V současnosti k většině bezpečnostních nehod lithium-iontových baterií dochází v důsledku selhání ochranného obvodu, což způsobuje tepelný únik baterie a má za následek požár a výbuch. Proto, aby bylo zajištěno bezpečné používání lithiové baterie, je zvláště důležitý návrh ochranného obvodu a je třeba vzít v úvahu všechny druhy faktorů způsobujících selhání lithiové baterie. Kromě výrobního procesu jsou poruchy v zásadě způsobeny změnami vnějších extrémních podmínek, jako je přebíjení, přebíjení a vysoká teplota. Pokud jsou tyto parametry monitorovány v reálném čase a při jejich změně budou přijata odpovídající ochranná opatření, lze zabránit vzniku tepelného úniku. Bezpečnostní návrh lithiové baterie zahrnuje několik aspektů: výběr článků, konstrukční návrh a funkční bezpečnostní návrh BMS.

Výběr buňky

Existuje mnoho faktorů ovlivňujících bezpečnost článků, v nichž je základem výběr materiálu článku. V důsledku různých chemických vlastností se bezpečnost liší v různých katodových materiálech lithiové baterie. Například fosforečnan lithný a železnatý má tvar olivínu, který je relativně stabilní a není snadné ho zhroutit. Kobaltát lithný a ternární lithium jsou však vrstvené struktury, které se snadno zhroutí. Výběr separátoru je také velmi důležitý, protože jeho výkon přímo souvisí s bezpečností článku. Při výběru článku je proto třeba vzít v úvahu nejen detekční zprávy, ale také výrobní proces výrobce, materiály a jejich parametry.

Konstrukce konstrukce

Konstrukce baterie zohledňuje především požadavky na izolaci a odvod tepla.

• Požadavky na izolaci obecně zahrnují následující aspekty: Izolace mezi kladnou a zápornou elektrodou; Izolace mezi článkem a krytem; Izolace mezi výstupky pólů a krytem; Elektrická rozteč a povrchová vzdálenost PCB, návrh vnitřního zapojení, návrh uzemnění atd.
• Odvod tepla je hlavně u některých velkých zásobníků energie nebo trakčních baterií. Vzhledem k vysoké energii těchto baterií je teplo vznikající při nabíjení a vybíjení obrovské. Pokud se teplo nemůže včas odvést, teplo se bude akumulovat a bude mít za následek nehody. Proto je třeba vzít v úvahu výběr a návrh materiálů krytu (měl by mít určitou mechanickou pevnost a prachotěsnost a vodotěsnost), výběr chladicího systému a další vnitřní tepelné izolace, odvod tepla a hasicí systém.

Výběr a použití systému chlazení baterie naleznete v předchozím vydání.

Funkční bezpečnostní provedení

Fyzikální a chemické vlastnosti určují, že materiál nemůže omezit nabíjecí a vybíjecí napětí. Jakmile nabíjecí a vybíjecí napětí překročí jmenovitý rozsah, způsobí nevratné poškození lithiové baterie. Proto je nutné přidat ochranný obvod pro udržení napětí a proudu vnitřního článku v normálním stavu při provozu lithiové baterie. U baterií BMS jsou vyžadovány následující funkce:

• Ochrana proti přepětí při nabíjení: přebíjení je jedním z hlavních důvodů tepelného úniku. Po přebití se katodový materiál zhroutí v důsledku nadměrného uvolňování lithných iontů a u záporné elektrody dojde také k precipitaci lithia, což vede ke snížení tepelné stability a zvýšení vedlejších reakcí, které mají potenciální riziko tepelného úniku. Proto je zvláště důležité odpojit proud včas poté, co nabíjení dosáhne horní mezní hodnoty napětí článku. To vyžaduje, aby BMS měl funkci ochrany proti přepětí nabíjení, takže napětí článku je vždy udržováno v pracovním limitu. Bylo by lepší, aby ochranné napětí nebylo hodnotou rozsahu a široce se měnilo, protože to může způsobit, že baterie neodebere proud včas, když je plně nabitá, což má za následek přebití. Ochranné napětí BMS je obvykle navrženo tak, aby bylo stejné nebo mírně nižší než horní napětí článku.
• Ochrana proti nadměrnému nabíjení: Nabíjení baterie proudem vyšším, než je limit nabití nebo vybití, může způsobit akumulaci tepla. Když se teplo nahromadí dostatečné k roztavení membrány, může to způsobit vnitřní zkrat. Proto je také nezbytná včasná ochrana nad proudem nabíjení. Měli bychom věnovat pozornost tomu, že nadproudová ochrana nemůže být vyšší než tolerance proudu článku v návrhu.
• Ochrana proti vybití pod napětím: Příliš vysoké nebo příliš nízké napětí poškodí výkon baterie. Nepřetržité vybíjení pod napětím způsobí vysrážení mědi a kolaps záporné elektrody, takže obecně bude mít baterie vybití pod napěťovou ochranou.
• Ochrana proti vybíjení nad proudem: Většina PCB se nabíjí a vybíjí přes stejné rozhraní, v tomto případě je ochranný proud nabíjení a vybíjení konzistentní. Ale některé baterie, zejména baterie pro elektrické nářadí, rychlonabíjení a jiné typy baterií, potřebují používat velké vybíjení nebo nabíjení, proud je v tuto chvíli nekonzistentní, proto je nejlepší nabíjet a vybíjet ve dvou smyčkách.
• Ochrana proti zkratu: Zkrat baterie je také jednou z nejčastějších závad. Některé kolize, nesprávné použití, zmáčknutí, vpichování, vniknutí vody atd. lze snadno vyvolat zkrat. Zkrat okamžitě vytvoří velký vybíjecí proud, což má za následek prudký nárůst teploty baterie. Přitom po vnějším zkratu obvykle v článku probíhá řada elektrochemických reakcí, které vedou k řadě exotermických reakcí. Ochrana proti zkratu je také druh nadproudové ochrany. Ale zkratový proud bude nekonečný a teplo a poškození jsou také nekonečné, takže ochrana musí být velmi citlivá a může být automaticky spuštěna. Běžná opatření na ochranu proti zkratu zahrnují stykače, pojistky, mosy atd.
• Ochrana proti přehřátí: Baterie je citlivá na okolní teplotu. Příliš vysoká nebo příliš nízká teplota ovlivní jeho výkon. Proto je důležité udržovat provoz baterie v mezní teplotě. BMS by měl mít funkci ochrany proti teplotě, která zastaví baterii, když je teplota příliš vysoká nebo příliš nízká. Lze jej dokonce rozdělit na ochranu proti teplotě nabíjení a ochranu proti teplotě vybíjení atd.
• Funkce vyvažování: U baterií notebooků a jiných víceřadých baterií existuje nekonzistence mezi články kvůli rozdílům ve výrobním procesu. Například vnitřní odpor některých buněk je větší než u jiných. Tato nekonzistence se bude pod vlivem vnějšího prostředí postupně prohlubovat. Proto je nutné mít funkci řízení rovnováhy, aby byla rovnováha buňky implementována. Obecně existují dva druhy rovnováhy:

1. Pasivní vyvažování: Použijte hardware, jako je napěťový komparátor, a poté použijte odporový odvod tepla k uvolnění přebytečné energie vysokokapacitní baterie. Ale spotřeba energie je velká, rychlost vyrovnávání je pomalá a účinnost je nízká.

2.Aktivní vyvažování: použijte kondenzátory k uložení energie článků s vyšším napětím a uvolní ji do článku s nižším napětím. Když je však rozdíl tlaků mezi sousedními články malý, doba vyrovnání je dlouhá a práh vyrovnávacího napětí lze nastavit flexibilněji.

Standardní validace

Konečně, pokud chcete, aby vaše baterie úspěšně vstoupily na mezinárodní nebo domácí trh, musí také splňovat související normy, aby byla zajištěna bezpečnost lithium-iontových baterií. Od článků po baterie a hostitelské produkty by měly splňovat odpovídající testovací standardy. Tento článek se zaměří na domácí požadavky na ochranu baterií pro elektronické IT produkty.

