För närvarande inträffar de flesta av säkerhetsolyckorna med litiumjonbatterier på grund av fel i skyddskretsen, vilket orsakar att batteriet löper termiskt och resulterar i brand och explosion. Därför, för att förverkliga en säker användning av litiumbatteri, är utformningen av skyddskretsen särskilt viktig, och alla typer av faktorer som orsakar fel på litiumbatteriet bör beaktas. Förutom produktionsprocessen, orsakas fel i grunden av förändringar i de yttre extrema förhållandena, såsom överladdning, överladdning och hög temperatur. Om dessa parametrar övervakas i realtid och motsvarande skyddsåtgärder kommer att vidtas när de ändras, kan uppkomsten av termisk rusning undvikas. Säkerhetsdesignen för litiumbatterier inkluderar flera aspekter: cellval, strukturell design och funktionell säkerhetsdesign av BMS.

Cellval

Det finns många faktorer som påverkar cellsäkerheten där valet av cellmaterial är grunden. På grund av olika kemiska egenskaper varierar säkerheten i olika katodmaterial i litiumbatterier. Till exempel är litiumjärnfosfat olivinformat, vilket är relativt stabilt och inte lätt att kollapsa. Litiumkoboltat och litiumternärt är dock skiktad struktur som är lätt att kollapsa. Separatorval är också mycket viktigt, eftersom dess prestanda är direkt relaterad till cellens säkerhet. Vid val av cell ska därför inte bara detekteringsrapporter utan även tillverkarens produktionsprocess, material och deras parametrar beaktas.

Strukturdesign

Batteriets strukturkonstruktion tar främst hänsyn till kraven på isolering och värmeavledning.

• Isoleringskrav innefattar i allmänhet följande aspekter: Isolering mellan positiv och negativ elektrod; Isolering mellan cell och hölje; Isolering mellan stolpflikarna och höljet; PCB elektriskt avstånd och krypavstånd, intern ledningsdesign, jordningsdesign, etc.
• Värmeavledning är främst för vissa stora energilagrings- eller dragbatterier. På grund av den höga energin hos dessa batterier är värmen som genereras vid laddning och urladdning enorm. Om värmen inte kan avledas i tid kommer värmen att ackumuleras och resultera i olyckor. Därför bör valet och utformningen av höljesmaterial (Det bör ha viss mekanisk styrka och dammtäta och vattentäta krav), valet av kylsystem och annan inre värmeisolering, värmeavledning och brandsläckningssystem alla tas i beaktande.

För val och tillämpning av batterikylsystemet, se föregående utgåva.

Funktionell säkerhetsdesign

De fysikaliska och kemiska egenskaperna avgör att materialet inte kan begränsa laddnings- och urladdningsspänningen. När laddnings- och urladdningsspänningen överstiger det nominella intervallet kommer det att orsaka oåterkalleliga skador på litiumbatteriet. Därför är det nödvändigt att lägga till skyddskretsen för att hålla den interna cellens spänning och ström i normalt tillstånd när litiumbatteriet fungerar. För BMS för batterier krävs följande funktioner:

• Laddning över spänningsskydd: överladdning är en av huvudorsakerna till termisk rusning. Efter överladdning kommer katodmaterialet att kollapsa på grund av överdriven frisättning av litiumjoner, och den negativa elektroden kommer också att få litiumutfällning, vilket leder till minskning av termisk stabilitet och ökning av sidoreaktioner, som har potentiell risk för termisk rinnande. Därför är det särskilt viktigt att bryta strömmen i tid efter att laddningen når cellens övre gränsspänning. Detta kräver att BMS har funktionen att ladda över spänningsskydd, så att cellens spänning alltid hålls inom arbetsgränsen. Det skulle vara bättre att skyddsspänningen inte är ett områdesvärde och varierar kraftigt, eftersom det kan göra att batteriet misslyckas med att bryta strömmen i tid när det är fulladdat, vilket resulterar i en överladdning. Skyddsspänningen för BMS är vanligtvis utformad för att vara densamma eller något lägre än cellens övre spänning.
• Laddning över strömskydd: Att ladda ett batteri med mer ström än laddnings- eller urladdningsgränsen kan orsaka värmeackumulering. När värme ackumuleras tillräckligt för att smälta membranet kan det orsaka en intern kortslutning. Därför är det också viktigt att ladda över strömskyddet i tid. Vi bör vara uppmärksamma på att överströmsskyddet inte kan vara högre än cellströmstoleransen i designen.
• Urladdning under spänningsskydd: För hög eller för liten spänning kommer att skada batteriets prestanda. Kontinuerlig urladdning under spänning gör att kopparn fälls ut och den negativa elektroden kollapsar, så i allmänhet kommer batteriet att ha urladdning under spänningsskyddsfunktion.
• Urladdningsöverströmsskydd: Det mesta av PCB laddas och laddas ur genom samma gränssnitt, i detta fall är laddnings- och urladdningsskyddsströmmen konsekvent. Men vissa batterier, särskilt batterier för elverktyg, snabbladdning och andra typer av batterier behöver använda stor strömurladdning eller laddning, strömmen är inkonsekvent vid denna tidpunkt, så det är bäst att ladda och ladda ur i tvåslingor.
• Kortslutningsskydd: Batterikortslutning är också ett av de vanligaste felen. Viss kollision, felaktig användning, klämning, nåling, vatteninträngning etc. är lätt att orsaka kortslutning. En kortslutning kommer omedelbart att generera en stor urladdningsström, vilket resulterar i en kraftig ökning av batteritemperaturen. Samtidigt sker vanligtvis en serie elektrokemiska reaktioner i cellen efter extern kortslutning, vilket leder till en rad exoterma reaktioner. Kortslutningsskydd är också ett slags överströmsskydd. Men kortslutningsströmmen kommer att vara oändlig, och värmen och skadan är också oändlig, så skyddet måste vara mycket känsligt och kan utlösas automatiskt. Vanliga kortslutningsskyddsåtgärder inkluderar kontaktorer, säkringar, mos, etc.
• Övertemperaturskydd: Batteriet är känsligt för omgivningstemperaturen. För hög eller för låg temperatur påverkar dess prestanda. Därför är det viktigt att hålla batteriet i drift inom gränstemperaturen. BMS bör ha en temperaturskyddsfunktion för att stoppa batteriet när temperaturen är för hög eller för låg. Det kan till och med delas in i laddningstemperaturskydd och urladdningstemperaturskydd etc.
• Balanseringsfunktion: För notebook- och andra batterier i flera serier finns det inkonsekvens mellan cellerna på grund av skillnaderna i produktionsprocessen. Till exempel är vissa cellers inre motstånd större än andra. Denna inkonsekvens kommer gradvis att förvärras under påverkan av yttre miljö. Därför är det nödvändigt att ha en balanshanteringsfunktion för att implementera balansen i cellen. Det finns i allmänhet två typer av jämvikt:

1.Passiv balansering: Använd hårdvara, såsom spänningskomparator, och använd sedan motståndsvärmeavledning för att frigöra överskottseffekten från ett batteri med hög kapacitet. Men energiförbrukningen är stor, utjämningshastigheten är långsam och effektiviteten är låg.

2.Aktiv balansering: använd kondensatorer för att lagra kraften hos cellerna med högre spänning och släpper den till cellen med en lägre spänning. Men när tryckskillnaden mellan intilliggande celler är liten är utjämningstiden lång och utjämningsspänningströskeln kan ställas in mer flexibelt.

Standard validering

Äntligen, om du vill att dina batterier ska lyckas komma in på den internationella eller inhemska marknaden, måste de också uppfylla relaterade standarder för att säkerställa litiumjonbatteriets säkerhet. Från celler till batterier och värdprodukter bör uppfylla motsvarande teststandarder. Den här artikeln kommer att fokusera på de inhemska batteriskyddskraven för elektroniska IT-produkter.

