Na actualidade, a maioría dos accidentes de seguridade das baterías de iones de litio prodúcense debido á falla do circuíto de protección, o que fai que a batería se evapore térmica e provoca incendios e explosións. Polo tanto, para realizar o uso seguro da batería de litio, o deseño do circuíto de protección é particularmente importante, e deben terse en conta todo tipo de factores que causan a falla da batería de litio. Ademais do proceso de produción, os fallos son causados ​​basicamente por cambios nas condicións extremas externas, como sobrecarga, sobredescarga e alta temperatura. Se estes parámetros son controlados en tempo real e se adoptan as medidas de protección correspondentes cando se modifiquen, pódese evitar a aparición de fugas térmicas. O deseño de seguridade da batería de litio inclúe varios aspectos: selección de células, deseño estrutural e deseño de seguridade funcional do BMS.

Selección celular

Hai moitos factores que afectan á seguridade celular nos que a elección do material celular é a base. Debido ás diferentes propiedades químicas, a seguridade varía nos diferentes materiais do cátodo da batería de litio. Por exemplo, o fosfato de ferro de litio ten forma de olivina, que é relativamente estable e non é fácil de colapsar. Non obstante, o cobaltato de litio e o ternario de litio son estruturas en capas que son fáciles de colapsar. A selección do separador tamén é moi importante, xa que o seu rendemento está directamente relacionado coa seguridade da célula. Polo tanto, na selección da cela non só se terán en conta os informes de detección, senón tamén o proceso de produción do fabricante, os materiais e os seus parámetros.

Deseño de estruturas

O deseño da estrutura da batería considera principalmente os requisitos de illamento e disipación de calor.

• Os requisitos de illamento implican xeralmente os seguintes aspectos: Illamento entre electrodo positivo e negativo; Illamento entre cela e recinto; Illamento entre as pestanas do poste e o recinto; Espazo eléctrico de PCB e distancia de fuga, deseño de cableado interno, deseño de conexión a terra, etc.
• A disipación de calor é principalmente para algunhas grandes baterías de almacenamento de enerxía ou de tracción. Debido á alta enerxía destas baterías, a calor xerada ao cargar e descargar é enorme. Se a calor non se pode disipar a tempo, acumularase e provocará accidentes. Polo tanto, a selección e deseño dos materiais do recinto (Debería ter certa resistencia mecánica e requisitos a proba de po e impermeable), a selección do sistema de refrixeración e outro illamento térmico interno, a disipación de calor e o sistema de extinción de incendios deben ser tidos en conta.

Para a selección e aplicación do sistema de refrixeración da batería, consulte a edición anterior.

Deseño de seguridade funcional

As propiedades físicas e químicas determinan que o material non pode limitar a tensión de carga e descarga. Unha vez que a tensión de carga e descarga supere o rango nominal, causará danos irreversibles á batería de litio. Polo tanto, é necesario engadir o circuíto de protección para manter a tensión e a corrente da cela interna nun estado normal cando a batería de litio está funcionando. Para o BMS das baterías, son necesarias as seguintes funcións:

