Attualmente, la maggior parte degli incidenti legati alla sicurezza delle batterie agli ioni di litio si verificano a causa del guasto del circuito di protezione, che provoca una fuga termica della batteria e provoca incendi ed esplosioni. Pertanto, per garantire un utilizzo sicuro della batteria al litio, la progettazione del circuito di protezione è particolarmente importante e devono essere presi in considerazione tutti i tipi di fattori che causano il guasto della batteria al litio. Oltre al processo di produzione, i guasti sono fondamentalmente causati da cambiamenti nelle condizioni esterne estreme, come sovraccarico, scarica eccessiva e temperatura elevata. Se questi parametri vengono monitorati in tempo reale e vengono adottate misure protettive corrispondenti quando cambiano, è possibile evitare il verificarsi di instabilità termica. La progettazione della sicurezza della batteria al litio comprende diversi aspetti: selezione delle celle, progettazione strutturale e progettazione della sicurezza funzionale del BMS.

Selezione delle celle

Ci sono molti fattori che influenzano la sicurezza delle celle e la base è la scelta del materiale delle celle. A causa delle diverse proprietà chimiche, la sicurezza varia nei diversi materiali catodici della batteria al litio. Ad esempio, il fosfato di litio e ferro ha la forma di olivina, che è relativamente stabile e non facile da collassare. Il litio cobaltato e il litio ternario, tuttavia, sono strutture stratificate facili da collassare. Anche la scelta del separatore è molto importante, poiché le sue prestazioni sono direttamente correlate alla sicurezza della cella. Pertanto, nella scelta della cella, non devono essere presi in considerazione solo i rapporti di rilevamento, ma anche il processo di produzione del produttore, i materiali e i relativi parametri.

Progettazione della struttura

La progettazione della struttura della batteria considera principalmente i requisiti di isolamento e dissipazione del calore.

• I requisiti di isolamento riguardano generalmente i seguenti aspetti: Isolamento tra elettrodo positivo e negativo; Isolamento tra cella e involucro; Isolamento tra le alette polari e l'involucro; Spaziatura elettrica e distanza superficiale del PCB, progettazione del cablaggio interno, progettazione della messa a terra, ecc.
• La dissipazione del calore riguarda principalmente alcune grandi batterie di accumulo di energia o di trazione. A causa dell'elevata energia di queste batterie, il calore generato durante la carica e lo scaricamento è enorme. Se il calore non può essere dissipato in tempo, si accumulerà e causerà incidenti. Pertanto, è necessario tenere in considerazione la selezione e la progettazione dei materiali dell'involucro (dovrebbe avere determinati requisiti di resistenza meccanica e resistenza alla polvere e all'acqua), la scelta del sistema di raffreddamento e altro isolamento termico interno, dissipazione del calore e sistema antincendio.

Per la scelta e l'applicazione del sistema di raffreddamento della batteria fare riferimento al numero precedente.

Progettazione della sicurezza funzionale

Le proprietà fisiche e chimiche determinano che il materiale non può limitare la tensione di carica e scarica. Una volta che la tensione di carica e scarica supera l'intervallo nominale, causerà danni irreversibili alla batteria al litio. Pertanto, è necessario aggiungere il circuito di protezione per mantenere la tensione e la corrente della cella interna in uno stato normale quando la batteria al litio è in funzione. Per il BMS delle batterie sono necessarie le seguenti funzioni:

• Protezione da sovratensione di carica: il sovraccarico è uno dei motivi principali dell'instabilità termica. Dopo il sovraccarico, il materiale del catodo collasserà a causa dell'eccessivo rilascio di ioni di litio e anche sull'elettrodo negativo si verificherà una precipitazione di litio, che porta alla diminuzione della stabilità termica e all'aumento delle reazioni collaterali, che presentano un potenziale rischio di fuga termica. Pertanto, è particolarmente importante interrompere la corrente in tempo dopo che la carica ha raggiunto la tensione limite superiore della cella. Ciò richiede che il BMS abbia la funzione di protezione da sovratensione di carica, in modo che la tensione della cella sia sempre mantenuta entro il limite di funzionamento. Sarebbe meglio che la tensione di protezione non sia un valore compreso nell'intervallo e vari ampiamente, in quanto potrebbe causare la mancata interruzione della corrente da parte della batteria quando è completamente carica, con conseguente sovraccarico. La tensione di protezione del BMS è solitamente progettata per essere uguale o leggermente inferiore alla tensione superiore della cella.
• Protezione da sovracorrente: caricare una batteria con una corrente superiore al limite di carica o scarica può causare accumulo di calore. Quando il calore si accumula abbastanza da sciogliere il diaframma, può causare un cortocircuito interno. Pertanto è essenziale anche la ricarica tempestiva della protezione da sovracorrente. Dovremmo prestare attenzione che la protezione da sovracorrente non può essere superiore alla tolleranza della corrente della cella nel progetto.
• Protezione da scarica sotto tensione: una tensione troppo grande o troppo piccola danneggerà le prestazioni della batteria. Una scarica continua sotto tensione causerà la precipitazione del rame e il collasso dell'elettrodo negativo, quindi generalmente la batteria avrà una funzione di protezione da scarica sotto tensione.
• Protezione da sovracorrente di scarica: la maggior parte della carica e scarica del PCB avviene attraverso la stessa interfaccia, in questo caso la corrente di protezione di carica e scarica è coerente. Ma alcune batterie, in particolare le batterie per utensili elettrici, a ricarica rapida e altri tipi di batterie, necessitano di utilizzare una grande corrente di scarica o ricarica, la corrente non è costante in questo momento, quindi è meglio caricare e scaricare con un controllo a due loop.
• Protezione da cortocircuito: anche il cortocircuito della batteria è uno dei guasti più comuni. Alcune collisioni, usi impropri, schiacciamenti, punture, infiltrazioni d'acqua, ecc., possono facilmente provocare cortocircuiti. Un cortocircuito genererà immediatamente una grande corrente di scarica, con conseguente forte aumento della temperatura della batteria. Allo stesso tempo, dopo un cortocircuito esterno, nella cella si verificano solitamente una serie di reazioni elettrochimiche, che portano ad una serie di reazioni esotermiche. La protezione da cortocircuito è anche una sorta di protezione da sovracorrente. Ma la corrente di cortocircuito sarà infinita e anche il calore e i danni saranno infiniti, quindi la protezione deve essere molto sensibile e può essere attivata automaticamente. Le misure comuni di protezione da cortocircuito includono contattori, fusibili, mos, ecc.
• Protezione da surriscaldamento: la batteria è sensibile alla temperatura ambiente. Una temperatura troppo alta o troppo bassa ne influenzerà le prestazioni. Pertanto, è importante mantenere la batteria in funzione entro la temperatura limite. Il BMS dovrebbe avere una funzione di protezione della temperatura per arrestare la batteria quando la temperatura è troppo alta o troppo bassa. Può anche essere suddiviso in protezione della temperatura di carica e protezione della temperatura di scarico, ecc.
• Funzione di bilanciamento: nelle batterie per notebook e altre batterie multiserie si verifica un'incoerenza tra le celle a causa delle differenze nel processo di produzione. Ad esempio, la resistenza interna di alcune celle è maggiore di altre. Questa incoerenza peggiorerà gradualmente sotto l'influenza dell'ambiente esterno. Pertanto, è necessario disporre di una funzione di gestione dell'equilibrio per implementare l'equilibrio della cella. Esistono generalmente due tipi di equilibrio:

1.Bilanciamento passivo: utilizzare l'hardware, come un comparatore di tensione, quindi utilizzare la dissipazione del calore della resistenza per rilasciare la potenza in eccesso della batteria ad alta capacità. Ma il consumo energetico è elevato, la velocità di equalizzazione è lenta e l'efficienza è bassa.

2.Bilanciamento attivo: utilizzare condensatori per immagazzinare l'energia delle celle con tensione più elevata e rilasciarla alla cella con tensione inferiore. Tuttavia, quando la differenza di pressione tra celle adiacenti è piccola, il tempo di equalizzazione è lungo e la soglia della tensione di equalizzazione può essere impostata in modo più flessibile.

Convalida standard

Infine, se desideri che le tue batterie entrino con successo nel mercato nazionale o internazionale, devono anche soddisfare gli standard correlati per garantire la sicurezza delle batterie agli ioni di litio. Dalle celle alle batterie e i prodotti host dovrebbero soddisfare gli standard di test corrispondenti. Questo articolo si concentrerà sui requisiti domestici di protezione delle batterie per i prodotti IT elettronici.