GB 31241-2022

Denna standard gäller batterier till bärbara elektroniska enheter. Den överväger huvudsakligen term 5.2 säkerhetsparametrar, 10.1 till 10.5 säkerhetskrav för PCM, 11.1 till 11.5 säkerhetskrav på systemskyddskrets (när själva batteriet är utan skydd), 12.1 och 12.2 krav på konsistens och bilaga A (för dokument) .

u Term 5.2 kräver av cell- och batteriparametrar bör matchas, vilket kan förstås som att batteriets arbetsparametrar inte bör överskrida cellområdet. Behöver dock batteriskyddsparametrar säkerställas att batteriets arbetsparametrar inte överskrider cellområdet? Det finns olika uppfattningar, men ur perspektivet av batteridesignsäkerhet är svaret ja. Till exempel är den maximala laddningsströmmen för en cell (eller cellblock) 3000mA, den maximala arbetsströmmen för batteriet bör inte överstiga 3000mA, och batteriets skyddsström bör också säkerställa att strömmen i laddningsprocessen inte bör överstiga 3000mA. Endast på detta sätt kan vi effektivt skydda och undvika faror. För design av skyddsparametrar, se bilaga A. Den tar hänsyn till parameterdesignen för cell – batteri – värd som används, vilket är relativt omfattande.

u För batterier med en skyddskrets krävs ett 10,1~10,5 batteriskyddskretssäkerhetstest. Detta kapitel undersöker främst laddning över spänningsskydd, laddning över strömskydd, urladdning under spänningsskydd, urladdning över strömskydd och kortslutningsskydd. Dessa nämns ovanFunktionell säkerhetsdesignoch de grundläggande kraven. GB 31241 kräver kontroll 500 gånger.

u Om batteriet utan skyddskrets skyddas av sin laddare eller slutenhet, ska säkerhetstestet av 11.1~11.5 systemskyddskrets utföras med den externa skyddsanordningen. Huvudsakligen undersöks spännings-, ström- och temperaturreglering av laddning och urladdning. Det är värt att notera att, jämfört med batterier med skyddskretsar, kan batterier utan skyddskretsar endast förlita sig på skyddet av utrustning vid faktisk användning. Risken är högre, så normal drift och enstaka fel kommer att testas separat. Detta tvingar slutanordningen att ha dubbelt skydd; annars kan den inte klara provet i 11 kap.

u Slutligen, om det finns flera serieceller i ett batteri, måste du överväga fenomenet med obalanserad laddning. Ett överensstämmelsetest enligt kapitel 12 krävs. Här undersöks huvudsakligen balans- och differenstryckskyddsfunktionerna hos PCB. Denna funktion krävs inte för encellsbatterier.

GB 4943.1-2022

Denna standard är för AV-produkter. Med den ökande användningen av batteridrivna elektroniska produkter ger den nya versionen av GB 4943.1-2022 specifika krav för batterier i Appendix M, utvärderar utrustning med batterier och deras skyddskretsar. Baserat på utvärderingen av batteriskyddskretsen har ytterligare säkerhetskrav för utrustning som innehåller sekundära litiumbatterier också lagts till.

u Den sekundära litiumbatteriskyddskretsen undersöker främst överladdning, överurladdning, omvänd laddning, laddningssäkerhetsskydd (temperatur), kortslutningsskydd etc. Det bör noteras att dessa tester alla kräver ett enda fel i skyddskretsen. Detta krav nämns inte i batteristandarden GB 31241. Så i utformningen av batteriskyddsfunktionen måste vi kombinera standardkraven för batteri och värd. Om batteriet endast har ett skydd och inga redundanta komponenter, eller om batteriet inte har någon skyddskrets och skyddskretsen endast tillhandahålls av värden, bör värden inkluderas i denna del av testet.

Slutsats

Sammanfattningsvis, för att designa ett säkert batteri, förutom valet av själva materialet, är den efterföljande strukturella designen och funktionell säkerhetsdesign lika viktiga. Även om olika standarder har olika krav på produkter, om batterikonstruktionens säkerhet fullt ut kan anses uppfylla kraven på olika marknader, kan ledtiden reduceras avsevärt och produkten kan accelereras till marknaden. Förutom att kombinera lagar, förordningar och standarder i olika länder och regioner, är det också nödvändigt att designa produkter baserade på den faktiska användningen av batterier i terminalprodukter.