδοσή του σχετίζεται άμεσα με την ασφάλεια της κυψέλης. Επομένως, κατά την επιλογή της κυψέλης, θα λαμβάνονται υπόψη όχι μόνο οι αναφορές ανίχνευσης αλλά και η διαδικασία παραγωγής, τα υλικά και οι παράμετροί τους από τον κατασκευαστή.

Σχεδιασμός δομής

Ο σχεδιασμός της δομής της μπαταρίας λαμβάνει υπόψη κυρίως τις απαιτήσεις μόνωσης και απαγωγής θερμότητας.

• Οι απαιτήσεις μόνωσης περιλαμβάνουν γενικά τις ακόλουθες πτυχές: Μόνωση μεταξύ θετικού και αρνητικού ηλεκτροδίου. Μόνωση μεταξύ κυψέλης και περιβλήματος. Μόνωση μεταξύ των γλωττίδων του στύλου και του περιβλήματος. Ηλεκτρική απόσταση και απόσταση ερπυσμού PCB, σχεδιασμός εσωτερικής καλωδίωσης, σχεδιασμός γείωσης κ.λπ.
• Η απαγωγή θερμότητας είναι κυρίως για ορισμένες μεγάλες μπαταρίες αποθήκευσης ενέργειας ή έλξης. Λόγω της υψηλής ενέργειας αυτών των μπαταριών, η θερμότητα που παράγεται κατά τη φόρτιση και την εκφόρτιση είναι τεράστια. Εάν η θερμότητα δεν μπορεί να διαλυθεί εγκαίρως, η θερμότητα θα συσσωρευτεί και θα οδηγήσει σε ατυχήματα. Ως εκ τούτου, η επιλογή και ο σχεδιασμός των υλικών του περιβλήματος (θα πρέπει να έχει ορισμένες μηχανικές αντοχές και απαιτήσεις στεγανότητας στη σκόνη και αδιάβροχο), η επιλογή του συστήματος ψύξης και άλλης εσωτερικής θερμομόνωσης, της απαγωγής θερμότητας και του συστήματος πυρόσβεσης θα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη.

Για την επιλογή και την εφαρμογή του συστήματος ψύξης μπαταρίας, ανατρέξτε στην προηγούμενη έκδοση.

Σχεδιασμός λειτουργικής ασφάλειας

Οι φυσικές και χημικές ιδιότητες καθορίζουν ότι το υλικό δεν μπορεί να περιορίσει την τάση φόρτισης και εκφόρτισης. Όταν η τάση φόρτισης και εκφόρτισης υπερβεί το ονομαστικό εύρος, θα προκληθεί μη αναστρέψιμη ζημιά στην μπαταρία λιθίου. Επομένως, είναι απαραίτητο να προσθέσετε το κύκλωμα προστασίας για να διατηρήσετε την τάση και το ρεύμα του εσωτερικού στοιχείου σε κανονική κατάσταση όταν λειτουργεί η μπαταρία λιθίου. Για BMS μπαταριών, απαιτούνται οι ακόλουθες λειτουργίες:

