Sa kasalukuyan, ang karamihan sa mga aksidente sa kaligtasan ng mga baterya ng lithium-ion ay nangyayari dahil sa pagkabigo ng circuit ng proteksyon, na nagiging sanhi ng thermal runaway ng baterya at nagreresulta sa sunog at pagsabog. Samakatuwid, upang mapagtanto ang ligtas na paggamit ng baterya ng lithium, ang disenyo ng circuit ng proteksyon ay partikular na mahalaga, at lahat ng uri ng mga kadahilanan na nagiging sanhi ng pagkabigo ng baterya ng lithium ay dapat isaalang-alang. Bilang karagdagan sa proseso ng produksyon, ang mga pagkabigo ay karaniwang sanhi ng mga pagbabago sa mga panlabas na matinding kondisyon, tulad ng sobrang singil, labis na paglabas at mataas na temperatura. Kung ang mga parameter na ito ay sinusubaybayan sa real time at ang kaukulang mga hakbang sa proteksyon ay gagawin kapag nagbago ang mga ito, ang paglitaw ng thermal runaway ay maiiwasan. Ang disenyo ng kaligtasan ng baterya ng lithium ay may kasamang ilang aspeto: pagpili ng cell, disenyo ng istruktura at disenyo ng kaligtasan ng pagganap ng BMS.

Pagpili ng cell

Mayroong maraming mga kadahilanan na nakakaapekto sa kaligtasan ng cell kung saan ang pagpili ng materyal ng cell ay ang pundasyon. Dahil sa iba't ibang kemikal na katangian, ang kaligtasan ay nag-iiba sa iba't ibang cathode na materyales ng lithium battery. Halimbawa, ang lithium iron phosphate ay hugis olivine, na medyo matatag at hindi madaling gumuho. Ang Lithium cobaltate at lithium ternary, gayunpaman, ay layered na istraktura na madaling gumuho. Napakahalaga din ng pagpili ng separator, dahil ang pagganap nito ay direktang nauugnay sa kaligtasan ng cell. Samakatuwid sa pagpili ng cell, hindi lamang ang mga ulat ng pagtuklas kundi pati na rin ang proseso ng produksyon ng tagagawa, mga materyales at ang kanilang mga parameter ay dapat isaalang-alang.

Disenyo ng istraktura

Ang disenyo ng istraktura ng baterya ay pangunahing isinasaalang-alang ang mga kinakailangan ng pagkakabukod at pagwawaldas ng init.

• Ang mga kinakailangan sa pagkakabukod ay karaniwang kinabibilangan ng mga sumusunod na aspeto: Pagkakabukod sa pagitan ng positibo at negatibong elektrod; Pagkakabukod sa pagitan ng cell at enclosure; Pagkakabukod sa pagitan ng mga tab ng poste at enclosure; PCB electrical spacing at creepage distance, panloob na disenyo ng mga kable, disenyo ng saligan, atbp.
• Ang pagwawaldas ng init ay pangunahin para sa ilang malalaking imbakan ng enerhiya o mga baterya ng traksyon. Dahil sa mataas na enerhiya ng mga bateryang ito, napakalaki ng init na nalilikha kapag nagcha-charge at naglalabas. Kung ang init ay hindi mapapawi sa oras, ang init ay maipon at magreresulta sa mga aksidente. Samakatuwid, ang pagpili at disenyo ng mga materyales sa enclosure (Ito ay dapat magkaroon ng ilang mekanikal na lakas at hindi tinatablan ng alikabok at hindi tinatablan ng tubig na mga kinakailangan), ang pagpili ng sistema ng paglamig at iba pang panloob na thermal insulation, pagwawaldas ng init at sistema ng pamatay ng apoy ay dapat isaalang-alang.

Para sa pagpili at paggamit ng sistema ng paglamig ng baterya, mangyaring sumangguni sa nakaraang pagpapalabas.