GB 31241-2022

Tato norma platí pro baterie přenosných elektronických zařízení. Zohledňuje zejména termín 5.2 bezpečné pracovní parametry, 10.1 až 10.5 bezpečnostní požadavky pro PCM, 11.1 až 11.5 bezpečnostní požadavky na obvod ochrany systému (když je samotná baterie bez ochrany), požadavky 12.1 a 12.2 na konzistenci a dodatek A (pro dokumenty) .

u Termín 5.2 vyžaduje sladění parametrů článku a baterie, což lze chápat tak, že pracovní parametry baterie by neměly překročit rozsah článků. Je však třeba zajistit parametry ochrany baterie, aby provozní parametry baterie nepřesáhly rozsah článků? Existují různá chápání, ale z hlediska bezpečnosti konstrukce baterie je odpověď ano. Například maximální nabíjecí proud článku (nebo bloku článků) je 3000 mA, maximální pracovní proud baterie by neměl překročit 3000 mA a ochranný proud baterie by měl také zajistit, že proud v procesu nabíjení by neměl překročit 3000 mA. Jen tak můžeme účinně chránit a předcházet nebezpečí. Návrh parametrů ochrany naleznete v Příloze A. Ten zohledňuje návrh parametrů používaný článek – baterie – hostitel, který je poměrně obsáhlý.

u U baterií s ochranným obvodem je vyžadován bezpečnostní test ochranného obvodu baterie 10,1~10,5. Tato kapitola se zabývá především ochranou proti přepětí, nabíjením nad proudem, ochranou proti vybíjení pod napětím, ochranou proti vybíjení nad proudem a ochranou proti zkratu. Ty jsou zmíněny výšeFunkční bezpečnostní designa základní požadavky. GB 31241 vyžaduje kontrolu 500krát.

u Pokud je baterie bez ochranného obvodu chráněna nabíječkou nebo koncovým zařízením, musí být bezpečnostní test 11.1~11.5 ochranného obvodu systému proveden s externím ochranným zařízením. Zkoumá se především řízení napětí, proudu a teploty nabíjení a vybíjení. Stojí za zmínku, že ve srovnání s bateriemi s ochrannými obvody se baterie bez ochranných obvodů mohou spolehnout pouze na ochranu zařízení při skutečném použití. Riziko je vyšší, takže běžný provoz a stav jediné poruchy budou testovány samostatně. To nutí koncové zařízení mít dvojitou ochranu; jinak nemůže projít testem v kapitole 11.

u Konečně, pokud je v baterii více sériových článků, musíte vzít v úvahu fenomén nevyváženého nabíjení. Vyžaduje se zkouška shody podle kapitoly 12. Jsou zde zkoumány především funkce ochrany rovnováhy a diferenčního tlaku PCB. Tato funkce není vyžadována u jednočlánkových baterií.

GB 4943.1-2022

Tato norma platí pro AV produkty. S rostoucím používáním bateriově napájených elektronických produktů dává nová verze GB 4943.1-2022 specifické požadavky na baterie v příloze M, hodnotící zařízení s bateriemi a jejich ochranné obvody. Na základě vyhodnocení ochranného obvodu baterie byly také přidány další bezpečnostní požadavky pro zařízení obsahující sekundární lithiové baterie.

u Ochranný obvod sekundární lithiové baterie především vyšetřuje přebití, nadměrné vybití, zpětné nabíjení, bezpečnostní ochranu nabíjení (teplotu), ochranu proti zkratu atd. Je třeba poznamenat, že všechny tyto testy vyžadují jedinou poruchu v ochranném obvodu. Tento požadavek není uveden ve standardu baterie GB 31241. Při návrhu funkce ochrany baterie tedy musíme zkombinovat standardní požadavky baterie a hostitele. Pokud má baterie pouze jednu ochranu a žádné redundantní součásti nebo baterie nemá žádný ochranný obvod a ochranný obvod zajišťuje pouze hostitel, měl by být pro tuto část testu zahrnut hostitel.

Závěr

Závěrem lze říci, že pro návrh bezpečné baterie je kromě volby samotného materiálu stejně důležitý i následný konstrukční návrh a návrh funkční bezpečnosti. Ačkoli různé normy mají různé požadavky na produkty, pokud lze bezpečnost konstrukce baterií plně zohlednit tak, aby splňovaly požadavky různých trhů, může se výrazně zkrátit doba realizace a produkt může být urychlen uvedení na trh. Kromě kombinování zákonů, předpisů a norem různých zemí a regionů je také nutné navrhovat produkty na základě skutečného použití baterií v koncových produktech.