Во моментов, повеќето безбедносни несреќи на литиум-јонските батерии се случуваат поради дефект на заштитното коло, што предизвикува термички бегство на батеријата и резултира со пожар и експлозија. Затоа, за да се реализира безбедното користење на литиумската батерија, дизајнот на заштитното коло е особено важен и треба да се земат предвид сите видови фактори кои предизвикуваат дефект на литиумската батерија. Покрај процесот на производство, дефектите во основа се предизвикани од промени во надворешните екстремни услови, како што се преполнување, претерано празнење и висока температура. Доколку овие параметри се следат во реално време и ќе се преземат соодветни заштитни мерки кога ќе се променат, може да се избегне појава на термичко бегство. Безбедносниот дизајн на литиумската батерија вклучува неколку аспекти: избор на ќелии, структурен дизајн и функционален безбедносен дизајн на BMS.

Избор на клетки

Постојат многу фактори кои влијаат на безбедноста на ќелијата во кои основата е изборот на клеточниот материјал. Поради различни хемиски својства, безбедноста варира кај различни катодни материјали на литиумска батерија. На пример, литиум железо фосфат има облик на оливин, кој е релативно стабилен и не е лесно да се сруши. Сепак, литиум кобалтатот и литиум тројниот се слоевити структури што лесно се рушат. Изборот на сепаратор е исто така многу важен, бидејќи неговите перформанси се директно поврзани со безбедноста на ќелијата. Затоа, при изборот на ќелија, не само извештаите за откривање, туку и производствениот процес на производителот, материјалите и нивните параметри ќе се земат предвид.

Дизајн на структура

Дизајнот на структурата на батеријата главно ги зема предвид барањата за изолација и дисипација на топлина.

• Барањата за изолација генерално ги вклучуваат следните аспекти: Изолација помеѓу позитивна и негативна електрода; Изолација помеѓу ќелијата и куќиштето; Изолација помеѓу јазичињата на столбовите и куќиштето; ПХБ електрично растојание и растојание на лазење, дизајн на внатрешни жици, дизајн на заземјување итн.
• Дисипацијата на топлина е главно за некои големи батерии за складирање или влечење енергија. Поради високата енергија на овие батерии, топлината што се создава при полнење и празнење е огромна. Ако топлината не може да се потроши навреме, топлината ќе се акумулира и ќе резултира со несреќи. Затоа, треба да се земе предвид изборот и дизајнот на материјалите за куќиште (Треба да има одредени механички цврсти и барања отпорни на прашина и водоотпорност), изборот на систем за ладење и друга внатрешна топлинска изолација, дисипација на топлина и систем за гаснење пожар.

За избор и примена на системот за ладење на батеријата, ве молиме погледнете го претходното издание.

Функционален безбедносен дизајн

Физичките и хемиските својства одредуваат дека материјалот не може да го ограничи напонот за полнење и празнење. Штом напонот за полнење и празнење ќе го надмине номиналниот опсег, тоа ќе предизвика неповратно оштетување на литиумската батерија. Затоа, неопходно е да се додаде заштитното коло за одржување на напонот и струјата на внатрешната ќелија во нормална состојба кога работи литиумската батерија. За BMS на батерии, потребни се следните функции:

• Заштита од полнење преку напон: преполнувањето е една од главните причини за термичко бегство. По преполнување, катодниот материјал ќе се сруши поради прекумерно ослободување на литиум јони, а на негативната електрода ќе дојде и до врнежи на литиум, што доведува до намалување на термичката стабилност и зголемување на страничните реакции, кои имаат потенцијален ризик од термичко бегство. Затоа, особено е важно да се прекине струјата навреме откако полнењето ќе го достигне горниот граничен напон на ќелијата. Ова бара BMS да има функција на полнење преку напонска заштита, така што напонот на ќелијата секогаш се одржува во рамките на работната граница. Би било подобро заштитниот напон да не е вредност на опсегот и да варира во голема мера, бидејќи може да предизвика батеријата да не ја прекине струјата навреме кога е целосно наполнета, што ќе резултира со преполнување. Заштитниот напон на BMS обично е дизајниран да биде ист или малку понизок од горниот напон на ќелијата.
• Заштита од полнење преку струја: Полнењето на батеријата со струја поголема од границата за полнење или празнење може да предизвика акумулација на топлина. Кога топлината се акумулира доволно за да се стопи дијафрагмата, може да предизвика внатрешен краток спој. Затоа, навременото полнење преку тековната заштита е исто така од суштинско значење. Треба да обрнеме внимание дека заштитата од над струја не може да биде повисока од толеранцијата на струјата на ќелијата во дизајнот.
• Испуштање под напонска заштита: Преголем или премал напон ќе ги оштети перформансите на батеријата. Континуираното празнење под напон ќе предизвика таложење на бакарот и колапс на негативната електрода, така што генерално батеријата ќе има празнење под функцијата за заштита на напон.
• Заштита од празнење преку струја: Поголемиот дел од ПХБ се полни и празне преку истиот интерфејс, во овој случај струјата за заштита од полнење и празнење е конзистентна. Но, некои батерии, особено батериите за електрични алати, брзо полнење и други видови батерии треба да користат големо празнење или полнење струја, струјата во овој момент е неконзистентна, па затоа е најдобро да се полни и празне во контрола на две јамки.
• Заштита од краток спој: Краткиот спој на батеријата е исто така еден од најчестите дефекти. Некои судири, злоупотреба, стискање, игли, навлегување вода итн., лесно се предизвикуваат краток спој. Краткиот спој веднаш ќе генерира голема струја на празнење, што ќе резултира со нагло зголемување на температурата на батеријата. Во исто време, низа електрохемиски реакции обично се случуваат во ќелијата по надворешен краток спој, што доведува до серија на егзотермни реакции. Заштитата од краток спој е исто така еден вид заштита од прекумерна струја. Но, струјата на краток спој ќе биде бесконечна, а топлината и штетата исто така се бесконечни, така што заштитата мора да биде многу чувствителна и може автоматски да се активира. Вообичаените мерки за заштита од краток спој вклучуваат контактори, осигурувачи, мос итн.
• Заштита од температура: Батеријата е чувствителна на температурата на околината. Премногу висока или премногу ниска температура ќе влијае на неговата изведба. Затоа, важно е батеријата да работи во рамките на дозволената температура. BMS треба да има функција за заштита на температурата за да ја запре батеријата кога температурата е превисока или премногу ниска. Може дури и да се подели на заштита од температурата на полнење и заштита од температурата на празнење, итн.
• Функција за балансирање: за преносни компјутери и други батерии од повеќе серии, постои недоследност меѓу ќелиите поради разликите во процесот на производство. На пример, внатрешниот отпор на некои клетки е поголем од другите. Оваа недоследност постепено ќе се влошува под влијание на надворешното опкружување. Затоа, неопходно е да се има функција за управување со рамнотежа за да се имплементира рамнотежата на клетката. Општо земено, постојат два вида на рамнотежа:

1.Пасивно балансирање: Користете хардвер, како што е компаратор на напон, а потоа користете отпорна дисипација на топлина за да ја ослободите вишокот на енергија на батеријата со висок капацитет. Но, потрошувачката на енергија е голема, брзината на изедначување е бавна, а ефикасноста е мала.

2.Активно балансирање: користете кондензатори за складирање на моќноста на ќелиите со повисок напон и ослободување до ќелијата со помал напон. Меѓутоа, кога разликата во притисокот помеѓу соседните ќелии е мала, времето на изедначување е долго, а прагот на напонот за изедначување може да се постави пофлексибилно.

Стандардна валидација

Конечно, ако сакате вашите батерии успешно да влезат на меѓународниот или домашниот пазар, тие исто така треба да ги исполнат соодветните стандарди за да се осигура безбедноста на литиум-јонската батерија. Од ќелии до батерии и производи домаќини треба да ги исполнуваат соодветните стандарди за тестирање. Оваа статија ќе се фокусира на барањата за заштита на домашните батерии за електронски ИТ производи.