Functional na disenyo ng kaligtasan

Tinutukoy ng mga katangiang pisikal at kemikal na hindi malilimitahan ng materyal ang boltahe sa pag-charge at pagdiskarga. Kapag ang boltahe sa pag-charge at pagdiskarga ay lumampas sa na-rate na hanay, magdudulot ito ng hindi maibabalik na pinsala sa baterya ng lithium. Samakatuwid, kinakailangang idagdag ang circuit ng proteksyon upang mapanatili ang boltahe at kasalukuyang ng panloob na cell sa isang normal na estado kapag gumagana ang baterya ng lithium. Para sa BMS ng mga baterya, ang mga sumusunod na function ay kinakailangan:

• Pagsingil sa paglipas ng proteksyon sa boltahe: ang sobrang singil ay isa sa mga pangunahing dahilan ng thermal runaway. Pagkatapos ng overcharge, babagsak ang materyal ng cathode dahil sa labis na paglabas ng lithium ion, at magkakaroon din ng lithium precipitation ang negatibong elektrod, na hahantong sa pagbaba ng thermal stability at pagtaas ng side reactions, na may potensyal na panganib ng thermal runaway. Samakatuwid, partikular na mahalaga na putulin ang kasalukuyang sa oras pagkatapos maabot ng pagsingil ang pinakamataas na limitasyon ng boltahe ng cell. Ito ay nangangailangan ng BMS na magkaroon ng function ng pagsingil sa paglipas ng proteksyon ng boltahe, upang ang boltahe ng cell ay palaging pinananatili sa loob ng limitasyon sa pagtatrabaho. Mas mainam na ang boltahe ng proteksyon ay hindi isang halaga ng hanay at malawak na nag-iiba, dahil maaari itong maging sanhi ng pagkabigo ng baterya na putulin ang kasalukuyang sa oras kapag ito ay ganap na na-charge, na nagreresulta sa sobrang singil. Ang boltahe ng proteksyon ng BMS ay karaniwang idinisenyo upang maging pareho o bahagyang mas mababa kaysa sa itaas na boltahe ng cell.
• Pag-charge sa ibabaw ng kasalukuyang proteksyon: Ang pag-charge ng baterya na may kasalukuyang higit sa limitasyon sa pag-charge o paglabas ay maaaring magdulot ng pag-iipon ng init. Kapag sapat ang naipon ng init upang matunaw ang diaphragm, maaari itong magdulot ng panloob na short circuit. Samakatuwid, ang napapanahong pagsingil sa kasalukuyang proteksyon ay mahalaga din. Dapat nating bigyang-pansin na ang higit sa kasalukuyang proteksyon ay hindi maaaring mas mataas kaysa sa kasalukuyang pagpapaubaya ng cell sa disenyo.
• Ang paglabas sa ilalim ng proteksyon ng boltahe: Masyadong malaki o masyadong maliit na boltahe ay makakasira sa pagganap ng baterya. Ang tuluy-tuloy na paglabas sa ilalim ng boltahe ay magiging sanhi ng pag-ulan ng tanso at pagbagsak ng negatibong elektrod, kaya sa pangkalahatan ang baterya ay magkakaroon ng discharge sa ilalim ng pag-andar ng proteksyon ng boltahe.
• Paglabas sa kasalukuyang proteksyon: Karamihan sa singil at paglabas ng PCB sa parehong interface, sa kasong ito ay pare-pareho ang kasalukuyang proteksyon sa pagsingil at paglabas. Ngunit ang ilang mga baterya, lalo na ang mga baterya para sa mga de-koryenteng kasangkapan, mabilis na pag-charge at iba pang mga uri ng mga baterya ay kailangang gumamit ng malaking kasalukuyang discharge o pag-charge, ang kasalukuyang ay hindi pare-pareho sa oras na ito, kaya pinakamahusay na singilin at i-discharge sa dalawang loop na kontrol.
• Proteksyon ng short circuit: Ang short circuit ng baterya ay isa rin sa mga pinakakaraniwang pagkakamali. Ang ilang banggaan, maling paggamit, pagpisil, pag-needling, pagpasok ng tubig, atbp., ay madaling mag-udyok ng short circuit. Ang isang short circuit ay agad na bubuo ng malaking discharge current , na magreresulta sa matinding pagtaas ng temperatura ng baterya. Kasabay nito, ang isang serye ng mga electrochemical reaction ay karaniwang nagaganap sa cell pagkatapos ng panlabas na short circuit, na humahantong sa isang serye ng mga exothermic na reaksyon. Ang short circuit protection ay isa ring uri ng over current na proteksyon. Ngunit ang kasalukuyang short circuit ay magiging walang hanggan, at ang init at pinsala ay walang katapusan din, kaya ang proteksyon ay dapat na napakasensitibo at maaaring awtomatikong ma-trigger. Kasama sa mga karaniwang hakbang sa proteksyon ng short circuit ang mga contactor, fuse, mos, atbp.
• Proteksyon sa sobrang temperatura: Ang baterya ay sensitibo sa temperatura ng kapaligiran. Ang masyadong mataas o masyadong mababang temperatura ay makakaapekto sa pagganap nito. Samakatuwid, mahalagang panatilihing gumagana ang baterya sa loob ng limitasyon ng temperatura. Ang BMS ay dapat na may function na proteksyon sa temperatura upang ihinto ang baterya kapag ang temperatura ay masyadong mataas o masyadong mababa. Maaari pa itong hatiin sa proteksyon sa temperatura ng pagsingil at proteksyon sa temperatura ng paglabas, atbp.
• Pagbabalanse ng function: Para sa notebook at iba pang multi-series na baterya, mayroong hindi pagkakapare-pareho sa mga cell dahil sa mga pagkakaiba sa proseso ng produksyon. Halimbawa, ang ilang mga cell panloob na pagtutol ay mas malaki kaysa sa iba. Ang hindi pagkakapare-pareho na ito ay unti-unting lalala sa ilalim ng impluwensya ng panlabas na kapaligiran. Samakatuwid, kinakailangan na magkaroon ng function ng pamamahala ng balanse upang maipatupad ang balanse ng cell. Sa pangkalahatan, mayroong dalawang uri ng ekwilibriyo:

