På nuværende tidspunkt opstår de fleste sikkerhedsulykker med lithium-ion-batterier på grund af svigt i beskyttelseskredsløbet, hvilket forårsager batteriets termiske løb og resulterer i brand og eksplosion. Derfor, for at realisere sikker brug af lithiumbatteri, er designet af beskyttelseskredsløbet særligt vigtigt, og alle slags faktorer, der forårsager svigt af lithiumbatteriet, bør tages i betragtning. Ud over produktionsprocessen skyldes fejl dybest set ændringer i de eksterne ekstreme forhold, såsom overopladning, overudladning og høj temperatur. Hvis disse parametre overvåges i realtid, og der vil blive truffet tilsvarende beskyttelsesforanstaltninger, når de ændrer sig, kan forekomsten af ​​termisk flugt undgås. Sikkerhedsdesignet af lithiumbatterier omfatter flere aspekter: cellevalg, strukturelt design og funktionelt sikkerhedsdesign af BMS.

Cellevalg

Der er mange faktorer, der påvirker cellesikkerheden, hvor valget af cellemateriale er grundlaget. På grund af forskellige kemiske egenskaber varierer sikkerheden i forskellige katodematerialer af lithiumbatterier. For eksempel er lithiumjernfosfat olivinformet, som er relativt stabilt og ikke let at kollapse. Lithium cobaltate og lithium ternært er imidlertid lagdelt struktur, der er let at kollapse. Valg af separator er også meget vigtigt, da dens ydeevne er direkte relateret til cellens sikkerhed. Ved valg af celle skal der derfor ikke kun tages hensyn til detektionsrapporter, men også fabrikantens produktionsproces, materialer og deres parametre.

Struktur design

Batteriets strukturdesign tager hovedsageligt hensyn til kravene til isolering og varmeafledning.

• Isoleringskrav involverer generelt følgende aspekter: Isolering mellem positiv og negativ elektrode; Isolering mellem celle og kabinet; Isolering mellem stangfanerne og kabinettet; PCB elektrisk afstand og krybeafstand, internt ledningsdesign, jordingsdesign osv.
• Varmeafledning er hovedsageligt til nogle store energilagrings- eller traktionsbatterier. På grund af disse batteriers høje energi er varmen, der genereres ved op- og afladning enorm. Hvis varmen ikke kan bortledes i tide, vil varmen akkumulere og resultere i ulykker. Derfor bør udvælgelse og design af kabinetmaterialer (Det skal have en vis mekanisk styrke og støvtæt og vandtæt krav), valget af kølesystem og anden intern termisk isolering, varmeafledning og brandslukningssystem tages i betragtning.

For valg og anvendelse af batterikølesystemet henvises til forrige udgave.

Funktionelt sikkerhedsdesign

De fysiske og kemiske egenskaber bestemmer, at materialet ikke kan begrænse lade- og afladningsspændingen. Når først opladnings- og afladningsspændingen overstiger det nominelle område, vil det forårsage irreversibel skade på lithiumbatteriet. Derfor er det nødvendigt at tilføje beskyttelseskredsløbet for at opretholde spændingen og strømmen af ​​den interne celle i en normal tilstand, når lithiumbatteriet fungerer. For BMS for batterier kræves følgende funktioner:

• Opladning over spændingsbeskyttelse: overopladning er en af ​​hovedårsagerne til termisk løbsk. Efter overopladning vil katodematerialet kollapse på grund af overdreven lithiumionfrigivelse, og den negative elektrode vil også få lithiumudfældning, hvilket fører til fald i termisk stabilitet og stigning i sidereaktioner, som har potentiel risiko for termisk løbe. Derfor er det særligt vigtigt at afbryde strømmen i tide, efter at opladningen når cellens øvre grænsespænding. Dette kræver, at BMS'et har den funktion at lade over spændingsbeskyttelse, således at cellens spænding altid holdes inden for arbejdsgrænsen. Det ville være bedre, at beskyttelsesspændingen ikke er en områdeværdi og varierer meget, da det kan forårsage, at batteriet ikke afbryder strømmen i tide, når det er fuldt opladet, hvilket resulterer i en overopladning. BMS'ets beskyttelsesspænding er normalt designet til at være den samme eller lidt lavere end cellens øvre spænding.
• Opladning over strømbeskyttelse: Opladning af et batteri med strøm mere end opladnings- eller afladningsgrænsen kan forårsage varmeakkumulering. Når varme akkumuleres nok til at smelte membranen, kan det forårsage en intern kortslutning. Derfor er rettidig opladning over strømbeskyttelse også afgørende. Vi skal være opmærksomme på, at overstrømsbeskyttelse ikke kan være højere end cellestrømtolerancen i designet.
• Afladning under spændingsbeskyttelse: For stor eller for lille spænding vil skade batteriets ydeevne. Kontinuerlig afladning under spænding vil få kobber til at udfælde og den negative elektrode til at kollapse, så generelt vil batteriet have afladning under spændingsbeskyttelsesfunktion.
• Beskyttelse mod afladning over strøm: Det meste af PCB'en oplades og aflades gennem den samme grænseflade, i dette tilfælde er opladnings- og afladningsbeskyttelsesstrømmen konsekvent. Men nogle batterier, især batterier til elektriske værktøjer, hurtig opladning og andre typer batterier skal bruge stor strømafladning eller opladning, strømmen er inkonsekvent på dette tidspunkt, så det er bedst at oplade og aflade i to sløjfekontrol.
• Kortslutningsbeskyttelse: Batterikortslutning er også en af ​​de mest almindelige fejl. Nogle kollision, misbrug, klem, nåldannelse, vandindtrængning osv. er lette at fremkalde kortslutning. En kortslutning vil straks generere en stor afladningsstrøm, hvilket resulterer i en kraftig stigning i batteritemperaturen. Samtidig foregår der normalt en række elektrokemiske reaktioner i cellen efter ekstern kortslutning, som fører til en række eksoterme reaktioner. Kortslutningsbeskyttelse er også en slags overstrømsbeskyttelse. Men kortslutningsstrømmen vil være uendelig, og varmen og skaden er også uendelig, så beskyttelsen skal være meget følsom og kan udløses automatisk. Almindelige kortslutningsbeskyttelsesforanstaltninger omfatter kontaktorer, sikringer, mos osv.
• Overtemperaturbeskyttelse: Batteriet er følsomt over for den omgivende temperatur. For høj eller for lav temperatur vil påvirke dens ydeevne. Derfor er det vigtigt at holde batteriet i drift inden for grænsetemperaturen. BMS'et bør have en temperaturbeskyttelsesfunktion for at stoppe batteriet, når temperaturen er for høj eller for lav. Det kan endda opdeles i ladetemperaturbeskyttelse og afgangstemperaturbeskyttelse osv.
• Balanceringsfunktion: For notebook- og andre batterier i flere serier er der uoverensstemmelse mellem cellerne på grund af forskellene i produktionsprocessen. For eksempel er nogle cellers indre modstand større end andre. Denne inkonsekvens vil gradvist blive værre under påvirkning af det ydre miljø. Derfor er det nødvendigt at have en balancestyringsfunktion for at implementere balancen i cellen. Der er generelt to slags ligevægt:

1.Passiv balancering: Brug hardware, såsom spændingskomparator, og brug derefter modstandsvarmeafledning til at frigive den overskydende strøm fra batteri med høj kapacitet. Men energiforbruget er stort, udligningshastigheden er langsom, og effektiviteten er lav.

2.Aktiv balancering: Brug kondensatorer til at lagre strøm fra cellerne med højere spænding og frigiver den til cellen med en lavere spænding. Men når trykforskellen mellem tilstødende celler er lille, er udligningstiden lang, og udligningsspændingstærsklen kan indstilles mere fleksibelt.

Standard validering

Til sidst, hvis du vil have dine batterier med succes ind på det internationale eller indenlandske marked, skal de også opfylde relaterede standarder for at sikre lithium-ion-batteriets sikkerhed. Fra celler til batterier og værtsprodukter bør opfylde tilsvarende teststandarder. Denne artikel vil fokusere på de indenlandske batteribeskyttelseskrav til elektroniske it-produkter.

