Aktualisht, shumica e aksidenteve të sigurisë së baterive litium-jon ndodhin për shkak të dështimit të qarkut mbrojtës, i cili shkakton ikjen termike të baterisë dhe rezulton në zjarr dhe shpërthim. Prandaj, për të realizuar përdorimin e sigurt të baterisë së litiumit, dizajni i qarkut mbrojtës është veçanërisht i rëndësishëm dhe të gjithë llojet e faktorëve që shkaktojnë dështimin e baterisë së litiumit duhet të merren parasysh. Përveç procesit të prodhimit, dështimet shkaktohen kryesisht nga ndryshimet në kushtet e jashtme ekstreme, si mbingarkesa, shkarkimi i tepërt dhe temperatura e lartë. Nëse këto parametra monitorohen në kohë reale dhe do të merren masat përkatëse mbrojtëse kur ato ndryshojnë, shfaqja e ikjes termike mund të shmanget. Dizajni i sigurisë së baterisë së litiumit përfshin disa aspekte: përzgjedhjen e qelizave, dizajnin strukturor dhe dizajnin e sigurisë funksionale të BMS.

Zgjedhja e qelizave

Ka shumë faktorë që ndikojnë në sigurinë e qelizave në të cilat zgjedhja e materialit të qelizës është themeli. Për shkak të vetive të ndryshme kimike, siguria ndryshon në materiale të ndryshme katodike të baterisë së litiumit. Për shembull, fosfati i hekurit të litiumit është në formë olivini, i cili është relativisht i qëndrueshëm dhe nuk është i lehtë për t'u shembur. Sidoqoftë, kobaltati i litiumit dhe litiumi tresh, janë struktura me shtresa që është e lehtë për t'u shembur. Zgjedhja e ndarësit është gjithashtu shumë e rëndësishme, pasi performanca e tij lidhet drejtpërdrejt me sigurinë e qelizës. Prandaj, në zgjedhjen e qelizës, duhet të merren parasysh jo vetëm raportet e zbulimit, por edhe procesi i prodhimit të prodhuesit, materialet dhe parametrat e tyre.

Projektimi i strukturës

Dizajni i strukturës së baterisë kryesisht merr parasysh kërkesat e izolimit dhe shpërndarjes së nxehtësisë.

• Kërkesat për izolim në përgjithësi përfshijnë aspektet e mëposhtme: Izolimi ndërmjet elektrodës pozitive dhe negative; Izolimi midis qelisë dhe mbylljes; Izolimi midis foleve të shtyllave dhe mbylljes; Hapësira elektrike e PCB dhe distanca e zvarritjes, dizajni i instalimeve elektrike të brendshme, dizajni i tokëzimit, etj.
• Shpërndarja e nxehtësisë është kryesisht për disa bateri të mëdha të ruajtjes së energjisë ose tërheqëse. Për shkak të energjisë së lartë të këtyre baterive, nxehtësia e gjeneruar gjatë karikimit dhe shkarkimit është e madhe. Nëse nxehtësia nuk mund të shpërndahet në kohë, nxehtësia do të grumbullohet dhe do të rezultojë në aksidente. Prandaj, zgjedhja dhe projektimi i materialeve të mbylljes (Duhet të ketë kërkesa të caktuara mekanike dhe rezistente ndaj pluhurit dhe ujit), zgjedhja e sistemit të ftohjes dhe izolimit të brendshëm termik, shpërndarjes së nxehtësisë dhe sistemit të shuarjes së zjarrit duhet të merren parasysh të gjitha.

Për zgjedhjen dhe aplikimin e sistemit të ftohjes së baterisë, ju lutemi referojuni botimit të mëparshëm.