1.Passive balancing: Gumamit ng hardware, gaya ng boltahe comparator, at pagkatapos ay gumamit ng resistance heat dissipation para palabasin ang sobrang lakas ng high-capacity na baterya. Ngunit ang pagkonsumo ng enerhiya ay malaki, ang bilis ng pagkakapantay-pantay ay mabagal, at ang kahusayan ay mababa.

2.Active pagbabalanse: gumamit ng mga capacitor upang mag-imbak ng kapangyarihan ng mga cell na may mas mataas na boltahe at ilalabas ito sa cell na may mas mababang boltahe. Gayunpaman, kapag ang pagkakaiba ng presyon sa pagitan ng mga katabing cell ay maliit, ang oras ng equalization ay mahaba, at ang equalization voltage threshold ay maaaring itakda nang mas nababaluktot.

Karaniwang pagpapatunay

Sa wakas, kung gusto mong matagumpay na makapasok ang iyong mga baterya sa internasyonal o domestic market, kailangan din nilang matugunan ang mga nauugnay na pamantayan upang matiyak ang kaligtasan ng baterya ng lithium-ion. Mula sa mga cell hanggang sa mga baterya at mga produkto ng host ay dapat matugunan ang mga kaukulang pamantayan ng pagsubok. Ang artikulong ito ay tumutuon sa mga kinakailangan sa proteksyon ng domestic na baterya para sa mga produktong elektronikong IT.

GB 31241-2022

Ang pamantayang ito ay para sa mga baterya ng portable electronic device. Pangunahing isinasaalang-alang nito ang term 5.2 na mga parameter ng ligtas na pagtatrabaho, 10.1 hanggang 10.5 na mga kinakailangan sa kaligtasan para sa PCM, 11.1 hanggang 11.5 na mga kinakailangan sa kaligtasan sa circuit ng proteksyon ng system (kapag ang baterya mismo ay walang proteksyon), 12.1 at 12.2 na mga kinakailangan para sa pagkakapare-pareho, at Appendix A (para sa mga dokumento) .

u Ang termino 5.2 ay nangangailangan ng mga parameter ng cell at baterya ay dapat na itugma, na maaaring maunawaan bilang ang gumaganang mga parameter ng baterya ay hindi dapat lumampas sa hanay ng mga cell. Gayunpaman, kailangan bang tiyakin ang mga parameter ng proteksyon ng baterya na ang mga parameter ng paggana ng baterya ay hindi lalampas sa hanay ng mga cell? Mayroong iba't ibang mga pag-unawa, ngunit mula sa pananaw ng kaligtasan ng disenyo ng baterya, ang sagot ay oo. Halimbawa, ang maximum na kasalukuyang singilin ng isang cell (o cell block) ay 3000mA, ang maximum na gumaganang kasalukuyang ng baterya ay hindi dapat lumampas sa 3000mA, at ang proteksyon ng kasalukuyang ng baterya ay dapat ding tiyakin na ang kasalukuyang sa proseso ng pagsingil ay hindi dapat lumampas. 3000mA. Sa ganitong paraan lamang natin mabisang mapoprotektahan at maiiwasan ang mga panganib. Para sa disenyo ng mga parameter ng proteksyon, mangyaring sumangguni sa Appendix A. Isinasaalang-alang nito ang disenyo ng parameter ng cell – baterya – host na ginagamit, na medyo komprehensibo.

