Pada masa ini, kebanyakan kemalangan keselamatan bateri litium-ion berlaku disebabkan oleh kegagalan litar perlindungan, yang menyebabkan bateri lari terma dan mengakibatkan kebakaran dan letupan. Oleh itu, untuk merealisasikan penggunaan bateri litium yang selamat, reka bentuk litar perlindungan adalah amat penting, dan semua jenis faktor yang menyebabkan kegagalan bateri litium harus diambil kira. Sebagai tambahan kepada proses pengeluaran, kegagalan pada asasnya disebabkan oleh perubahan dalam keadaan ekstrem luaran, seperti cas berlebihan, pelepasan berlebihan dan suhu tinggi. Jika parameter ini dipantau dalam masa nyata dan langkah perlindungan yang sepadan akan diambil apabila ia berubah, kejadian pelarian haba boleh dielakkan. Reka bentuk keselamatan bateri litium merangkumi beberapa aspek: pemilihan sel, reka bentuk struktur dan reka bentuk keselamatan berfungsi BMS.

Pemilihan sel

Terdapat banyak faktor yang mempengaruhi keselamatan sel di mana pilihan bahan sel adalah asas. Oleh kerana sifat kimia yang berbeza, keselamatan berbeza dalam bahan katod bateri litium yang berbeza. Sebagai contoh, fosfat besi litium berbentuk olivin, yang agak stabil dan tidak mudah runtuh. Litium kobaltat dan litium terner, bagaimanapun, adalah struktur berlapis yang mudah runtuh. Pemilihan pemisah juga sangat penting, kerana prestasinya berkaitan secara langsung dengan keselamatan sel. Oleh itu dalam pemilihan sel, bukan sahaja laporan pengesanan tetapi juga proses pengeluaran pengeluar, bahan dan parameternya hendaklah dipertimbangkan.

Reka bentuk struktur

Reka bentuk struktur bateri terutamanya mempertimbangkan keperluan penebat dan pelesapan haba.

• Keperluan penebat secara amnya melibatkan aspek berikut: Penebat antara elektrod positif dan negatif; Penebat antara sel dan kepungan; Penebat antara tab tiang dan kepungan; Jarak elektrik PCB dan jarak rayapan, reka bentuk pendawaian dalaman, reka bentuk pembumian, dsb.
• Pelesapan haba adalah terutamanya untuk beberapa simpanan tenaga besar atau bateri cengkaman. Disebabkan oleh tenaga tinggi bateri ini, haba yang dijana semasa mengecas dan menyahcas adalah besar. Jika haba tidak dapat dilesapkan dalam masa, haba akan terkumpul dan mengakibatkan kemalangan. Oleh itu, pemilihan dan reka bentuk bahan kepungan (Ia harus mempunyai kekuatan mekanikal tertentu dan keperluan kalis debu dan kalis air), pemilihan sistem penyejukan dan penebat haba dalaman yang lain, pelesapan haba dan sistem pemadam api harus diambil kira.

Untuk pemilihan dan penggunaan sistem penyejukan bateri, sila rujuk kepada pengeluaran sebelumnya.

Reka bentuk keselamatan berfungsi

Sifat fizikal dan kimia menentukan bahawa bahan tidak boleh mengehadkan voltan pengecasan dan nyahcas. Sebaik sahaja voltan pengecasan dan nyahcas melebihi julat terkadar, ia akan menyebabkan kerosakan tidak dapat dipulihkan pada bateri litium. Oleh itu, adalah perlu untuk menambah litar perlindungan untuk mengekalkan voltan dan arus sel dalaman dalam keadaan normal apabila bateri litium berfungsi. Untuk BMS bateri, fungsi berikut diperlukan:

• Mengecas lebih perlindungan voltan: cas berlebihan adalah salah satu sebab utama pelarian haba. Selepas cas berlebihan, bahan katod akan runtuh akibat pelepasan ion litium yang berlebihan, dan elektrod negatif juga akan mempunyai pemendakan litium berlaku, yang membawa kepada penurunan kestabilan terma dan peningkatan tindak balas sampingan, yang mempunyai potensi risiko pelarian haba. Oleh itu, adalah sangat penting untuk memotong arus dalam masa selepas pengecasan mencapai voltan had atas sel. Ini memerlukan BMS mempunyai fungsi mengecas perlindungan voltan, supaya voltan sel sentiasa berada dalam had kerja. Adalah lebih baik bahawa voltan perlindungan bukan nilai julat dan berbeza-beza secara meluas, kerana ia boleh menyebabkan bateri gagal memotong arus dalam masa apabila ia dicas penuh, mengakibatkan cas berlebihan. Voltan perlindungan BMS biasanya direka bentuk untuk sama atau lebih rendah sedikit daripada voltan atas sel.
• Mengecas lebih perlindungan semasa: Mengecas bateri dengan arus melebihi had cas atau nyahcas boleh menyebabkan pengumpulan haba. Apabila haba terkumpul cukup untuk mencairkan diafragma, ia boleh menyebabkan litar pintas dalaman. Oleh itu pengecasan tepat pada masanya ke atas perlindungan semasa juga penting. Kita harus memberi perhatian bahawa perlindungan lebih semasa tidak boleh lebih tinggi daripada toleransi arus sel dalam reka bentuk.
• Pelepasan di bawah perlindungan voltan: Voltan terlalu besar atau terlalu kecil akan merosakkan prestasi bateri. Pelepasan berterusan di bawah voltan akan menyebabkan kuprum memendakan dan elektrod negatif runtuh, jadi secara amnya bateri akan mempunyai nyahcas di bawah fungsi perlindungan voltan.
• Nyahcas ke atas perlindungan semasa: Kebanyakan cas dan nyahcas PCB melalui antara muka yang sama, dalam kes ini arus perlindungan cas dan nyahcas adalah konsisten. Tetapi sesetengah bateri, terutamanya bateri untuk alat elektrik, pengecasan pantas dan jenis bateri lain perlu menggunakan nyahcas atau pengecasan arus yang besar, arusnya tidak konsisten pada masa ini, jadi lebih baik untuk mengecas dan melepaskan dalam dua kawalan gelung.
• Perlindungan litar pintas: Litar pintas bateri juga merupakan salah satu kerosakan yang paling biasa. Beberapa perlanggaran, salah guna, picit, jarum, kemasukan air, dsb., adalah mudah untuk menyebabkan litar pintas. Litar pintas akan menjana arus nyahcas yang besar serta-merta, mengakibatkan peningkatan mendadak dalam suhu bateri. Pada masa yang sama, satu siri tindak balas elektrokimia biasanya berlaku di dalam sel selepas litar pintas luaran, yang membawa kepada satu siri tindak balas eksotermik. Perlindungan litar pintas juga merupakan sejenis perlindungan arus lebih. Tetapi arus litar pintas akan menjadi tidak terhingga, dan haba dan bahaya juga tidak terhingga, jadi perlindungan mestilah sangat sensitif dan boleh dicetuskan secara automatik. Langkah perlindungan litar pintas yang biasa termasuk penyentuh, fius, mos, dsb.
• Perlindungan lebih suhu: Bateri sensitif kepada suhu ambien. Suhu yang terlalu tinggi atau terlalu rendah akan menjejaskan prestasinya. Oleh itu, adalah penting untuk memastikan bateri beroperasi dalam suhu had. BMS harus mempunyai fungsi perlindungan suhu untuk menghentikan bateri apabila suhu terlalu tinggi atau terlalu rendah. Ia juga boleh dibahagikan kepada perlindungan suhu cas dan perlindungan suhu pelepasan, dsb.
• Fungsi pengimbangan: Untuk komputer riba dan bateri berbilang siri yang lain, terdapat ketidakkonsistenan antara sel disebabkan oleh perbezaan dalam proses pengeluaran. Sebagai contoh, beberapa sel rintangan dalaman lebih besar daripada yang lain. Ketidakkonsistenan ini secara beransur-ansur akan bertambah buruk di bawah pengaruh persekitaran luaran. Oleh itu, adalah perlu untuk mempunyai fungsi pengurusan keseimbangan untuk melaksanakan keseimbangan sel. Secara umumnya terdapat dua jenis keseimbangan:

1. Pengimbangan pasif: Gunakan perkakasan, seperti pembanding voltan, dan kemudian gunakan pelesapan haba rintangan untuk melepaskan kuasa berlebihan bateri berkapasiti tinggi. Tetapi penggunaan tenaga adalah besar, kelajuan penyamaan adalah perlahan, dan kecekapannya rendah.

2. Pengimbangan aktif: gunakan kapasitor untuk menyimpan kuasa sel dengan voltan yang lebih tinggi dan melepaskannya ke sel dengan voltan yang lebih rendah. Walau bagaimanapun, apabila perbezaan tekanan antara sel bersebelahan adalah kecil, masa penyamaan adalah panjang, dan ambang voltan penyamaan boleh ditetapkan dengan lebih fleksibel.

Pengesahan standard

Akhirnya, jika anda mahu bateri anda berjaya memasuki pasaran antarabangsa atau domestik, ia juga perlu memenuhi piawaian yang berkaitan untuk memastikan keselamatan bateri litium-ion. Daripada sel ke bateri dan produk hos harus memenuhi piawaian ujian yang sepadan. Artikel ini akan menumpukan pada keperluan perlindungan bateri domestik untuk produk IT elektronik.