Dizajni funksional i sigurisë

Vetitë fizike dhe kimike përcaktojnë që materiali nuk mund të kufizojë tensionin e ngarkimit dhe shkarkimit. Sapo voltazhi i karikimit dhe shkarkimit të kalojë intervalin e vlerësuar, do të shkaktojë dëme të pakthyeshme në baterinë e litiumit. Prandaj, është e nevojshme të shtoni qarkun mbrojtës për të ruajtur tensionin dhe rrymën e qelizës së brendshme në një gjendje normale kur bateria e litiumit është duke punuar. Për BMS të baterive, kërkohen funksionet e mëposhtme:

• Mbrojtja nga karikimi mbi tension: mbingarkesa është një nga arsyet kryesore të largimit termik. Pas mbingarkesës, materiali i katodës do të shembet për shkak të lëshimit të tepërt të joneve të litiumit, dhe elektroda negative do të ketë gjithashtu reshje të litiumit, gjë që çon në uljen e qëndrueshmërisë termike dhe rritjen e reaksioneve anësore, të cilat kanë rrezik potencial për largim termik. Prandaj, është veçanërisht e rëndësishme të ndërpritet rryma në kohë pasi karikimi të arrijë tensionin kufitar të sipërm të qelizës. Kjo kërkon që BMS të ketë funksionin e mbrojtjes së ngarkimit mbi tension, në mënyrë që tensioni i qelizës të mbahet gjithmonë brenda kufirit të punës. Do të ishte më mirë që voltazhi i mbrojtjes të mos jetë një vlerë intervali dhe të ndryshojë shumë, pasi mund të shkaktojë që bateria të mos ndërpresë rrymën në kohën kur është plotësisht e ngarkuar, duke rezultuar në një mbingarkesë. Tensioni mbrojtës i BMS zakonisht është projektuar të jetë i njëjtë ose pak më i ulët se tensioni i sipërm i qelizës.
• Ngarkimi mbi mbrojtjen e rrymës: Ngarkimi i një baterie me rrymë më të madhe se kufiri i ngarkimit ose shkarkimit mund të shkaktojë akumulim të nxehtësisë. Kur nxehtësia grumbullohet mjaftueshëm për të shkrirë diafragmën, mund të shkaktojë një qark të shkurtër të brendshëm. Prandaj, ngarkimi në kohë mbi mbrojtjen aktuale është gjithashtu thelbësor. Duhet t'i kushtojmë vëmendje që mbrojtja mbi rrymë nuk mund të jetë më e lartë se toleranca e rrymës së qelizës në dizajn.
• Shkarkimi nën mbrojtjen e tensionit: Tensioni shumë i madh ose shumë i vogël do të dëmtojë performancën e baterisë. Shkarkimi i vazhdueshëm nën tension do të bëjë që bakri të precipitojë dhe elektroda negative të shembet, kështu që përgjithësisht bateria do të ketë shkarkim nën funksionin e mbrojtjes së tensionit.
• Shkarkimi mbi mbrojtjen e rrymës: Pjesa më e madhe e karikimit dhe shkarkimit të PCB-së përmes të njëjtës ndërfaqe, në këtë rast rryma e mbrojtjes së ngarkimit dhe shkarkimit është e qëndrueshme. Por disa bateri, veçanërisht bateritë për veglat elektrike, karikimin e shpejtë dhe llojet e tjera të baterive duhet të përdorin shkarkim ose karikim të madh të rrymës, rryma është e paqëndrueshme në këtë kohë, kështu që është më mirë të karikoni dhe shkarkoni në kontroll me dy unaza.
• Mbrojtja nga qarku i shkurtër: Qarku i shkurtër i baterisë është gjithashtu një nga defektet më të zakonshme. Disa përplasje, keqpërdorime, shtrydhje, gjilpëra, hyrje uji, etj., janë të lehta për t'u shkaktuar qark të shkurtër. Një qark i shkurtër do të gjenerojë menjëherë një rrymë të madhe shkarkimi, duke rezultuar në një rritje të mprehtë të temperaturës së baterisë. Në të njëjtën kohë, një sërë reaksionesh elektrokimike zakonisht ndodhin në qelizë pas një qarku të shkurtër të jashtëm, i cili çon në një sërë reaksionesh ekzotermike. Mbrojtja e qarkut të shkurtër është gjithashtu një lloj mbrojtjeje mbi rrymën. Por rryma e qarkut të shkurtër do të jetë e pafundme, dhe nxehtësia dhe dëmi janë gjithashtu të pafundme, kështu që mbrojtja duhet të jetë shumë e ndjeshme dhe mund të aktivizohet automatikisht. Masat e zakonshme të mbrojtjes së qarkut të shkurtër përfshijnë kontaktorët, siguresat, mos, etj.
• Mbrojtja ndaj temperaturës: Bateria është e ndjeshme ndaj temperaturës së ambientit. Temperatura shumë e lartë ose shumë e ulët do të ndikojë në performancën e tij. Prandaj, është e rëndësishme që bateria të funksionojë brenda temperaturës kufitare. BMS duhet të ketë një funksion të mbrojtjes së temperaturës për të ndaluar baterinë kur temperatura është shumë e lartë ose shumë e ulët. Madje mund të ndahet në mbrojtjen e temperaturës së ngarkimit dhe mbrojtjen e temperaturës së shkarkimit, etj.
• Funksioni balancues: Për laptopët dhe bateritë e tjera me shumë seri, ka mospërputhje midis qelizave për shkak të dallimeve në procesin e prodhimit. Për shembull, rezistenca e brendshme e disa qelizave është më e madhe se të tjerat. Kjo mospërputhje gradualisht do të përkeqësohet nën ndikimin e mjedisit të jashtëm. Prandaj, është e nevojshme të kemi një funksion të menaxhimit të bilancit për të zbatuar ekuilibrin e qelizës. Në përgjithësi ekzistojnë dy lloje të ekuilibrit:

1. Balancimi pasiv: Përdorni pajisje, të tilla si krahasuesin e tensionit, dhe më pas përdorni shpërndarjen e nxehtësisë së rezistencës për të çliruar fuqinë e tepërt të baterisë me kapacitet të lartë. Por konsumi i energjisë është i madh, shpejtësia e barazimit është e ngadaltë dhe efikasiteti është i ulët.

2. Balancimi aktiv: përdorni kondensatorë për të ruajtur fuqinë e qelizave me tension më të lartë dhe e lëshon atë në qelizën me një tension më të ulët. Megjithatë, kur diferenca e presionit midis qelizave ngjitur është e vogël, koha e barazimit është e gjatë dhe pragu i tensionit të barazimit mund të vendoset në mënyrë më fleksibël.

Vleresimi standard

Më në fund, nëse dëshironi që bateritë tuaja të hyjnë me sukses në tregun ndërkombëtar ose vendas, ato gjithashtu duhet të plotësojnë standardet përkatëse për të garantuar sigurinë e baterisë litium-jon. Nga qelizat te bateritë dhe produktet pritëse duhet të plotësojnë standardet përkatëse të testimit. Ky artikull do të fokusohet në kërkesat e mbrojtjes së baterive shtëpiake për produktet elektronike të IT.

GB 31241-2022

Ky standard është për bateritë e pajisjeve elektronike portative. Kryesisht merr në konsideratë parametrat e punës së sigurt të termit 5.2, kërkesat e sigurisë nga 10.1 deri në 10.5 për PCM, nga 11.1 deri në 11.5 kërkesat e sigurisë në qarkun e mbrojtjes së sistemit (kur vetë bateria është pa mbrojtje), kërkesat 12.1 dhe 12.2 për qëndrueshmëri dhe Shtojca A (për dokumentet) .

u Termi 5.2 i kërkesave për qelizën dhe parametrat e baterisë duhet të përputhen, gjë që mund të kuptohet pasi parametrat e punës së baterisë nuk duhet të kalojnë gamën e qelizave. Megjithatë, a duhet të sigurohen parametrat e mbrojtjes së baterisë që parametrat e funksionimit të baterisë të mos kalojnë diapazonin e qelizave? Ka kuptime të ndryshme, por nga këndvështrimi i sigurisë së dizajnit të baterisë, përgjigja është po. Për shembull, rryma maksimale e karikimit të një qelize (ose blloku celular) është 3000 mA, rryma maksimale e punës e baterisë nuk duhet të kalojë 3000 mA dhe rryma mbrojtëse e baterisë duhet gjithashtu të sigurojë që rryma në procesin e karikimit nuk duhet të kalojë 3000 mA. Vetëm në këtë mënyrë mund të mbrojmë dhe shmangim në mënyrë efektive rreziqet. Për hartimin e parametrave të mbrojtjes, ju lutemi referojuni Shtojcës A. Ai merr në konsideratë modelin e parametrave të celularit – baterisë – pritës në përdorim, i cili është relativisht gjithëpërfshirës.