GB31241-2022

Questo standard è per le batterie dei dispositivi elettronici portatili. Considera principalmente i parametri di lavoro sicuri del termine 5.2, i requisiti di sicurezza da 10.1 a 10.5 per PCM, i requisiti di sicurezza da 11.1 a 11.5 sul circuito di protezione del sistema (quando la batteria stessa è senza protezione), i requisiti di coerenza 12.1 e 12.2 e l'Appendice A (per i documenti) .

u Il termine 5.2 richiede che i parametri delle celle e della batteria debbano corrispondere, il che può essere inteso come i parametri di funzionamento della batteria non devono superare l'intervallo delle celle. Tuttavia, è necessario garantire che i parametri di protezione della batteria non superino l'intervallo delle celle? Esistono interpretazioni diverse, ma dal punto di vista della sicurezza della progettazione delle batterie, la risposta è sì. Ad esempio, la corrente di carica massima di una cella (o blocco di celle) è 3000 mA, la corrente di funzionamento massima della batteria non deve superare 3000 mA e la corrente di protezione della batteria dovrebbe anche garantire che la corrente nel processo di carica non superi 3000mA. Solo in questo modo possiamo proteggere ed evitare efficacemente i pericoli. Per la progettazione dei parametri di protezione, fare riferimento all'Appendice A. Considera la progettazione dei parametri di cella – batteria – host in uso, che è relativamente completa.

u Per le batterie dotate di circuito di protezione, è richiesto un test di sicurezza del circuito di protezione della batteria 10.1~10.5. Questo capitolo esamina principalmente la protezione da sovratensione di carica, la protezione da sovracorrente di carica, la protezione da sottotensione di scarica, la protezione da sovracorrente di scarica e la protezione da cortocircuito. Questi sono menzionati sopraProgettazione della sicurezza funzionalee i requisiti fondamentali. GB 31241 richiede il controllo per 500 volte.

u Se la batteria senza circuito di protezione è protetta dal caricabatterie o dal dispositivo terminale, il test di sicurezza del circuito di protezione del sistema 11.1~11.5 dovrà essere condotto con il dispositivo di protezione esterno. Vengono principalmente studiati il ​​controllo della tensione, della corrente e della temperatura della carica e della scarica. Vale la pena notare che, rispetto alle batterie con circuiti di protezione, le batterie senza circuiti di protezione possono fare affidamento solo sulla protezione delle apparecchiature durante l'uso effettivo. Il rischio è maggiore, quindi il funzionamento normale e le condizioni di guasto singolo verranno testate separatamente. Ciò impone al dispositivo finale di avere una doppia protezione; altrimenti non potrà superare il test del Capitolo 11.

u Infine, se in una batteria sono presenti più celle in serie, è necessario considerare il fenomeno della carica sbilanciata. È richiesto un test di conformità del capitolo 12. Qui vengono studiate principalmente le funzioni di bilanciamento e protezione della pressione differenziale del PCB. Questa funzione non è necessaria per le batterie a cella singola.

GB4943.1-2022

Questo standard è per i prodotti AV. Con il crescente utilizzo di prodotti elettronici alimentati a batteria, la nuova versione di GB 4943.1-2022 fornisce requisiti specifici per le batterie nell'Appendice M, valutando le apparecchiature con batterie e i relativi circuiti di protezione. Sulla base della valutazione del circuito di protezione della batteria sono stati aggiunti ulteriori requisiti di sicurezza per le apparecchiature contenenti batterie secondarie al litio.

u Il circuito di protezione della batteria al litio secondaria esamina principalmente il sovraccarico, il sovraccarico, la carica inversa, la protezione di sicurezza della carica (temperatura), la protezione da cortocircuito, ecc. Va notato che questi test richiedono tutti un singolo guasto nel circuito di protezione. Questo requisito non è menzionato nello standard della batteria GB 31241. Pertanto, nella progettazione della funzione di protezione della batteria, dobbiamo combinare i requisiti standard della batteria e dell'host. Se la batteria ha una sola protezione e nessun componente ridondante, oppure la batteria non ha un circuito di protezione e il circuito di protezione è fornito solo dall'host, l'host deve essere incluso per questa parte del test.

Conclusione

In conclusione, per progettare una batteria sicura, oltre alla scelta del materiale stesso, sono altrettanto importanti la successiva progettazione strutturale e la progettazione della sicurezza funzionale. Sebbene standard diversi abbiano requisiti diversi per i prodotti, se la sicurezza della progettazione della batteria può essere considerata pienamente in grado di soddisfare i requisiti dei diversi mercati, i tempi di consegna possono essere notevolmente ridotti e il prodotto può essere immesso sul mercato in tempi più rapidi. Oltre a combinare leggi, regolamenti e standard di diversi paesi e regioni, è anche necessario progettare prodotti basati sull'uso effettivo delle batterie nei prodotti terminali.