For tiden oppstår de fleste sikkerhetsulykkene med litium-ion-batterier på grunn av svikt i beskyttelseskretsen, noe som får batteriet til å løpe termisk og resulterer i brann og eksplosjon. Derfor, for å realisere sikker bruk av litiumbatteri, er utformingen av beskyttelseskretsen spesielt viktig, og alle slags faktorer som forårsaker svikt i litiumbatteriet bør tas i betraktning. I tillegg til produksjonsprosessen, er feil i utgangspunktet forårsaket av endringer i de ytre ekstreme forholdene, som overlading, overutladning og høy temperatur. Hvis disse parameterne overvåkes i sanntid og tilsvarende beskyttelsestiltak vil bli tatt når de endres, kan forekomsten av termisk løping unngås. Sikkerhetsdesignet til litiumbatteri inkluderer flere aspekter: cellevalg, strukturell design og funksjonell sikkerhetsdesign av BMS.

Cellevalg

Det er mange faktorer som påvirker cellesikkerheten der valg av cellemateriale er grunnlaget. På grunn av forskjellige kjemiske egenskaper varierer sikkerheten i forskjellige katodematerialer til litiumbatterier. For eksempel er litiumjernfosfat olivinformet, som er relativt stabilt og ikke lett å kollapse. Litiumkoboltat og litium ternær er imidlertid lagdelt struktur som er lett å kollapse. Valg av separator er også veldig viktig, siden ytelsen er direkte relatert til sikkerheten til cellen. Ved valg av celle skal derfor ikke bare deteksjonsrapporter, men også produsentens produksjonsprosess, materialer og deres parametere vurderes.

Strukturdesign

Strukturdesignen til batteriet tar hovedsakelig hensyn til kravene til isolasjon og varmeavledning.

• Isolasjonskrav involverer generelt følgende aspekter: Isolasjon mellom positiv og negativ elektrode; Isolasjon mellom celle og kabinett; Isolasjon mellom stangtappene og kabinettet; PCB elektrisk avstand og krypeavstand, intern ledningsdesign, jordingsdesign, etc.
• Varmespredning er hovedsakelig for noen store energilagrings- eller trekkbatterier. På grunn av den høye energien til disse batteriene, er varmen som genereres ved lading og utlading enorm. Hvis varmen ikke kan spres i tide, vil varmen hope seg opp og resultere i ulykker. Derfor bør valg og utforming av innkapslingsmaterialer (Det bør ha en viss mekanisk styrke og støvtette og vanntette krav), valg av kjølesystem og annen intern termisk isolasjon, varmespredning og brannslokkingssystem tas i betraktning.

For valg og bruk av batterikjølesystemet, se forrige utgave.

Funksjonell sikkerhetsdesign

De fysiske og kjemiske egenskapene bestemmer at materialet ikke kan begrense lade- og utladningsspenningen. Når lade- og utladingsspenningen overstiger det nominelle området, vil det føre til irreversibel skade på litiumbatteriet. Derfor er det nødvendig å legge til beskyttelseskretsen for å opprettholde spenningen og strømmen til den interne cellen i normal tilstand når litiumbatteriet fungerer. For BMS for batterier kreves følgende funksjoner:

• Lading over spenningsbeskyttelse: overlading er en av hovedårsakene til termisk løping. Etter overlading vil katodematerialet kollapse på grunn av overdreven frigjøring av litiumioner, og den negative elektroden vil også ha litiumutfelling, noe som fører til reduksjon av termisk stabilitet og økning av sidereaksjoner, som har potensiell risiko for termisk løping. Derfor er det spesielt viktig å kutte strømmen i tide etter at ladingen når cellens øvre grensespenning. Dette krever at BMS har funksjonen å lade over spenningsbeskyttelse, slik at spenningen til cellen alltid holdes innenfor arbeidsgrensen. Det ville være bedre at beskyttelsesspenningen ikke er en rekkevidde og varierer mye, da det kan føre til at batteriet ikke klarer å kutte strømmen i tide når det er fulladet, noe som resulterer i en overlading. Beskyttelsesspenningen til BMS er vanligvis designet til å være den samme eller litt lavere enn den øvre spenningen til cellen.
• Lading over strømbeskyttelse: Lading av et batteri med strøm mer enn lade- eller utladingsgrensen kan forårsake varmeakkumulering. Når varme samler seg nok til å smelte membranen, kan det forårsake en intern kortslutning. Derfor er rettidig lading over strømbeskyttelse også viktig. Vi bør være oppmerksom på at overstrømbeskyttelse ikke kan være høyere enn cellestrømtoleransen i designet.
• Utladning under spenningsbeskyttelse: For stor eller for liten spenning vil skade batteriets ytelse. Kontinuerlig utladning under spenning vil føre til at kobberet faller ut og den negative elektroden kollapser, så generelt vil batteriet ha utlading under spenningsbeskyttelsesfunksjon.
• Beskyttelse mot utladning over strøm: Det meste av PCB-lading og utlading gjennom samme grensesnitt, i dette tilfellet er beskyttelsesstrømmen for ladning og utladning konsistent. Men noen batterier, spesielt batterier for elektriske verktøy, hurtiglading og andre typer batterier trenger å bruke stor strømutladning eller lading, strømmen er inkonsekvent på dette tidspunktet, så det er best å lade og lade i to sløyfekontroll.
• Kortslutningsbeskyttelse: Batterikortslutning er også en av de vanligste feilene. Noen kollisjoner, misbruk, klem, nåling, vanninntrengning osv. er lett å indusere kortslutning. En kortslutning vil umiddelbart generere en stor utladningsstrøm, noe som resulterer i en kraftig økning i batteritemperaturen. Samtidig foregår det vanligvis en rekke elektrokjemiske reaksjoner i cellen etter ekstern kortslutning, som fører til en rekke eksoterme reaksjoner. Kortslutningsbeskyttelse er også en slags overstrømsbeskyttelse. Men kortslutningsstrømmen vil være uendelig, og varmen og skaden er også uendelig, så beskyttelsen må være veldig følsom og kan utløses automatisk. Vanlige kortslutningsbeskyttelsestiltak inkluderer kontaktorer, sikringer, mos, etc.
• Overtemperaturbeskyttelse: Batteriet er følsomt for omgivelsestemperaturen. For høy eller for lav temperatur vil påvirke ytelsen. Derfor er det viktig å holde batteriet i drift innenfor grensetemperaturen. BMS bør ha en temperaturbeskyttelsesfunksjon for å stoppe batteriet når temperaturen er for høy eller for lav. Den kan til og med deles inn i ladetemperaturbeskyttelse og utløpstemperaturbeskyttelse, etc.
• Balanseringsfunksjon: For bærbare og andre batterier i flere serier er det inkonsekvens mellom cellene på grunn av forskjellene i produksjonsprosessen. For eksempel er enkelte cellers indre motstand større enn andre. Denne inkonsekvensen vil gradvis forverres under påvirkning av ytre miljø. Derfor er det nødvendig å ha en balansestyringsfunksjon for å implementere balansen i cellen. Det er generelt to typer likevekt:

1.Passiv balansering: Bruk maskinvare, for eksempel spenningskomparator, og bruk deretter motstandsvarmespredning for å frigjøre overflødig kraft fra batteri med høy kapasitet. Men energiforbruket er stort, utjevningshastigheten er langsom, og effektiviteten er lav.

2.Aktiv balansering: bruk kondensatorer til å lagre kraften til cellene med høyere spenning og frigjør den til cellen med lavere spenning. Men når trykkforskjellen mellom tilstøtende celler er liten, er utjevningstiden lang, og utjevningsspenningsterskelen kan stilles inn mer fleksibelt.

Standard validering

Til slutt, hvis du vil at batteriene dine skal komme inn på det internasjonale eller innenlandske markedet, må de også oppfylle relaterte standarder for å sikre litiumionbatteriets sikkerhet. Fra celler til batterier og vertsprodukter bør oppfylle tilsvarende teststandarder. Denne artikkelen vil fokusere på de innenlandske batteribeskyttelseskravene for elektroniske IT-produkter.