GB 31241-2022

Piawaian ini adalah untuk bateri peranti elektronik mudah alih. Ia terutamanya mempertimbangkan parameter kerja selamat jangka 5.2, keperluan keselamatan 10.1 hingga 10.5 untuk PCM, 11.1 hingga 11.5 keperluan keselamatan pada litar perlindungan sistem (apabila bateri itu sendiri tanpa perlindungan), keperluan 12.1 dan 12.2 untuk konsistensi, dan Lampiran A (untuk dokumen) .

u Penggal 5.2 memerlukan parameter sel dan bateri hendaklah dipadankan, yang boleh difahami sebagai parameter kerja bateri tidak boleh melebihi julat sel. Walau bagaimanapun, adakah parameter perlindungan bateri perlu dipastikan bahawa parameter kerja bateri tidak melebihi julat sel? Terdapat pemahaman yang berbeza, tetapi dari perspektif keselamatan reka bentuk bateri, jawapannya adalah ya. Sebagai contoh, arus pengecasan maksimum sel (atau blok sel) ialah 3000mA, arus kerja maksimum bateri tidak boleh melebihi 3000mA, dan arus perlindungan bateri juga harus memastikan bahawa arus dalam proses pengecasan tidak boleh melebihi 3000mA. Hanya dengan cara ini kita boleh melindungi dan mengelakkan bahaya dengan berkesan. Untuk reka bentuk parameter perlindungan, sila rujuk Lampiran A. Ia mengambil kira reka bentuk parameter sel – bateri – hos yang digunakan, yang secara relatifnya menyeluruh.

u Untuk bateri dengan litar perlindungan, ujian keselamatan litar perlindungan bateri 10.1~10.5 diperlukan. Bab ini terutamanya menyiasat pengecasan ke atas perlindungan voltan, pengecasan ke atas perlindungan arus, nyahcas di bawah perlindungan voltan, nyahcas ke atas perlindungan arus dan perlindungan litar pintas. Ini disebutkan di atasReka Bentuk Keselamatan Berfungsidan keperluan asas. GB 31241 memerlukan pemeriksaan sebanyak 500 kali.

u Jika bateri tanpa litar perlindungan dilindungi oleh pengecas atau peranti hujungnya, ujian keselamatan litar perlindungan sistem 11.1~11.5 hendaklah dijalankan dengan peranti perlindungan luaran. Kawalan voltan, arus dan suhu bagi cas dan nyahcas disiasat terutamanya. Perlu diingat bahawa, berbanding dengan bateri dengan litar perlindungan, bateri tanpa litar perlindungan hanya boleh bergantung pada perlindungan peralatan dalam penggunaan sebenar. Risiko lebih tinggi, jadi operasi biasa dan keadaan kerosakan tunggal akan diuji secara berasingan. Ini memaksa peranti akhir mempunyai perlindungan dwi; jika tidak, ia tidak boleh lulus ujian dalam Bab 11.

u Akhir sekali, jika terdapat beberapa sel siri dalam bateri, anda perlu mempertimbangkan fenomena pengecasan tidak seimbang. Ujian pematuhan bab 12 diperlukan. Imbangan dan fungsi perlindungan tekanan pembezaan PCB disiasat terutamanya di sini. Fungsi ini tidak diperlukan untuk bateri sel tunggal.

GB 4943.1-2022

Piawaian ini adalah untuk produk AV. Dengan peningkatan penggunaan produk elektronik berkuasa bateri, versi baharu GB 4943.1-2022 memberikan keperluan khusus untuk bateri dalam Lampiran M, menilai peralatan dengan bateri dan litar perlindungannya. Berdasarkan penilaian litar perlindungan bateri, keperluan keselamatan tambahan untuk peralatan yang mengandungi bateri litium sekunder juga telah ditambah.

u Litar perlindungan bateri litium sekunder terutamanya menyiasat lebihan cas, lebihan nyahcas, mengecas terbalik, mengecas perlindungan keselamatan (suhu), perlindungan litar pintas, dsb. Perlu diingatkan bahawa semua ujian ini memerlukan satu kerosakan dalam litar perlindungan. Keperluan ini tidak disebut dalam standard bateri GB 31241. Jadi dalam reka bentuk fungsi perlindungan bateri, kita perlu menggabungkan keperluan standard bateri dan hos. Jika bateri hanya mempunyai satu perlindungan dan tiada komponen berlebihan, atau bateri tidak mempunyai litar perlindungan dan litar perlindungan hanya disediakan oleh hos, hos harus disertakan untuk bahagian ujian ini.

Kesimpulan

Kesimpulannya, untuk mereka bentuk bateri yang selamat, sebagai tambahan kepada pilihan bahan itu sendiri, reka bentuk struktur seterusnya dan reka bentuk keselamatan berfungsi adalah sama penting. Walaupun piawaian yang berbeza mempunyai keperluan yang berbeza untuk produk, jika keselamatan reka bentuk bateri boleh dipertimbangkan sepenuhnya untuk memenuhi keperluan pasaran yang berbeza, masa utama boleh dikurangkan dengan banyak dan produk boleh dipercepatkan ke pasaran. Selain menggabungkan undang-undang, peraturan dan piawaian negara dan wilayah yang berbeza, ia juga perlu untuk mereka bentuk produk berdasarkan penggunaan sebenar bateri dalam produk terminal.