En l'actualitat, la majoria dels accidents de seguretat de les bateries d'ions de liti es produeixen a causa de la fallada del circuit de protecció, la qual cosa fa que la bateria es fugi tèrmicament i produeix incendi i explosió. Per tant, per tal d'aconseguir l'ús segur de la bateria de liti, el disseny del circuit de protecció és especialment important, i s'han de tenir en compte tot tipus de factors que causen la fallada de la bateria de liti. A més del procés de producció, els errors són bàsicament causats per canvis en les condicions extremes externes, com ara sobrecàrrega, sobredescàrrega i alta temperatura. Si aquests paràmetres es controlen en temps real i es prendran les mesures de protecció corresponents quan canviïn, es pot evitar l'aparició d'embalatge tèrmic. El disseny de seguretat de la bateria de liti inclou diversos aspectes: selecció de cèl·lules, disseny estructural i disseny de seguretat funcional de BMS.

Selecció cel·lular

Hi ha molts factors que afecten la seguretat cel·lular en què l'elecció del material cel·lular és la base. A causa de les diferents propietats químiques, la seguretat varia en diferents materials de càtode de la bateria de liti. Per exemple, el fosfat de ferro de liti té forma d'olivina, que és relativament estable i no és fàcil de col·lapsar. El cobaltat de liti i el ternari de liti, però, són estructures en capes que es poden col·lapsar fàcilment. La selecció del separador també és molt important, ja que el seu rendiment està directament relacionat amb la seguretat de la cèl·lula. Per tant, en la selecció de la cèl·lula, es tindran en compte no només els informes de detecció, sinó també el procés de producció del fabricant, els materials i els seus paràmetres.

Disseny de l'estructura

El disseny de l'estructura de la bateria té en compte principalment els requisits d'aïllament i dissipació de calor.

• Els requisits d'aïllament impliquen generalment els aspectes següents: Aïllament entre elèctrode positiu i negatiu; Aïllament entre la cèl·lula i el recinte; Aïllament entre les pestanyes del pal i el tancament; Espaiat elèctric de PCB i distància de fuga, disseny de cablejat intern, disseny de connexió a terra, etc.
• La dissipació de calor és principalment per a algunes bateries grans d'emmagatzematge d'energia o de tracció. A causa de l'alta energia d'aquestes bateries, la calor generada en carregar i descarregar és enorme. Si la calor no es pot dissipar a temps, la calor s'acumularà i provocarà accidents. Per tant, s'ha de tenir en compte la selecció i disseny dels materials de tancament (ha de tenir una certa resistència mecànica i requisits a prova de pols i impermeable), la selecció del sistema de refrigeració i altres aïllaments tèrmics interns, dissipació de calor i sistema d'extinció d'incendis.

Per a la selecció i aplicació del sistema de refrigeració de la bateria, consulteu l'edició anterior.

Disseny de seguretat funcional

Les propietats físiques i químiques determinen que el material no pot limitar la tensió de càrrega i descàrrega. Un cop la tensió de càrrega i descàrrega superi el rang nominal, provocarà danys irreversibles a la bateria de liti. Per tant, cal afegir el circuit de protecció per mantenir la tensió i el corrent de la cèl·lula interna en un estat normal quan la bateria de liti està funcionant. Per a BMS de bateries, es requereixen les funcions següents:

• Protecció de sobretensió de càrrega: la sobrecàrrega és un dels principals motius de la fugida tèrmica. Després de la sobrecàrrega, el material del càtode col·lapsarà a causa d'un alliberament excessiu d'ions de liti, i l'elèctrode negatiu també tindrà una precipitació de liti, la qual cosa condueix a la disminució de l'estabilitat tèrmica i l'augment de reaccions laterals, que tenen un risc potencial de fuga tèrmica. Per tant, és especialment important tallar el corrent a temps després que la càrrega arribi a la tensió límit superior de la cèl·lula. Això requereix que el BMS tingui la funció de càrrega de protecció contra sobretensió, de manera que la tensió de la cèl·lula es mantingui sempre dins del límit de treball. Seria millor que la tensió de protecció no sigui un valor d'interval i variï àmpliament, ja que pot provocar que la bateria no talli el corrent a temps quan estigui completament carregada, donant lloc a una sobrecàrrega. La tensió de protecció del BMS normalment està dissenyada per ser la mateixa o lleugerament inferior a la tensió superior de la cèl·lula.
• Protecció de sobrecàrrega de corrent: carregar una bateria amb un corrent superior al límit de càrrega o descàrrega pot provocar una acumulació de calor. Quan la calor s'acumula prou per fondre el diafragma, pot provocar un curtcircuit intern. Per tant, també és essencial la càrrega oportuna de la protecció contra corrent. Hem de prestar atenció que la protecció contra sobreintensitat no pot ser superior a la tolerància de corrent de la cel·la en el disseny.
• Protecció de baixa tensió: una tensió massa gran o massa petita danyarà el rendiment de la bateria. La descàrrega contínua sota tensió farà que el coure precipiti i l'elèctrode negatiu es col·lapse, de manera que generalment la bateria tindrà una funció de protecció de descàrrega sota tensió.
• Protecció de sobrecàrrega de descàrrega: la majoria de la PCB es carrega i es descarrega a través de la mateixa interfície, en aquest cas, el corrent de protecció de càrrega i descàrrega és coherent. Però algunes bateries, especialment bateries per a eines elèctriques, càrrega ràpida i altres tipus de bateries, han d'utilitzar una gran descàrrega o càrrega de corrent, el corrent és inconsistent en aquest moment, per la qual cosa és millor carregar i descarregar en dos controls de bucle.
• Protecció contra curtcircuits: el curtcircuit de la bateria també és un dels errors més comuns. Algunes col·lisions, mal ús, estrènyer, punxada, entrada d'aigua, etc., són fàcils d'induir curtcircuits. Un curtcircuit generarà immediatament un gran corrent de descàrrega, el que provocarà un fort augment de la temperatura de la bateria. Paral·lelament, a la cèl·lula solen tenir lloc una sèrie de reaccions electroquímiques després d'un curtcircuit extern, que provoca una sèrie de reaccions exotèrmiques. La protecció contra curtcircuits també és una mena de protecció contra sobreintensitat. Però el corrent de curtcircuit serà infinit i la calor i el dany també són infinits, de manera que la protecció ha de ser molt sensible i es pot activar automàticament. Les mesures habituals de protecció contra curtcircuits inclouen contactors, fusibles, mos, etc.
• Protecció de sobretemperatura: la bateria és sensible a la temperatura ambient. Una temperatura massa alta o massa baixa afectarà el seu rendiment. Per tant, és important mantenir la bateria en funcionament dins del límit de temperatura. El BMS hauria de tenir una funció de protecció de temperatura per aturar la bateria quan la temperatura sigui massa alta o massa baixa. Fins i tot es pot subdividir en protecció de temperatura de càrrega i protecció de temperatura de descàrrega, etc.
• Funció d'equilibri: per a portàtils i altres bateries multisèries, hi ha inconsistència entre les cèl·lules a causa de les diferències en el procés de producció. Per exemple, la resistència interna d'algunes cèl·lules és més gran que d'altres. Aquesta inconsistència empitjorarà gradualment sota la influència de l'entorn extern. Per tant, cal tenir una funció de gestió de l'equilibri per implementar l'equilibri de la cèl·lula. En general hi ha dos tipus d'equilibri:

1. Equilibri passiu: utilitzeu maquinari, com ara un comparador de voltatge, i després utilitzeu la dissipació de calor de resistència per alliberar l'excés de potència de la bateria d'alta capacitat. Però el consum d'energia és gran, la velocitat d'equalització és lenta i l'eficiència és baixa.

2.Equilibri actiu: utilitza condensadors per emmagatzemar l'energia de les cèl·lules amb una tensió més alta i l'allibera a la cèl·lula amb una tensió més baixa. Tanmateix, quan la diferència de pressió entre les cel·les adjacents és petita, el temps d'equalització és llarg i el llindar de tensió d'equalització es pot configurar de manera més flexible.

Validació estàndard

Finalment, si voleu que les vostres bateries entrin amb èxit al mercat nacional o internacional, també han de complir els estàndards relacionats per garantir la seguretat de la bateria de ions de liti. Des de les cèl·lules fins a les bateries i els productes host han de complir els estàndards de prova corresponents. Aquest article se centrarà en els requisits de protecció de la bateria domèstica per als productes informàtics electrònics.