GB 31241-2022

Denne standard er for batterier til bærbare elektroniske enheder. Den overvejer hovedsageligt term 5.2 sikker arbejdsparametre, 10.1 til 10.5 sikkerhedskrav til PCM, 11.1 til 11.5 sikkerhedskrav til systembeskyttelseskredsløb (når selve batteriet er uden beskyttelse), 12.1 og 12.2 krav til konsistens og appendiks A (for dokumenter) .

u Term 5.2 kræver af celle- og batteriparametre skal matches, hvilket kan forstås som at batteriets arbejdsparametre ikke bør overskride celleområdet. Men skal batteribeskyttelsesparametrene sikres, at batteridriftsparametrene ikke overstiger celleområdet? Der er forskellige forståelser, men ud fra et batteridesignsikkerhedsperspektiv er svaret ja. For eksempel er den maksimale ladestrøm for en celle (eller celleblok) 3000mA, batteriets maksimale arbejdsstrøm bør ikke overstige 3000mA, og batteriets beskyttelsesstrøm bør også sikre, at strømmen i opladningsprocessen ikke bør overstige 3000mA. Kun på denne måde kan vi effektivt beskytte og undgå farer. For design af beskyttelsesparametre henvises til bilag A. Det betragter parameterdesignet for celle – batteri – vært i brug, som er relativt omfattende.

u For batterier med et beskyttelseskredsløb kræves en 10,1~10,5 batteribeskyttelseskredsløbssikkerhedstest. Dette kapitel undersøger hovedsageligt opladning over spændingsbeskyttelse, opladning over strømbeskyttelse, afladning under spændingsbeskyttelse, afladning over strømbeskyttelse og kortslutningsbeskyttelse. Disse er nævnt i ovenståendeFunktionelt sikkerhedsdesignog de grundlæggende krav. GB 31241 kræver kontrol 500 gange.

u Hvis batteriet uden beskyttelseskredsløb er beskyttet af dets oplader eller endeanordning, skal sikkerhedstesten af ​​11.1~11.5 systembeskyttelseskredsløb udføres med den eksterne beskyttelsesenhed. Spændings-, strøm- og temperaturstyring af ladning og afladning undersøges hovedsageligt. Det er værd at bemærke, at sammenlignet med batterier med beskyttelseskredsløb kan batterier uden beskyttelseskredsløb kun stole på beskyttelsen af ​​udstyr i faktisk brug. Risikoen er højere, så normal drift og enkeltfejl vil blive testet separat. Dette tvinger slutenheden til at have dobbelt beskyttelse; ellers kan den ikke bestå testen i kapitel 11.

u Endelig, hvis der er flere serieceller i et batteri, skal du overveje fænomenet ubalanceret opladning. En overensstemmelsestest af kapitel 12 er påkrævet. PCB's balance- og differenstrykbeskyttelsesfunktioner undersøges hovedsageligt her. Denne funktion er ikke påkrævet for enkeltcellede batterier.

GB 4943.1-2022

Denne standard er for AV-produkter. Med den stigende brug af batteridrevne elektroniske produkter giver den nye version af GB 4943.1-2022 specifikke krav til batterier i appendiks M, der evaluerer udstyr med batterier og deres beskyttelseskredsløb. Baseret på evalueringen af ​​batteribeskyttelseskredsløbet er der også tilføjet yderligere sikkerhedskrav til udstyr, der indeholder sekundære lithiumbatterier.

u Det sekundære lithiumbatteribeskyttelseskredsløb undersøger hovedsageligt overopladning, overafladning, omvendt opladning, opladningssikkerhedsbeskyttelse (temperatur), kortslutningsbeskyttelse osv. Det skal bemærkes, at disse tests alle kræver en enkelt fejl i beskyttelseskredsløbet. Dette krav er ikke nævnt i batteristandarden GB 31241. Så i designet af batteribeskyttelsesfunktionen skal vi kombinere standardkravene til batteri og vært. Hvis batteriet kun har én beskyttelse og ingen redundante komponenter, eller batteriet ikke har noget beskyttelseskredsløb, og beskyttelseskredsløbet kun leveres af værten, skal værten inkluderes i denne del af testen.

Konklusion

Afslutningsvis, for at designe et sikkert batteri, ud over valget af selve materialet, er det efterfølgende strukturelle design og funktionelle sikkerhedsdesign lige vigtige. Selvom forskellige standarder har forskellige krav til produkter, hvis sikkerheden ved batteridesign fuldt ud kan anses for at opfylde kravene på forskellige markeder, kan gennemløbstiden reduceres betydeligt, og produktet kan accelereres til markedet. Ud over at kombinere love, regler og standarder i forskellige lande og regioner, er det også nødvendigt at designe produkter baseret på den faktiske brug af batterier i terminalprodukter.