Jelenleg a lítium-ion akkumulátorok biztonsági baleseteinek többsége a védelmi áramkör meghibásodása miatt következik be, ami az akkumulátor hőkifutását, tüzet és robbanást okoz. Ezért a lítium akkumulátor biztonságos használatának megvalósítása érdekében különösen fontos a védelmi áramkör kialakítása, és figyelembe kell venni a lítium akkumulátor meghibásodását okozó mindenféle tényezőt. A meghibásodásokat a gyártási folyamaton kívül alapvetően a külső szélsőséges körülmények változása okozza, mint például a túltöltés, a túltöltés és a magas hőmérséklet. Ha ezeket a paramétereket valós időben figyeljük, és változásukkor megfelelő védőintézkedéseket teszünk, elkerülhető a termikus kifutás. A lítium akkumulátor biztonsági tervezése több szempontot foglal magában: cellaválasztást, szerkezeti tervezést és a BMS funkcionális biztonsági tervezését.

Cellák kiválasztása

A sejtbiztonságot számos tényező befolyásolja, amelyekben a sejtanyag megválasztása az alap. A különböző kémiai tulajdonságok miatt a biztonság a lítium akkumulátor különböző katódanyagaiban eltérő. Például a lítium-vas-foszfát olivin alakú, amely viszonylag stabil és nem könnyen összeomlik. A lítium-kobaltát és a hármas lítium azonban réteges szerkezet, amely könnyen összeomlik. A szeparátor kiválasztása is nagyon fontos, mivel teljesítménye közvetlenül összefügg a cella biztonságával. Ezért a cella kiválasztásánál nem csak az észlelési jegyzőkönyveket kell figyelembe venni, hanem a gyártó gyártási folyamatát, anyagokat és azok paramétereit is.

Szerkezet kialakítása

Az akkumulátor szerkezeti kialakítása elsősorban a szigetelési és hőelvezetési követelményeket veszi figyelembe.

• A szigetelési követelmények általában a következő szempontokat foglalják magukban: Szigetelés a pozitív és negatív elektródák között; Szigetelés a cella és a burkolat között; Szigetelés a pólusfülek és a ház között; PCB elektromos távolság és kúszótávolság, belső vezetékezés, földelés kialakítása stb.
• A hőleadás főként néhány nagy energiatároló vagy vontatási akkumulátor esetében történik. Ezen akkumulátorok nagy energiája miatt a töltés és kisütés során keletkező hő hatalmas. Ha a hőt nem sikerül időben elvezetni, a hő felhalmozódik és balesetekhez vezet. Ezért figyelembe kell venni a burkolat anyagainak kiválasztását és tervezését (meg kell felelnie bizonyos mechanikai szilárdságnak, por- és vízálló követelményeknek), a hűtőrendszer és az egyéb belső hőszigetelés, a hőelvezetés és a tűzoltó rendszer kiválasztását.

Az akkumulátor hűtési rendszerének kiválasztásához és alkalmazásához lásd az előző számot.

Funkcionális biztonsági kialakítás

A fizikai és kémiai tulajdonságok határozzák meg, hogy az anyag nem tudja korlátozni a töltési és kisütési feszültséget. Ha a töltési és kisütési feszültség meghaladja a névleges tartományt, az visszafordíthatatlan károsodást okoz a lítium akkumulátorban. Ezért szükséges a védelmi áramkör hozzáadása a belső cella feszültségének és áramának normál állapotban tartása érdekében, amikor a lítium akkumulátor működik. Az akkumulátorok BMS-éhez a következő funkciók szükségesek:

• Túlfeszültség elleni védelem: a túltöltés az egyik fő oka a túlmelegedésnek. Túltöltés után a katód anyaga összeesik a túlzott lítium-ion felszabadulás miatt, és a negatív elektródán is lítium kiválás következik be, ami a termikus stabilitás csökkenéséhez és a mellékreakciók fokozódásához vezet, ami potenciálisan a hőkifutás veszélyét hordozza magában. Ezért különösen fontos, hogy az áramot időben lekapcsoljuk, miután a töltés eléri a cella felső határfeszültségét. Ez megköveteli, hogy a BMS-nek legyen túlfeszültség elleni védelem funkciója, így a cella feszültsége mindig a működési határon belül marad. Jobb lenne, ha a védelmi feszültség nem egy tartományérték, és széles skálán mozog, mivel ez azt okozhatja, hogy az akkumulátor nem szakítja meg időben az áramot teljesen feltöltött állapotban, ami túltöltést eredményez. A BMS védelmi feszültsége általában megegyezik a cella felső feszültségével, vagy valamivel alacsonyabb.
• Töltés túláram elleni védelem: A töltési vagy kisütési határértéket meghaladó áramerősségű akkumulátor töltése hőfelhalmozódást okozhat. Ha a hő felhalmozódik ahhoz, hogy megolvadjon a membrán, az belső rövidzárlatot okozhat. Ezért az időben történő töltés túláramvédelem is elengedhetetlen. Figyelni kell arra, hogy a túláramvédelem nem lehet nagyobb, mint a kialakításban szereplő cellaáram-tűrés.
• Kisülés feszültségvédelem alatt: A túl nagy vagy túl kicsi feszültség rontja az akkumulátor teljesítményét. A feszültség alatti folyamatos kisülés a réz kicsapódását és a negatív elektróda összeomlását okozza, így általában az akkumulátor feszültségvédelmi funkciója alatt kisül.
• Kisülés túláram elleni védelem: A nyomtatott áramköri lapok nagy része ugyanazon az interfészen keresztül töltődik és kisül, ebben az esetben a töltés- és kisülésvédelmi áram konzisztens. Egyes akkumulátorok, különösen az elektromos szerszámok akkumulátorai, gyorstöltő és más típusú akkumulátorok esetében azonban nagy áramerősségű kisütést vagy töltést kell használni, az áram jelenleg inkonzisztens, ezért a legjobb a töltés és a kisütés kéthurkos vezérléssel.
• Rövidzárlat elleni védelem: Az akkumulátor rövidzárlata is az egyik leggyakoribb hiba. Egyes ütközések, helytelen használat, összenyomás, tűszúrás, víz behatolás stb. könnyen előidézhető rövidzárlat. A rövidzárlat azonnal nagy kisülési áramot generál, ami az akkumulátor hőmérsékletének meredek emelkedését eredményezi. Ugyanakkor a cellában általában a külső rövidzárlat után elektrokémiai reakciók sorozata megy végbe, ami exoterm reakciók sorozatához vezet. A rövidzárlat elleni védelem is egyfajta túláramvédelem. De a rövidzárlati áram végtelen lesz, és a hő és a kár is végtelen, ezért a védelemnek nagyon érzékenynek kell lennie, és automatikusan kioldható. A gyakori rövidzárlatvédelmi intézkedések közé tartoznak a mágneskapcsolók, biztosítékok, mosógépek stb.
• Túlmelegedés elleni védelem: Az akkumulátor érzékeny a környezeti hőmérsékletre. A túl magas vagy túl alacsony hőmérséklet befolyásolja a teljesítményt. Ezért fontos, hogy az akkumulátor a határhőmérsékleten belül működjön. A BMS-nek rendelkeznie kell egy hőmérséklet-védelmi funkcióval, amely leállítja az akkumulátort, ha a hőmérséklet túl magas vagy túl alacsony. Akár töltéshőmérséklet-védelemre és kisülési hőmérséklet-védelemre is felosztható, stb.
• Kiegyensúlyozó funkció: Notebook és más többsorozatú akkumulátorok esetében a gyártási folyamat eltérései miatt következetlenségek vannak a cellák között. Például egyes sejtek belső ellenállása nagyobb, mint másoké. Ez az inkonzisztencia a külső környezet hatására fokozatosan súlyosbodik. Ezért szükséges egy egyensúlykezelő funkció a cella egyensúlyának megvalósításához. Általában kétféle egyensúly létezik:

1. Passzív kiegyensúlyozás: Használjon hardvert, például feszültség-összehasonlítót, majd használja az ellenállás-hőelvezetést a nagy kapacitású akkumulátor felesleges teljesítményének felszabadítására. De az energiafogyasztás nagy, a kiegyenlítési sebesség lassú, és a hatékonyság alacsony.

2.Aktív kiegyenlítés: kondenzátorok segítségével tárolja a magasabb feszültségű cellák teljesítményét és engedje át a kisebb feszültségű celláknak. Ha azonban a szomszédos cellák közötti nyomáskülönbség kicsi, a kiegyenlítési idő hosszú, és a kiegyenlítési feszültség küszöbe rugalmasabban állítható be.

Szabvány érvényesítés

Végül, ha azt szeretné, hogy akkumulátorai sikeresen bekerüljenek a nemzetközi vagy a hazai piacra, a lítium-ion akkumulátorok biztonsága érdekében a vonatkozó szabványoknak is meg kell felelniük. A celláktól az akkumulátorokig és a gazdatermékekig meg kell felelniük a megfelelő vizsgálati szabványoknak. Ez a cikk az elektronikus IT-termékekre vonatkozó hazai akkumulátorvédelmi követelményekre összpontosít.

