Pašlaik lielākā daļa litija jonu akumulatoru drošības negadījumu notiek aizsardzības ķēdes atteices dēļ, kas izraisa akumulatora termisko skrējienu un izraisa ugunsgrēku un eksploziju. Tāpēc, lai realizētu litija akumulatora drošu lietošanu, īpaši svarīga ir aizsardzības ķēdes konstrukcija, un jāņem vērā visa veida faktori, kas izraisa litija akumulatora atteici. Papildus ražošanas procesam kļūmes galvenokārt izraisa ārējo ekstremālo apstākļu izmaiņas, piemēram, pārlādēšana, pārmērīga izlāde un augsta temperatūra. Ja šie parametri tiek uzraudzīti reāllaikā un tiem mainoties, tiks veikti atbilstoši aizsardzības pasākumi, var izvairīties no termiskās noplūdes. Litija akumulatora drošības dizains ietver vairākus aspektus: šūnu izvēli, konstrukcijas dizainu un BMS funkcionālās drošības dizainu.

Šūnu atlase

Šūnu drošību ietekmē daudzi faktori, kuru pamatā ir šūnu materiāla izvēle. Atšķirīgo ķīmisko īpašību dēļ drošība atšķiras dažādos litija bateriju katoda materiālos. Piemēram, litija dzelzs fosfātam ir olivīna forma, kas ir salīdzinoši stabils un nav viegli sabrukt. Litija kobalts un litija trīskomponents tomēr ir slāņaina struktūra, kas ir viegli sabrūk. Ļoti svarīga ir arī separatora izvēle, jo tā darbība ir tieši saistīta ar šūnas drošību. Tāpēc, izvēloties šūnu, jāņem vērā ne tikai noteikšanas protokoli, bet arī ražotāja ražošanas process, materiāli un to parametri.

Struktūras projektēšana

Akumulatora konstrukcijas dizains galvenokārt ņem vērā izolācijas un siltuma izkliedes prasības.

• Izolācijas prasības parasti ietver šādus aspektus: Izolācija starp pozitīvo un negatīvo elektrodu; Izolācija starp kameru un korpusu; Izolācija starp polu izciļņiem un korpusu; PCB elektriskās atstarpes un šļūdes attālums, iekšējā elektroinstalācijas dizains, zemējuma dizains utt.
• Siltuma izkliede galvenokārt ir paredzēta dažiem lieliem enerģijas uzkrāšanas vai vilces akumulatoriem. Pateicoties šo akumulatoru lielajai enerģijai, siltums, kas rodas, uzlādējot un izlādējot, ir milzīgs. Ja siltumu nevar laicīgi izkliedēt, siltums uzkrāsies un rezultātā notiek negadījumi. Tāpēc ir jāņem vērā korpusa materiālu izvēle un dizains (tam jābūt noteiktām mehāniskās izturības un putekļu un ūdensnecaurlaidības prasībām), dzesēšanas sistēmas un citas iekšējās siltumizolācijas, siltuma izkliedes un ugunsdzēšanas sistēmas izvēle.

Akumulatora dzesēšanas sistēmas izvēli un pielietojumu, lūdzu, skatiet iepriekšējā izdevumā.

Funkcionālās drošības dizains

Fizikālās un ķīmiskās īpašības nosaka, ka materiāls nevar ierobežot uzlādes un izlādes spriegumu. Kad uzlādes un izlādes spriegums pārsniedz nominālo diapazonu, tas litija akumulatoram radīs neatgriezeniskus bojājumus. Tāpēc ir nepieciešams pievienot aizsardzības ķēdi, lai uzturētu iekšējās šūnas spriegumu un strāvu normālā stāvoklī, kad litija akumulators darbojas. Akumulatoru BMS ir nepieciešamas šādas funkcijas:

• Uzlādes pārsprieguma aizsardzība: pārlādēšana ir viens no galvenajiem termiskās bēgšanas iemesliem. Pēc pārlādēšanas katoda materiāls sabruks pārmērīgas litija jonu izdalīšanās dēļ, un arī negatīvajā elektrodā notiks litija nogulsnes, kas noved pie termiskās stabilitātes samazināšanās un blakusreakciju palielināšanās, kurām ir potenciāls termiskās bēgšanas risks. Tāpēc īpaši svarīgi ir laikus atslēgt strāvu pēc tam, kad uzlāde sasniedz šūnas augšējo robežsprieguma robežu. Tas prasa, lai BMS būtu uzlādes pārsprieguma aizsardzības funkcija, lai šūnas spriegums vienmēr būtu darba robežās. Būtu labāk, ja aizsardzības spriegums nav diapazona vērtība un ir ļoti mainīgs, jo tas var izraisīt to, ka akumulators nevar savlaicīgi pārtraukt strāvu, kad tas ir pilnībā uzlādēts, kā rezultātā rodas pārslodze. BMS aizsardzības spriegums parasti ir tāds pats vai nedaudz zemāks par šūnas augšējo spriegumu.
• Uzlādes aizsardzība pret strāvu: akumulatora uzlāde ar strāvu, kas pārsniedz uzlādes vai izlādes ierobežojumu, var izraisīt siltuma uzkrāšanos. Ja siltums uzkrājas pietiekami, lai izkausētu diafragmu, tas var izraisīt iekšēju īssavienojumu. Tāpēc svarīga ir arī savlaicīga uzlāde, kas pārsniedz strāvas aizsardzību. Mums jāpievērš uzmanība tam, ka aizsardzība pret pārslodzi nevar būt augstāka par elementa strāvas pielaidi konstrukcijā.
• Izlāde zem sprieguma aizsardzības: pārāk liels vai pārāk mazs spriegums sabojās akumulatora veiktspēju. Nepārtraukta izlāde zem sprieguma izraisīs vara nogulsnēšanos un negatīvā elektroda sabrukšanu, tāpēc parasti akumulatoram būs izlāde zem sprieguma aizsardzības funkcijas.
• Aizsardzība pret izlādi pār strāvu: lielākā daļa PCB tiek uzlādēta un izlādēta caur to pašu interfeisu, šajā gadījumā uzlādes un izlādes aizsardzības strāva ir konsekventa. Bet dažiem akumulatoriem, īpaši elektrisko instrumentu akumulatoriem, ātrās uzlādes un cita veida akumulatoriem ir jāizmanto liela strāvas izlāde vai uzlāde, strāva pašlaik ir nekonsekventa, tāpēc vislabāk ir uzlādēt un izlādēt divu cilpu vadībā.
• Aizsardzība pret īssavienojumu: Akumulatora īssavienojums ir arī viens no visbiežāk sastopamajiem defektiem. Dažas sadursmes, nepareizas lietošanas, izspiešanas, adatas, ūdens iekļūšanas utt. var viegli izraisīt īssavienojumu. Īssavienojums nekavējoties radīs lielu izlādes strāvu, kā rezultātā strauji paaugstināsies akumulatora temperatūra. Tajā pašā laikā pēc ārējā īssavienojuma šūnā parasti notiek virkne elektroķīmisku reakciju, kas izraisa virkni eksotermisku reakciju. Aizsardzība pret īssavienojumu ir arī sava veida aizsardzība pret pārslodzi. Taču īssavienojuma strāva būs bezgalīga, un arī siltums un kaitējums ir bezgalīgi, tāpēc aizsardzībai jābūt ļoti jutīgai un to var automātiski iedarbināt. Parastie īssavienojuma aizsardzības pasākumi ietver kontaktorus, drošinātājus, mos utt.
• Aizsardzība pret pārkaršanu: akumulators ir jutīgs pret apkārtējās vides temperatūru. Pārāk augsta vai pārāk zema temperatūra ietekmēs tā veiktspēju. Tāpēc ir svarīgi, lai akumulators darbotos robežtemperatūras robežās. BMS ir jābūt temperatūras aizsardzības funkcijai, lai apturētu akumulatoru, ja temperatūra ir pārāk augsta vai pārāk zema. To pat var iedalīt uzlādes temperatūras aizsardzībā un izlādes temperatūras aizsardzībā utt.
• Balansēšanas funkcija: piezīmjdatoriem un citiem daudzsēriju akumulatoriem ražošanas procesa atšķirību dēļ pastāv nekonsekvence starp šūnām. Piemēram, dažu šūnu iekšējā pretestība ir lielāka nekā citām. Šī nekonsekvence pakāpeniski pasliktināsies ārējās vides ietekmē. Tāpēc, lai ieviestu šūnas līdzsvaru, ir nepieciešama līdzsvara pārvaldības funkcija. Parasti ir divu veidu līdzsvars:

1.Pasīvā balansēšana: izmantojiet aparatūru, piemēram, sprieguma salīdzinājumu, un pēc tam izmantojiet pretestības siltuma izkliedi, lai atbrīvotu lielas ietilpības akumulatora lieko jaudu. Bet enerģijas patēriņš ir liels, izlīdzināšanas ātrums ir lēns un efektivitāte ir zema.

2.Aktīvā balansēšana: izmantojiet kondensatorus, lai uzglabātu augstāka sprieguma elementu jaudu un atbrīvotu to šūnā ar zemāku spriegumu. Tomēr, ja spiediena starpība starp blakus esošajām šūnām ir maza, izlīdzināšanas laiks ir garš, un izlīdzināšanas sprieguma slieksni var iestatīt elastīgāk.

Standarta validācija

Visbeidzot, ja vēlaties, lai jūsu akumulatori veiksmīgi nonāk starptautiskajā vai vietējā tirgū, tiem ir jāatbilst arī saistītajiem standartiem, lai nodrošinātu litija jonu akumulatora drošību. No elementiem līdz baterijām un saimniekproduktiem jāatbilst atbilstošiem pārbaudes standartiem. Šajā rakstā galvenā uzmanība tiks pievērsta vietējām akumulatoru aizsardzības prasībām elektroniskajiem IT produktiem.

GB 31241-2022

Šis standarts ir paredzēts portatīvo elektronisko ierīču baterijām. Tajā galvenokārt tiek ņemti vērā 5.2. termina droši darba parametri, 10.1.–10.5. drošības prasības PCM, 11.1.–11.5. drošības prasības sistēmas aizsardzības ķēdei (ja pats akumulators ir bez aizsardzības), 12.1. un 12.2. konsekvences prasības un A pielikums (dokumentiem). .

u Termins 5.2 prasa elementu un akumulatora parametru saskaņošanu, ko var saprast tā, ka akumulatora darba parametri nedrīkst pārsniegt elementu diapazonu. Tomēr, vai akumulatora aizsardzības parametri ir jānodrošina, lai akumulatora darbības parametri nepārsniegtu šūnu diapazonu? Ir dažādas izpratnes, taču no akumulatora konstrukcijas drošības viedokļa atbilde ir pozitīva. Piemēram, šūnas (vai šūnu bloka) maksimālā uzlādes strāva ir 3000mA, akumulatora maksimālā darba strāva nedrīkst pārsniegt 3000mA, un akumulatora aizsardzības strāvai arī jānodrošina, lai strāva uzlādes procesā nepārsniegtu 3000mA. Tikai šādā veidā mēs varam efektīvi aizsargāt un izvairīties no apdraudējumiem. Aizsardzības parametru noformējumu skatiet A pielikumā. Tajā apskatīts izmantotā elementa – akumulatora – saimniekdatora parametru dizains, kas ir samērā visaptverošs.