GB 31241-2022

Denne standarden er for batterier til bærbare elektroniske enheter. Den vurderer hovedsakelig term 5.2 sikker arbeidsparametere, 10.1 til 10.5 sikkerhetskrav for PCM, 11.1 til 11.5 sikkerhetskrav på systembeskyttelseskrets (når selve batteriet er uten beskyttelse), 12.1 og 12.2 krav til konsistens, og vedlegg A (for dokumenter) .

u Term 5.2 krever av celle- og batteriparametere bør samsvare, noe som kan forstås som at arbeidsparametrene til batteriet ikke skal overskride celleområdet. Men må batteribeskyttelsesparametere sikres at batteridriftsparametere ikke overskrider celleområdet? Det er forskjellige forståelser, men fra et batteridesignsikkerhetsperspektiv er svaret ja. For eksempel er den maksimale ladestrømmen til en celle (eller celleblokk) 3000mA, den maksimale arbeidsstrømmen til batteriet bør ikke overstige 3000mA, og beskyttelsesstrømmen til batteriet bør også sikre at strømmen i ladeprosessen ikke bør overstige 3000mA. Bare på denne måten kan vi effektivt beskytte og unngå farer. For utforming av beskyttelsesparametere, se vedlegg A. Det tar for seg parameterdesignet til celle – batteri – vert i bruk, som er relativt omfattende.

u For batterier med en beskyttelseskrets kreves en 10,1~10,5 batteribeskyttelseskrets sikkerhetstest. Dette kapittelet undersøker hovedsakelig lading over spenningsbeskyttelse, lading over strømbeskyttelse, utlading under spenningsbeskyttelse, utlading over strømbeskyttelse og kortslutningsbeskyttelse. Disse er nevnt ovenforFunksjonell sikkerhetsdesignog de grunnleggende kravene. GB 31241 krever sjekk 500 ganger.

u Hvis batteriet uten beskyttelseskrets er beskyttet av laderen eller endeenheten, skal sikkerhetstesten av 11.1~11.5 systembeskyttelseskrets utføres med den eksterne beskyttelsesenheten. Spennings-, strøm- og temperaturkontroll av ladning og utladning undersøkes i hovedsak. Det er verdt å merke seg at sammenlignet med batterier med beskyttelseskretser, kan batterier uten beskyttelseskretser bare stole på beskyttelse av utstyr i faktisk bruk. Risikoen er høyere, så normal drift og enkeltfeil vil bli testet separat. Dette tvinger endeenheten til å ha dobbel beskyttelse; ellers kan den ikke bestå testen i kapittel 11.

u Til slutt, hvis det er flere serieceller i et batteri, må du vurdere fenomenet ubalansert lading. En samsvarstest av kapittel 12 er nødvendig. Balanse- og differensialtrykkbeskyttelsesfunksjonene til PCB er hovedsakelig undersøkt her. Denne funksjonen er ikke nødvendig for encellebatterier.

GB 4943.1-2022

Denne standarden er for AV-produkter. Med den økende bruken av batteridrevne elektroniske produkter, gir den nye versjonen av GB 4943.1-2022 spesifikke krav til batterier i vedlegg M, som evaluerer utstyr med batterier og deres beskyttelseskretser. Basert på evalueringen av batteribeskyttelseskretsen er det også lagt til ytterligere sikkerhetskrav for utstyr som inneholder sekundære litiumbatterier.

u Den sekundære litiumbatteribeskyttelseskretsen undersøker hovedsakelig overlading, overutlading, omvendt lading, ladesikkerhetsbeskyttelse (temperatur), kortslutningsbeskyttelse osv. Det skal bemerkes at disse testene alle krever en enkelt feil i beskyttelseskretsen. Dette kravet er ikke nevnt i batteristandarden GB 31241. Så i utformingen av batteribeskyttelsesfunksjonen må vi kombinere standardkravene til batteri og vert. Hvis batteriet bare har én beskyttelse og ingen redundante komponenter, eller batteriet ikke har noen beskyttelseskrets og beskyttelseskretsen kun leveres av verten, bør verten inkluderes for denne delen av testen.

Konklusjon

Avslutningsvis, for å designe et trygt batteri, i tillegg til valget av selve materialet, er den påfølgende strukturelle designen og funksjonell sikkerhetsdesign like viktig. Selv om forskjellige standarder har forskjellige krav til produkter, hvis sikkerheten til batteridesign fullt ut kan vurderes å oppfylle kravene til forskjellige markeder, kan ledetiden reduseres kraftig og produktet kan akselereres til markedet. I tillegg til å kombinere lover, forskrifter og standarder fra forskjellige land og regioner, er det også nødvendig å designe produkter basert på faktisk bruk av batterier i terminalprodukter.