• Protección de sobretensión de carga: a sobrecarga é unha das principais razóns da fuga térmica. Despois da sobrecarga, o material do cátodo colapsará debido á liberación excesiva de ións de litio, e o electrodo negativo tamén terá precipitación de litio, o que leva á diminución da estabilidade térmica e ao aumento das reaccións secundarias, que teñen un risco potencial de fuga térmica. Polo tanto, é especialmente importante cortar a corrente a tempo despois de que a carga alcance a tensión límite superior da cela. Isto require que o BMS teña a función de protección contra sobretensión de carga, de xeito que a tensión da cela sempre se manteña dentro do límite de funcionamento. Sería mellor que a tensión de protección non sexa un valor de rango e varíe moito, xa que pode provocar que a batería non corte a corrente cando está totalmente cargada, o que provoca unha sobrecarga. A tensión de protección do BMS adoita ser deseñada para ser a mesma ou lixeiramente inferior á tensión superior da cela.
• Protección de sobrecarga de corrente: cargar unha batería cunha corrente superior ao límite de carga ou descarga pode provocar acumulación de calor. Cando a calor acumula o suficiente para derreter o diafragma, pode provocar un curtocircuíto interno. Polo tanto, a carga oportuna da protección contra sobrecorriente tamén é esencial. Debemos prestar atención a que a protección contra sobrecorriente non pode ser superior á tolerancia da corrente celular no deseño.
• Protección de descarga baixo tensión: unha tensión demasiado grande ou moi pequena dañará o rendemento da batería. A descarga continua baixo tensión fará que o cobre precipite e o electrodo negativo colapse, polo que xeralmente a batería terá unha función de protección de descarga baixo tensión.
• Protección contra sobrecorriente de descarga: a maior parte da PCB carga e descarga a través da mesma interface, neste caso a corrente de protección de carga e descarga é consistente. Pero algunhas baterías, especialmente as baterías para ferramentas eléctricas, carga rápida e outros tipos de baterías, necesitan usar unha gran descarga ou carga de corrente, a corrente é inconsistente neste momento, polo que é mellor cargar e descargar en dous bucles de control.
• Protección contra curtocircuítos: o curtocircuíto da batería tamén é un dos fallos máis comúns. Algunha colisión, uso indebido, apertamento, agulladura, entrada de auga, etc., son fáciles de provocar un curtocircuíto. Un curtocircuíto xerará inmediatamente unha gran corrente de descarga, o que provocará un forte aumento da temperatura da batería. Ao mesmo tempo, na célula adoitan producirse unha serie de reaccións electroquímicas despois dun curtocircuíto externo, o que leva a unha serie de reaccións exotérmicas. A protección contra curtocircuítos tamén é unha especie de protección contra sobreintensidade. Pero a corrente de curtocircuíto será infinita e a calor e o dano tamén son infinitos, polo que a protección debe ser moi sensible e pode activarse automaticamente. As medidas comúns de protección contra curtocircuítos inclúen contactores, fusibles, mos, etc.
• Protección contra sobretemperatura: a batería é sensible á temperatura ambiente. A temperatura demasiado alta ou moi baixa afectará o seu rendemento. Polo tanto, é importante manter a batería funcionando dentro da temperatura límite. O BMS debe ter unha función de protección da temperatura para parar a batería cando a temperatura é demasiado alta ou moi baixa. Incluso pódese subdividir en protección de temperatura de carga e protección de temperatura de descarga, etc.
• Función de equilibrio: para portátiles e outras baterías de varias series, hai inconsistencia entre as células debido ás diferenzas no proceso de produción. Por exemplo, a resistencia interna dalgunhas células é maior que outras. Esta inconsistencia empeorará gradualmente baixo a influencia do ambiente externo. Polo tanto, é necesario ter unha función de xestión de equilibrio para implementar o equilibrio da célula. Xeralmente hai dous tipos de equilibrio:

1.Equilibrado pasivo: use hardware, como un comparador de voltaxe, e despois use a disipación de calor de resistencia para liberar o exceso de potencia da batería de alta capacidade. Pero o consumo de enerxía é grande, a velocidade de ecualización é lenta e a eficiencia é baixa.

2.Equilibrado activo: use capacitores para almacenar a enerxía das celas con maior voltaxe e lévaa á cela con menor voltaxe. Non obstante, cando a diferenza de presión entre as celas adxacentes é pequena, o tempo de ecualización é longo e o limiar de tensión de ecualización pódese configurar de forma máis flexible.

Validación estándar

Finalmente, se quere que as súas baterías entren con éxito no mercado internacional ou doméstico, tamén deben cumprir os estándares relacionados para garantir a seguridade da batería de ión-litio. Desde células ata baterías e produtos anfitrións deben cumprir os estándares de proba correspondentes. Este artigo centrarase nos requisitos de protección da batería doméstica para produtos electrónicos de TI.