GB 31241-2022

Ez a szabvány a hordozható elektronikus eszközök akkumulátoraira vonatkozik. Főleg az 5.2-es terminus biztonságos működési paramétereit veszi figyelembe, a 10.1-től 10.5-ig terjedő biztonsági követelményeket a PCM-re, a 11.1-11.5-ös biztonsági követelményeket a rendszervédelmi áramkörre (ha maga az akkumulátor védelem nélkül), a 12.1-es és 12.2-es konzisztenciakövetelményeket és az A. függeléket (dokumentumokhoz) .

u Az 5.2-es terminus megköveteli a cella és az akkumulátor paramétereit össze kell hangolni, ami úgy értelmezhető, hogy az akkumulátor működési paraméterei nem haladhatják meg a cellák tartományát. Biztosítani kell azonban az akkumulátorvédelmi paramétereket, hogy az akkumulátor működési paraméterei ne lépjék túl a cellák tartományát? Különböző értelmezések léteznek, de az akkumulátor tervezésének biztonsága szempontjából a válasz igen. Például egy cella (vagy cellablokk) maximális töltőárama 3000 mA, az akkumulátor maximális üzemi árama nem haladhatja meg a 3000 mA-t, és az akkumulátor védőáramának is biztosítania kell, hogy a töltési folyamatban lévő áram ne haladja meg a 3000mA. Csak így tudunk hatékonyan védekezni és elkerülni a veszélyeket. A védelmi paraméterek tervezését lásd az A. függelékben. Ez figyelembe veszi a cella – akkumulátor – gazdagép használatban lévő paraméterezését, amely viszonylag átfogó.

u Védőáramkörrel rendelkező akkumulátorok esetén 10,1-10,5-ös akkumulátorvédő áramkör biztonsági teszt szükséges. Ez a fejezet elsősorban a túlfeszültség elleni védelmet, a túláram elleni töltést, a feszültség alatti kisütést, a túláram elleni védelmet és a rövidzárlat elleni védelmet vizsgálja. Ezeket a fentiekben említjükFunkcionális biztonsági tervezésés az alapvető követelményeket. A GB 31241 500-szori ellenőrzést igényel.

u Ha a védőáramkör nélküli akkumulátort a töltője vagy a végberendezése védi, a 11,1~11,5 rendszervédelmi áramkör biztonsági tesztjét a külső védőeszközzel kell elvégezni. Főleg a töltés és kisütés feszültség-, áram- és hőmérsékletszabályozását vizsgálják. Érdemes megjegyezni, hogy a védelmi áramkörrel rendelkező akkumulátorokhoz képest a védelmi áramkör nélküli akkumulátorok csak a tényleges használat során számíthatnak a berendezések védelmére. A kockázat nagyobb, ezért a normál működést és az egyszeri hibaállapotokat külön teszteljük. Ez a végberendezést kettős védelemre kényszeríti; különben nem megy át a 11. fejezetben szereplő teszten.

u Végül, ha egy akkumulátorban több soros cella van, akkor figyelembe kell venni a kiegyensúlyozatlan töltés jelenségét. A 12. fejezet megfelelőségi tesztje szükséges. Itt elsősorban a NYÁK egyensúly- és nyomáskülönbség-védelmi funkcióit vizsgáljuk. Ez a funkció nem szükséges egycellás akkumulátorokhoz.

GB 4943.1-2022

Ez a szabvány AV termékekre vonatkozik. Az akkumulátorral működő elektronikai termékek növekvő használatának köszönhetően a GB 4943.1-2022 új verziója az akkumulátorokra vonatkozó speciális követelményeket ad az M függelékben, amely elemekkel és védelmi áramköreikkel együtt értékeli. Az akkumulátorvédő áramkör értékelése alapján további biztonsági követelményeket is beiktattak a másodlagos lítium akkumulátorokat tartalmazó berendezésekre.

u A másodlagos lítium akkumulátor védelmi áramkör főként a túltöltést, a túlkisülést, a fordított töltést, a töltésbiztonsági védelmet (hőmérséklet), a rövidzárlat elleni védelmet stb. vizsgálja. Megjegyzendő, hogy ezek a tesztek mindegyike egyetlen hibára van szükség a védelmi áramkörben. Ezt a követelményt a GB 31241 akkumulátor-szabvány nem említi. Tehát az akkumulátor védelmi funkció tervezésénél kombinálnunk kell az akkumulátor és a gazdagép szabvány követelményeit. Ha az akkumulátornak csak egy védelme van, és nincsenek redundáns alkatrészei, vagy az akkumulátornak nincs védelmi áramköre, és a védelmi áramkört csak a gazdagép biztosítja, akkor a teszt ezen részében a gazdagépet be kell vonni.

Következtetés

Összefoglalva, a biztonságos akkumulátor megtervezéséhez magának az anyagnak a megválasztása mellett az utólagos szerkezeti tervezés és a funkcionális biztonsági tervezés egyaránt fontos. Bár a különböző szabványok eltérő követelményeket támasztanak a termékekkel szemben, ha az akkumulátor tervezésének biztonsága teljes mértékben megfelel a különböző piacok követelményeinek, akkor az átfutási idő jelentősen csökkenthető, és a termék felgyorsítható a piacra kerülésben. A különböző országok és régiók törvényeinek, előírásainak és szabványainak ötvözése mellett a termékek tervezése a végtermékekben használt akkumulátorok tényleges felhasználása alapján is szükséges.