• Προστασία από φόρτιση υπέρτασης: η υπερφόρτιση είναι ένας από τους κύριους λόγους θερμικής διαρροής. Μετά την υπερφόρτιση, το υλικό της καθόδου θα καταρρεύσει λόγω υπερβολικής απελευθέρωσης ιόντων λιθίου και το αρνητικό ηλεκτρόδιο θα έχει επίσης την καθίζηση λιθίου, η οποία οδηγεί στη μείωση της θερμικής σταθερότητας και στην αύξηση των πλευρικών αντιδράσεων, οι οποίες έχουν πιθανό κίνδυνο θερμικής διαφυγής. Επομένως, είναι ιδιαίτερα σημαντικό να διακόψετε το ρεύμα εγκαίρως αφού η φόρτιση φτάσει στο ανώτερο όριο τάσης του στοιχείου. Αυτό απαιτεί το BMS να έχει τη λειτουργία φόρτισης έναντι της προστασίας από τάση, έτσι ώστε η τάση του στοιχείου να διατηρείται πάντα εντός ορίου λειτουργίας. Θα ήταν καλύτερα η τάση προστασίας να μην είναι μια τιμή εύρους και να ποικίλλει πολύ, καθώς μπορεί η μπαταρία να μην διακόψει το ρεύμα εγκαίρως όταν είναι πλήρως φορτισμένη, με αποτέλεσμα υπερφόρτιση. Η τάση προστασίας του BMS συνήθως σχεδιάζεται να είναι ίδια ή ελαφρώς χαμηλότερη από την ανώτερη τάση του στοιχείου.
• Φόρτιση προστασίας από ρεύμα: Η φόρτιση μιας μπαταρίας με ρεύμα μεγαλύτερο από το όριο φόρτισης ή εκφόρτισης μπορεί να προκαλέσει συσσώρευση θερμότητας. Όταν η θερμότητα συσσωρεύεται αρκετή για να λιώσει το διάφραγμα, μπορεί να προκαλέσει εσωτερικό βραχυκύκλωμα. Επομένως, η έγκαιρη φόρτιση πάνω από την προστασία ρεύματος είναι επίσης απαραίτητη. Θα πρέπει να προσέξουμε ότι η προστασία υπερέντασης δεν μπορεί να είναι υψηλότερη από την ανοχή ρεύματος κυψέλης στο σχέδιο.
• Εκφόρτιση υπό προστασία τάσης: Πολύ μεγάλη ή πολύ μικρή τάση θα βλάψει την απόδοση της μπαταρίας. Η συνεχής εκφόρτιση υπό τάση θα προκαλέσει την καθίζηση του χαλκού και την κατάρρευση του αρνητικού ηλεκτροδίου, επομένως γενικά η μπαταρία θα έχει εκφόρτιση υπό τη λειτουργία προστασίας τάσης.
• Προστασία εκφόρτισης μέσω ρεύματος: Το μεγαλύτερο μέρος της φόρτισης και εκφόρτισης PCB μέσω της ίδιας διεπαφής, σε αυτήν την περίπτωση το ρεύμα προστασίας φόρτισης και εκφόρτισης είναι σταθερό. Αλλά ορισμένες μπαταρίες, ειδικά μπαταρίες για ηλεκτρικά εργαλεία, γρήγορη φόρτιση και άλλοι τύποι μπαταριών πρέπει να χρησιμοποιούν μεγάλη εκφόρτιση ρεύματος ή φόρτιση, το ρεύμα είναι ασυνεπές αυτήν τη στιγμή, επομένως είναι καλύτερο να φορτίζετε και να αποφορτίζετε σε έλεγχο δύο βρόχων.
• Προστασία από βραχυκύκλωμα: Το βραχυκύκλωμα της μπαταρίας είναι επίσης ένα από τα πιο συνηθισμένα σφάλματα. Κάποια σύγκρουση, κακή χρήση, συμπίεση, βελόνα, εισροή νερού κ.λπ., είναι εύκολο να προκληθεί βραχυκύκλωμα. Ένα βραχυκύκλωμα θα δημιουργήσει αμέσως ένα μεγάλο ρεύμα εκφόρτισης, με αποτέλεσμα μια απότομη αύξηση της θερμοκρασίας της μπαταρίας. Ταυτόχρονα, συνήθως λαμβάνουν χώρα μια σειρά ηλεκτροχημικών αντιδράσεων στην κυψέλη μετά από εξωτερικό βραχυκύκλωμα, που οδηγεί σε μια σειρά από εξώθερμες αντιδράσεις. Η προστασία από βραχυκύκλωμα είναι επίσης ένα είδος προστασίας έναντι του ρεύματος. Αλλά το ρεύμα βραχυκυκλώματος θα είναι άπειρο και η θερμότητα και η βλάβη είναι επίσης άπειρα, επομένως η προστασία πρέπει να είναι πολύ ευαίσθητη και μπορεί να ενεργοποιηθεί αυτόματα. Τα κοινά μέτρα προστασίας από βραχυκύκλωμα περιλαμβάνουν επαφές, ασφάλειες, μη κ.λπ.
• Προστασία έναντι της θερμοκρασίας: Η μπαταρία είναι ευαίσθητη στη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Η πολύ υψηλή ή πολύ χαμηλή θερμοκρασία θα επηρεάσει την απόδοσή του. Επομένως, είναι σημαντικό να διατηρείτε τη μπαταρία σε λειτουργία εντός της οριακής θερμοκρασίας. Το BMS θα πρέπει να διαθέτει λειτουργία προστασίας θερμοκρασίας για να σταματά την μπαταρία όταν η θερμοκρασία είναι πολύ υψηλή ή πολύ χαμηλή. Μπορεί ακόμη και να υποδιαιρεθεί σε προστασία θερμοκρασίας φόρτισης και προστασία θερμοκρασίας εκφόρτισης κ.λπ.
• Λειτουργία εξισορρόπησης: Για φορητούς υπολογιστές και άλλες μπαταρίες πολλαπλών σειρών, υπάρχει ασυνέπεια μεταξύ των κυψελών λόγω των διαφορών στη διαδικασία παραγωγής. Για παράδειγμα, η εσωτερική αντίσταση ορισμένων κυττάρων είναι μεγαλύτερη από άλλες. Αυτή η ασυνέπεια σταδιακά θα επιδεινωθεί υπό την επίδραση του εξωτερικού περιβάλλοντος. Επομένως, είναι απαραίτητο να υπάρχει μια λειτουργία διαχείρισης ισορροπίας για την υλοποίηση της ισορροπίας του κελιού. Υπάρχουν γενικά δύο είδη ισορροπίας:

1. Παθητική εξισορρόπηση: Χρησιμοποιήστε υλικό, όπως συγκριτή τάσης, και στη συνέχεια χρησιμοποιήστε αντίσταση απαγωγής θερμότητας για να απελευθερώσετε την υπερβολική ισχύ της μπαταρίας υψηλής χωρητικότητας. Αλλά η κατανάλωση ενέργειας είναι μεγάλη, η ταχύτητα εξισορρόπησης είναι αργή και η απόδοση είναι χαμηλή.

2. Ενεργή εξισορρόπηση: χρησιμοποιήστε πυκνωτές για να αποθηκεύσετε την ισχύ των κυψελών με υψηλότερη τάση και να την απελευθερώσετε στην κυψέλη με χαμηλότερη τάση. Ωστόσο, όταν η διαφορά πίεσης μεταξύ γειτονικών κυψελών είναι μικρή, ο χρόνος εξισορρόπησης είναι μεγάλος και το όριο της τάσης εξισορρόπησης μπορεί να ρυθμιστεί πιο ευέλικτα.

Τυπική επικύρωση

Επιτέλους, εάν θέλετε οι μπαταρίες σας να εισέλθουν με επιτυχία στη διεθνή ή εγχώρια αγορά, πρέπει επίσης να πληρούν τα σχετικά πρότυπα για να διασφαλίσουν την ασφάλεια της μπαταρίας ιόντων λιθίου. Από τα κύτταρα έως τις μπαταρίες και τα προϊόντα ξενιστή θα πρέπει να πληρούν τα αντίστοιχα πρότυπα δοκιμών. Αυτό το άρθρο θα επικεντρωθεί στις απαιτήσεις προστασίας οικιακής μπαταρίας για ηλεκτρονικά προϊόντα πληροφορικής.

