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 feszültségét általában a cella felső feszültségével megegyezőre vagy valamivel alacsonyabbra tervezik.
• 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.Néhány ütközés, helytelen használat, összenyomás, tűszúrás, víz behatolása 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.