GB 31241-2022

Aquesta norma és per a bateries de dispositius electrònics portàtils. Considera principalment els paràmetres de treball segurs del terme 5.2, els requisits de seguretat de 10.1 a 10.5 per a PCM, els requisits de seguretat de l'11.1 a l'11.5 del circuit de protecció del sistema (quan la pròpia bateria no té protecció), els requisits de coherència 12.1 i 12.2 i l'apèndix A (per als documents) .

u El terme 5.2 requereix que els paràmetres de la cèl·lula i de la bateria coincideixin, cosa que es pot entendre com que els paràmetres de funcionament de la bateria no han de superar el rang de cel·les. Tanmateix, s'han de garantir els paràmetres de protecció de la bateria que els paràmetres de funcionament de la bateria no superin el rang de cèl·lules? Hi ha diferents interpretacions, però des de la perspectiva de la seguretat del disseny de la bateria, la resposta és sí. Per exemple, el corrent de càrrega màxim d'una cèl·lula (o bloc de cèl·lules) és de 3000 mA, el corrent màxim de treball de la bateria no ha de superar els 3000 mA i el corrent de protecció de la bateria també ha de garantir que el corrent en el procés de càrrega no superi 3000 mA. Només així podrem protegir i evitar perills de manera eficaç. Per al disseny dels paràmetres de protecció, consulteu l'apèndix A. Considera el disseny dels paràmetres de cèl·lula – bateria – host en ús, que és relativament complet.

u Per a les bateries amb un circuit de protecció, es requereix una prova de seguretat del circuit de protecció de la bateria de 10,1 ~ 10,5. Aquest capítol investiga principalment la protecció de sobretensió de càrrega, la protecció de sobrecàrrega de corrent, la protecció de descàrrega per sota de tensió, la protecció de descàrrega de sobreintensitat i la protecció de curtcircuits. Aquestes s'esmenten a l'anteriorDisseny de seguretat funcionali els requisits bàsics. GB 31241 requereix comprovació 500 vegades.

u Si la bateria sense circuit de protecció està protegida pel seu carregador o dispositiu final, la prova de seguretat del circuit de protecció del sistema 11.1 ~ 11.5 s'ha de dur a terme amb el dispositiu de protecció extern. S'investiga principalment el control de tensió, corrent i temperatura de càrrega i descàrrega. Val la pena assenyalar que, en comparació amb les bateries amb circuits de protecció, les bateries sense circuits de protecció només poden confiar en la protecció dels equips en ús real. El risc és més elevat, de manera que el funcionament normal i les condicions de falla única es provaran per separat. Això obliga el dispositiu final a tenir doble protecció; en cas contrari, no pot superar la prova del capítol 11.

u Finalment, si hi ha diverses cèl·lules en sèrie en una bateria, cal tenir en compte el fenomen de la càrrega desequilibrada. Es requereix una prova de conformitat del capítol 12. Aquí s'investiguen principalment les funcions de protecció d'equilibri i pressió diferencial del PCB. Aquesta funció no és necessària per a bateries unicel·lulars.

GB 4943.1-2022

Aquesta norma és per a productes AV. Amb l'ús creixent de productes electrònics alimentats per bateries, la nova versió de GB 4943.1-2022 ofereix requisits específics per a bateries a l'apèndix M, avaluant els equips amb bateries i els seus circuits de protecció. A partir de l'avaluació del circuit de protecció de la bateria, també s'han afegit requisits de seguretat addicionals per als equips que contenen bateries secundàries de liti.

u El circuit de protecció de la bateria de liti secundària investiga principalment la sobrecàrrega, la sobredescàrrega, la càrrega inversa, la protecció de seguretat de càrrega (temperatura), la protecció contra curtcircuits, etc. Cal tenir en compte que totes aquestes proves requereixen una sola falla al circuit de protecció. Aquest requisit no s'esmenta a l'estàndard de bateria GB 31241. Per tant, en el disseny de la funció de protecció de la bateria, hem de combinar els requisits estàndard de bateria i host. Si la bateria només té una protecció i no hi ha components redundants, o la bateria no té cap circuit de protecció i el circuit de protecció només el proporciona l'amfitrió, l'amfitrió s'ha d'incloure per a aquesta part de la prova.

Conclusió

En conclusió, per dissenyar una bateria segura, a més de l'elecció del propi material, el disseny estructural posterior i el disseny de seguretat funcional són igualment importants. Tot i que diferents estàndards tenen requisits diferents per als productes, si es pot considerar plenament la seguretat del disseny de la bateria per satisfer els requisits de diferents mercats, el temps de lliurament es pot reduir molt i el producte es pot accelerar al mercat. A més de combinar les lleis, regulacions i estàndards de diferents països i regions, també és necessari dissenyar productes basats en l'ús real de bateries en productes terminals.