GB 31241-2022

Αυτό το πρότυπο είναι για μπαταρίες φορητών ηλεκτρονικών συσκευών. Λαμβάνει κυρίως υπόψη τις παραμέτρους ασφαλούς λειτουργίας του όρου 5.2, τις απαιτήσεις ασφάλειας 10.1 έως 10.5 για PCM, τις απαιτήσεις ασφαλείας 11.1 έως 11.5 στο κύκλωμα προστασίας συστήματος (όταν η ίδια η μπαταρία είναι χωρίς προστασία), τις απαιτήσεις 12.1 και 12.2 για συνέπεια και το Παράρτημα Α (για έγγραφα) .

u Ο όρος 5.2 που απαιτεί οι παράμετροι κυψέλης και μπαταρίας θα πρέπει να αντιστοιχίζονται, κάτι που μπορεί να γίνει κατανοητό ότι οι παράμετροι λειτουργίας της μπαταρίας δεν πρέπει να υπερβαίνουν το εύρος των κυψελών. Ωστόσο, οι παράμετροι προστασίας της μπαταρίας πρέπει να διασφαλίζονται ότι οι παράμετροι λειτουργίας της μπαταρίας δεν υπερβαίνουν το εύρος των κελιών; Υπάρχουν διαφορετικές αντιλήψεις, αλλά από την άποψη της ασφάλειας του σχεδιασμού της μπαταρίας, η απάντηση είναι ναι. Για παράδειγμα, το μέγιστο ρεύμα φόρτισης μιας κυψέλης (ή μπλοκ κυψέλης) είναι 3000 mA, το μέγιστο ρεύμα λειτουργίας της μπαταρίας δεν πρέπει να υπερβαίνει τα 3000 mA και το ρεύμα προστασίας της μπαταρίας θα πρέπει επίσης να διασφαλίζει ότι το ρεύμα στη διαδικασία φόρτισης δεν πρέπει να υπερβαίνει 3000 mA. Μόνο με αυτόν τον τρόπο μπορούμε να προστατεύσουμε αποτελεσματικά και να αποφύγουμε τους κινδύνους. Για το σχεδιασμό των παραμέτρων προστασίας, ανατρέξτε στο Παράρτημα Α. Λαμβάνει υπόψη τη σχεδίαση παραμέτρων κυψέλης – μπαταρίας – κεντρικού υπολογιστή σε χρήση, η οποία είναι σχετικά ολοκληρωμένη.

u Για μπαταρίες με κύκλωμα προστασίας, απαιτείται δοκιμή ασφάλειας κυκλώματος προστασίας μπαταρίας 10,1~10,5. Αυτό το κεφάλαιο διερευνά κυρίως προστασία φόρτισης έναντι τάσης, προστασία φόρτισης έναντι ρεύματος, εκφόρτιση υπό προστασία τάσης, προστασία εκφόρτισης έναντι ρεύματος και προστασία από βραχυκύκλωμα. Αυτά αναφέρονται στα παραπάνωΣχεδιασμός Λειτουργικής Ασφάλειαςκαι τις βασικές απαιτήσεις. Το GB 31241 απαιτεί έλεγχο για 500 φορές.

u Εάν η μπαταρία χωρίς κύκλωμα προστασίας προστατεύεται από το φορτιστή ή τη συσκευή τερματισμού της, η δοκιμή ασφαλείας του κυκλώματος προστασίας συστήματος 11,1~11,5 θα διενεργηθεί με την εξωτερική διάταξη προστασίας. Διερευνάται κυρίως ο έλεγχος τάσης, ρεύματος και θερμοκρασίας φόρτισης και εκφόρτισης. Αξίζει να σημειωθεί ότι, σε σύγκριση με τις μπαταρίες με κυκλώματα προστασίας, οι μπαταρίες χωρίς κυκλώματα προστασίας μπορούν να βασίζονται μόνο στην προστασία του εξοπλισμού σε πραγματική χρήση. Ο κίνδυνος είναι υψηλότερος, επομένως η κανονική λειτουργία και οι συνθήκες μεμονωμένης βλάβης θα δοκιμαστούν ξεχωριστά. Αυτό αναγκάζει την τελική συσκευή να έχει διπλή προστασία. διαφορετικά δεν μπορεί να περάσει το τεστ στο Κεφάλαιο 11.