u Për bateritë me qark mbrojtës, kërkohet një test sigurie i qarkut të mbrojtjes së baterisë 10,1~10,5. Ky kapitull hulumton kryesisht mbrojtjen e ngarkimit mbi tension, mbrojtjen e ngarkimit mbi rrymën, shkarkimin nën mbrojtjen e tensionit, mbrojtjen e shkarkimit mbi rrymë dhe mbrojtjen e qarkut të shkurtër. Këto janë përmendur në sa më sipërDizajni i Sigurisë Funksionaledhe kërkesat themelore. GB 31241 kërkon kontroll 500 herë.

u Nëse bateria pa qark mbrojtës mbrohet nga karikuesi ose pajisja fundore e saj, testi i sigurisë i qarkut të mbrojtjes së sistemit 11.1~11.5 duhet të kryhet me pajisjen mbrojtëse të jashtme. Kryesisht janë hetuar kontrolli i tensionit, rrymës dhe temperaturës së ngarkesës dhe shkarkimit. Vlen të përmendet se, krahasuar me bateritë me qarqe mbrojtëse, bateritë pa qarqe mbrojtëse mund të mbështeten vetëm në mbrojtjen e pajisjeve në përdorim aktual. Rreziku është më i lartë, kështu që funksionimi normal dhe kushtet e një defekti të vetëm do të testohen veçmas. Kjo e detyron pajisjen fundore të ketë mbrojtje të dyfishtë; përndryshe nuk mund ta kalojë testin në kapitullin 11.

u Së fundi, nëse ka disa qeliza të serive në një bateri, duhet të merrni parasysh fenomenin e karikimit të pabalancuar. Kërkohet një test konformiteti i kapitullit 12. Funksionet e mbrojtjes së ekuilibrit dhe presionit diferencial të PCB-së janë hetuar kryesisht këtu. Ky funksion nuk kërkohet për bateritë me një qelizë.

GB 4943.1-2022

Ky standard është për produktet AV. Me përdorimin në rritje të produkteve elektronike me bateri, versioni i ri i GB 4943.1-2022 jep kërkesa specifike për bateritë në Shtojcën M, duke vlerësuar pajisjet me bateri dhe qarqet e tyre mbrojtëse. Bazuar në vlerësimin e qarkut të mbrojtjes së baterisë, janë shtuar gjithashtu kërkesa shtesë të sigurisë për pajisjet që përmbajnë bateri dytësore litium.

u Qarku dytësor i mbrojtjes së baterisë së litiumit heton kryesisht mbingarkimin, mbi-shkarkimin, karikimin e kundërt, mbrojtjen e sigurisë së karikimit (temperaturën), mbrojtjen nga qarku i shkurtër, etj. Duhet të theksohet se të gjitha këto teste kërkojnë një defekt të vetëm në qarkun e mbrojtjes. Kjo kërkesë nuk përmendet në standardin e baterisë GB 31241. Pra, në hartimin e funksionit të mbrojtjes së baterisë, ne duhet të kombinojmë kërkesat standarde të baterisë dhe hostit. Nëse bateria ka vetëm një mbrojtje dhe nuk ka përbërës të tepërt, ose bateria nuk ka qark mbrojtës dhe qarku i mbrojtjes sigurohet vetëm nga pritësi, pritësi duhet të përfshihet për këtë pjesë të provës.

konkluzioni

Si përfundim, për të dizajnuar një bateri të sigurt, përveç zgjedhjes së vetë materialit, dizajni i mëpasshëm strukturor dhe dizajni i sigurisë funksionale janë po aq të rëndësishme. Megjithëse standarde të ndryshme kanë kërkesa të ndryshme për produktet, nëse siguria e dizajnit të baterisë mund të konsiderohet plotësisht për të përmbushur kërkesat e tregjeve të ndryshme, koha e prodhimit mund të reduktohet shumë dhe produkti mund të përshpejtohet në treg. Përveç kombinimit të ligjeve, rregulloreve dhe standardeve të vendeve dhe rajoneve të ndryshme, është gjithashtu e nevojshme të dizajnohen produkte bazuar në përdorimin aktual të baterive në produktet terminale.