МК 31241-2022

Овој стандард е за батерии на преносни електронски уреди. Главно ги зема предвид термините 5.2 безбедни работни параметри, барањата за безбедност од 10.1 до 10.5 за PCM, од 11.1 до 11.5 безбедносни барања за заштитното коло на системот (кога самата батерија е без заштита), барањата 12.1 и 12.2 за конзистентност и Додаток А (за документи) .

u Поимот 5.2 бара од ќелијата и параметрите на батеријата треба да се усогласат, што може да се разбере како работните параметри на батеријата не треба да го надминуваат опсегот на ќелиите. Сепак, дали параметрите за заштита на батеријата треба да се осигураат дека параметрите за работа на батеријата не го надминуваат опсегот на ќелиите? Постојат различни сфаќања, но од гледна точка на безбедноста на дизајнот на батеријата, одговорот е да. На пример, максималната струја на полнење на ќелија (или блок на ќелија) е 3000 mA, максималната работна струја на батеријата не треба да надминува 3000 mA, а заштитната струја на батеријата исто така треба да обезбеди струјата во процесот на полнење да не надминува 3000 mA. Само на овој начин можеме ефикасно да заштитиме и избегнеме опасности. За дизајнот на заштитните параметри, ве молиме погледнете го Додатокот А. Го зема предвид дизајнот на параметрите на употреба на ќелија – батерија – домаќин, кој е релативно сеопфатен.

u За батерии со заштитно коло, потребен е безбедносен тест на колото за заштита на батериите 10,1~10,5. Ова поглавје главно истражува заштита од полнење преку напон, заштита од полнење преку струја, празнење под напонска заштита, празнење преку струја и заштита од краток спој. Овие се споменати во погореФункционален безбедносен дизајни основните барања. GB 31241 бара проверка 500 пати.

u Ако батеријата без заштитно коло е заштитена со нејзиниот полнач или краен уред, безбедносното заштитно коло на системот 11,1~11,5 ќе се спроведе со надворешниот заштитен уред. Контролата на напонот, струјата и температурата на полнење и празнење главно се испитуваат. Вреди да се напомене дека, во споредба со батериите со заштитни кола, батериите без заштитни кола можат да се потпрат само на заштитата на опремата во вистинска употреба. Ризикот е поголем, така што нормалното работење и условите за единечна грешка ќе се тестираат посебно. Ова го принудува крајниот уред да има двојна заштита; во спротивно не може да го положи тестот во Поглавје 11.

u Конечно, ако има повеќе сериски ќелии во батеријата, треба да го земете предвид феноменот на небалансирано полнење. Потребен е тест за усогласеност од поглавје 12. Тука главно се истражуваат функциите за заштита на рамнотежата и диференцијалниот притисок на ПХБ. Оваа функција не е потребна за батерии со една ќелија.

МК 4943.1-2022

Овој стандард е за AV производи. Со зголемената употреба на електронски производи на батерии, новата верзија на GB 4943.1-2022 дава специфични барања за батериите во Додаток М, оценувајќи ја опремата со батерии и нивните заштитни кола. Врз основа на евалуацијата на колото за заштита на батериите, додадени се и дополнителни безбедносни барања за опрема што содржи секундарни литиумски батерии.

u Колото за заштита на секундарната литиумска батерија главно истражува прекумерно полнење, препразнење, обратно полнење, безбедносна заштита при полнење (температура), заштита од краток спој итн. Треба да се забележи дека сите овие тестови бараат една грешка во заштитното коло. Ова барање не е споменато во стандардот за батерии GB 31241. Така, при дизајнирањето на функцијата за заштита на батеријата, треба да ги комбинираме стандардните барања на батеријата и домаќинот. Ако батеријата има само една заштита и нема вишок компоненти, или батеријата нема заштитно коло и заштитното коло го обезбедува само домаќинот, домаќинот треба да биде вклучен за овој дел од тестот.

Заклучок

Како заклучок, за дизајнирање безбедна батерија, покрај изборот на самиот материјал, подеднакво се важни и последователниот структурен дизајн и функционалниот безбедносен дизајн. Иако различните стандарди имаат различни барања за производите, ако безбедноста на дизајнот на батериите може целосно да се земе предвид за да се задоволат барањата на различни пазари, времето на носење може значително да се намали и производот може да се забрза на пазарот. Покрај комбинирањето на законите, регулативите и стандардите на различни земји и региони, исто така е неопходно да се дизајнираат производи врз основа на вистинската употреба на батериите во терминалните производи.