u Τέλος, εάν υπάρχουν πολλές σειρές κυψελών σε μια μπαταρία, πρέπει να λάβετε υπόψη το φαινόμενο της μη ισορροπημένης φόρτισης. Απαιτείται έλεγχος συμμόρφωσης του κεφαλαίου 12. Οι λειτουργίες προστασίας ισορροπίας και διαφορικής πίεσης του PCB διερευνώνται κυρίως εδώ. Αυτή η λειτουργία δεν απαιτείται για μπαταρίες ενός κυττάρου.

GB 4943.1-2022

Αυτό το πρότυπο είναι για προϊόντα AV. Με την αυξανόμενη χρήση ηλεκτρονικών προϊόντων που λειτουργούν με μπαταρίες, η νέα έκδοση του GB 4943.1-2022 παρέχει συγκεκριμένες απαιτήσεις για τις μπαταρίες στο Παράρτημα M, αξιολογώντας τον εξοπλισμό με μπαταρίες και τα κυκλώματα προστασίας τους. Με βάση την αξιολόγηση του κυκλώματος προστασίας της μπαταρίας, προστέθηκαν επίσης πρόσθετες απαιτήσεις ασφάλειας για εξοπλισμό που περιέχει δευτερεύουσες μπαταρίες λιθίου.

u Το δευτερεύον κύκλωμα προστασίας μπαταρίας λιθίου ερευνά κυρίως υπερφόρτιση, υπερ-εκφόρτιση, αντίστροφη φόρτιση, προστασία ασφαλείας φόρτισης (θερμοκρασία), προστασία βραχυκυκλώματος κ.λπ. Πρέπει να σημειωθεί ότι όλες αυτές οι δοκιμές απαιτούν ένα μόνο σφάλμα στο κύκλωμα προστασίας. Αυτή η απαίτηση δεν αναφέρεται στο πρότυπο μπαταρίας GB 31241. Επομένως, στο σχεδιασμό της λειτουργίας προστασίας μπαταρίας, πρέπει να συνδυάσουμε τις τυπικές απαιτήσεις μπαταρίας και κεντρικού υπολογιστή. Εάν η μπαταρία έχει μόνο μία προστασία και δεν υπάρχουν περιττά εξαρτήματα ή η μπαταρία δεν έχει κύκλωμα προστασίας και το κύκλωμα προστασίας παρέχεται μόνο από τον κεντρικό υπολογιστή, ο κεντρικός υπολογιστής θα πρέπει να συμπεριληφθεί σε αυτό το μέρος της δοκιμής.

Σύναψη

Συμπερασματικά, για τον σχεδιασμό μιας ασφαλούς μπαταρίας, εκτός από την επιλογή του ίδιου του υλικού, είναι εξίσου σημαντικός ο μετέπειτα δομικός σχεδιασμός και ο σχεδιασμός λειτουργικής ασφάλειας. Αν και τα διαφορετικά πρότυπα έχουν διαφορετικές απαιτήσεις για προϊόντα, εάν η ασφάλεια του σχεδιασμού της μπαταρίας μπορεί να θεωρηθεί πλήρως ότι ανταποκρίνεται στις απαιτήσεις διαφορετικών αγορών, ο χρόνος παράδοσης μπορεί να μειωθεί σημαντικά και το προϊόν μπορεί να επιταχυνθεί στην αγορά. Εκτός από το συνδυασμό των νόμων, των κανονισμών και των προτύπων διαφορετικών χωρών και περιοχών, είναι επίσης απαραίτητος ο σχεδιασμός προϊόντων με βάση την πραγματική χρήση των μπαταριών στα τερματικά προϊόντα.