u Akumulatoriem ar aizsardzības ķēdi ir jāveic 10,1–10,5 akumulatora aizsardzības ķēdes drošības pārbaude. Šajā nodaļā galvenokārt tiek pētīta aizsardzība pret uzlādi pārspriegumu, aizsardzība pret uzlādi pār strāvu, izlāde zem sprieguma, aizsardzība pret izlādes pārspriegumu un aizsardzība pret īssavienojumu. Tie ir minēti iepriekšFunkcionālās drošības dizainsun pamatprasības. GB 31241 ir jāpārbauda 500 reizes.

u Ja akumulators bez aizsardzības ķēdes ir aizsargāts ar lādētāju vai gala ierīci, 11,1–11,5 sistēmas aizsardzības ķēdes drošības pārbaude jāveic ar ārējo aizsargierīci. Galvenokārt tiek pētīta uzlādes un izlādes sprieguma, strāvas un temperatūras kontrole. Ir vērts atzīmēt, ka, salīdzinot ar akumulatoriem ar aizsardzības ķēdēm, akumulatori bez aizsardzības ķēdēm var paļauties tikai uz aprīkojuma aizsardzību faktiskā lietošanā. Risks ir lielāks, tāpēc parastā darbība un vienas kļūdas apstākļi tiks pārbaudīti atsevišķi. Tas liek gala ierīcei nodrošināt dubultu aizsardzību; pretējā gadījumā tas nevar izturēt 11. nodaļā minēto pārbaudi.

u Visbeidzot, ja akumulatorā ir vairākas sērijas šūnas, jāņem vērā nesabalansētas uzlādes parādība. Nepieciešama 12. nodaļas atbilstības pārbaude. Šeit galvenokārt tiek pētītas PCB līdzsvara un diferenciālā spiediena aizsardzības funkcijas. Šī funkcija nav nepieciešama vienšūnas akumulatoriem.

GB 4943.1-2022

Šis standarts ir paredzēts AV produktiem. Pieaugot ar baterijām darbināmu elektronisko izstrādājumu izmantošanai, jaunajā GB 4943.1-2022 versijā M pielikumā ir noteiktas īpašas prasības akumulatoriem, novērtējot aprīkojumu ar baterijām un to aizsardzības ķēdēm. Pamatojoties uz akumulatora aizsardzības ķēdes novērtējumu, ir pievienotas arī papildu drošības prasības iekārtām, kas satur sekundārās litija baterijas.

u Sekundārā litija akumulatora aizsardzības shēma galvenokārt pēta pārlādēšanu, pārmērīgu izlādi, reverso uzlādi, uzlādes drošības aizsardzību (temperatūra), aizsardzību pret īssavienojumu utt. Jāņem vērā, ka visos šajos testos ir nepieciešama viena aizsardzības ķēdes kļūda. Šī prasība nav minēta akumulatora standartā GB 31241. Tātad, izstrādājot akumulatora aizsardzības funkciju, mums ir jāapvieno standarta prasības akumulatoram un resursdatoram. Ja akumulatoram ir tikai viena aizsardzība un nav lieku komponentu vai akumulatoram nav aizsardzības ķēdes un aizsardzības ķēdi nodrošina tikai resursdators, šajā testa daļā ir jāiekļauj resursdators.

Secinājums

Noslēgumā jāsaka, ka, lai izstrādātu drošu akumulatoru, papildus paša materiāla izvēlei vienlīdz svarīgi ir arī turpmākais konstrukcijas projekts un funkcionālās drošības projekts. Lai gan dažādiem standartiem ir atšķirīgas prasības attiecībā uz izstrādājumiem, ja var pilnībā uzskatīt, ka akumulatora konstrukcijas drošība atbilst dažādu tirgu prasībām, sagatavošanās laiku var ievērojami samazināt un produktu var paātrināt tirgū. Papildus dažādu valstu un reģionu likumu, noteikumu un standartu apvienošanai ir nepieciešams arī izstrādāt produktus, pamatojoties uz faktisko akumulatoru izmantošanu gala produktos.