GB 31241-2022

Esta norma é para baterías de dispositivos electrónicos portátiles. Considera principalmente os parámetros de traballo seguro do termo 5.2, os requisitos de seguridade de 10.1 a 10.5 para PCM, os requisitos de seguridade de 11.1 a 11.5 no circuíto de protección do sistema (cando a propia batería está sen protección), os requisitos de coherencia 12.1 e 12.2 e o Apéndice A (para documentos) .

u O termo 5.2 require que os parámetros da pila e da batería coincidan, o que se pode entender como os parámetros de funcionamento da batería non deben exceder o rango de células. Non obstante, hai que garantir os parámetros de protección da batería para que os parámetros de funcionamento da batería non superen o rango de células? Hai diferentes entendementos, pero desde a perspectiva da seguridade do deseño da batería, a resposta é si. Por exemplo, a corrente de carga máxima dunha cela (ou bloque celular) é de 3000 mA, a corrente de traballo máxima da batería non debe exceder os 3000 mA e a corrente de protección da batería tamén debe garantir que a corrente no proceso de carga non debe exceder 3000 mA. Só así podemos protexer e evitar os perigos de forma eficaz. Para o deseño dos parámetros de protección, consulte o Apéndice A. Considera o deseño de parámetros de célula – batería – host en uso, que é relativamente completo.

u Para baterías con circuíto de protección, é necesaria unha proba de seguridade do circuíto de protección da batería 10,1~10,5. Este capítulo investiga principalmente a protección de sobretensión de carga, protección de sobrecorriente de carga, protección de descarga por baixo de tensión, protección de descarga de sobreintensidade e protección de curtocircuíto. Estes son mencionados no anteriorDeseño de Seguridade Funcionale os requisitos básicos. GB 31241 require comprobación 500 veces.

u Se a batería sen circuíto de protección está protexida polo seu cargador ou dispositivo final, a proba de seguridade do circuíto de protección do sistema 11.1~11.5 realizarase co dispositivo de protección externo. Investígase principalmente o control de tensión, corrente e temperatura de carga e descarga. Cabe destacar que, en comparación coas baterías con circuítos de protección, as baterías sen circuítos de protección só poden confiar na protección dos equipos en uso real. O risco é maior, polo que o funcionamento normal e as condicións de falla única probaranse por separado. Isto obriga o dispositivo final a ter dobre protección; en caso contrario, non poderá superar a proba do capítulo 11.

u Finalmente, se hai varias celas en serie nunha batería, cómpre ter en conta o fenómeno da carga desequilibrada. Requírese unha proba de conformidade do capítulo 12. Aquí investigáronse principalmente as funcións de protección de equilibrio e presión diferencial do PCB. Esta función non é necesaria para baterías unicélulas.

GB 4943.1-2022

Este estándar é para produtos AV. Co uso crecente de produtos electrónicos alimentados por baterías, a nova versión do GB 4943.1-2022 ofrece requisitos específicos para as baterías no Apéndice M, avaliando os equipos con baterías e os seus circuítos de protección. En base á avaliación do circuíto de protección da batería, tamén se engadiron requisitos de seguridade adicionais para equipos que conteñan baterías de litio secundarias.

u O circuíto de protección da batería de litio secundaria investiga principalmente a sobrecarga, a sobredescarga, a carga inversa, a protección de seguridade de carga (temperatura), a protección de curtocircuítos, etc. Debe ter en conta que todas estas probas requiren un único fallo no circuíto de protección. Este requisito non se menciona no estándar de batería GB 31241. Polo tanto, no deseño da función de protección da batería, necesitamos combinar os requisitos estándar de batería e host. Se a batería só ten unha protección e non hai compoñentes redundantes, ou a batería non ten circuíto de protección e o circuíto de protección só o proporciona o host, o host debería incluírse para esta parte da proba.

Conclusión

En conclusión, para deseñar unha batería segura, ademais da elección do propio material, o deseño estrutural posterior e o deseño de seguridade funcional son igualmente importantes. Aínda que os diferentes estándares teñen diferentes requisitos para os produtos, se se pode considerar plenamente a seguridade do deseño da batería para satisfacer os requisitos de diferentes mercados, o prazo de entrega pode reducirse moito e o produto pódese acelerar ao mercado. Ademais de combinar as leis, regulamentos e estándares de diferentes países e rexións, tamén é necesario deseñar produtos baseados no uso real das baterías nos produtos terminais.