u Para sa mga bateryang may circuit ng proteksyon, kinakailangan ang 10.1~10.5 na pagsubok sa kaligtasan ng circuit ng proteksyon ng baterya. Pangunahing sinisiyasat ng kabanatang ito ang pagsingil sa paglipas ng proteksyon sa boltahe, pagsingil sa paglipas ng kasalukuyang proteksyon, pagdiskarga sa ilalim ng proteksyon ng boltahe, pagdiskarga sa paglipas ng kasalukuyang proteksyon at proteksyon ng short circuit. Ang mga ito ay nabanggit sa itaasFunctional na Disenyo sa Kaligtasanat ang mga pangunahing pangangailangan. Ang GB 31241 ay nangangailangan ng pagsusuri ng 500 beses.

u Kung ang baterya na walang circuit ng proteksyon ay protektado ng charger o end device nito, ang safety test ng 11.1~11.5 system protection circuit ay dapat isagawa kasama ang external protection device. Pangunahing sinisiyasat ang kontrol ng boltahe, kasalukuyang at temperatura ng singil at paglabas. Kapansin-pansin na, kumpara sa mga baterya na may mga circuit ng proteksyon, ang mga baterya na walang mga circuit ng proteksyon ay maaari lamang umasa sa proteksyon ng kagamitan sa aktwal na paggamit. Mas mataas ang panganib, kaya hiwalay na susuriin ang normal na operasyon at mga kundisyon ng single fault. Pinipilit nitong magkaroon ng dalawahang proteksyon ang end device; kung hindi, hindi ito makapasa sa pagsusulit sa Kabanata 11.

u Sa wakas, kung mayroong maraming mga serye ng mga cell sa isang baterya, kailangan mong isaalang-alang ang kababalaghan ng hindi balanseng pagsingil. Ang isang pagsubok sa pagsang-ayon ng kabanata 12 ay kinakailangan. Ang balanse at differential pressure protection function ng PCB ay pangunahing sinisiyasat dito. Ang function na ito ay hindi kinakailangan para sa mga single-cell na baterya.

GB 4943.1-2022

Ang pamantayang ito ay para sa mga produkto ng AV. Sa dumaraming paggamit ng mga produktong elektronikong pinapagana ng baterya, ang bagong bersyon ng GB 4943.1-2022 ay nagbibigay ng mga partikular na kinakailangan para sa mga baterya sa Appendix M, na sinusuri ang mga kagamitan na may mga baterya at ang kanilang mga circuit ng proteksyon. Batay sa pagsusuri ng circuit ng proteksyon ng baterya, ang mga karagdagang kinakailangan sa kaligtasan para sa mga kagamitan na naglalaman ng mga pangalawang baterya ng lithium ay idinagdag din.

u Pangunahing sinisiyasat ng pangalawang circuit ng proteksyon ng baterya ng lithium ang over-charge, over-discharge, reverse charging, proteksyon sa kaligtasan sa pagsingil (temperatura), proteksyon ng short circuit, atbp. Dapat tandaan na lahat ng mga pagsubok na ito ay nangangailangan ng isang pagkakamali sa circuit ng proteksyon. Ang pangangailangang ito ay hindi binanggit sa pamantayan ng baterya na GB 31241. Kaya sa disenyo ng function ng proteksyon ng baterya, kailangan nating pagsamahin ang mga karaniwang kinakailangan ng baterya at host. Kung ang baterya ay may isang proteksyon lamang at walang mga kalabisan na bahagi, o ang baterya ay walang circuit ng proteksyon at ang circuit ng proteksyon ay ibinibigay lamang ng host, ang host ay dapat na kasama para sa bahaging ito ng pagsubok.

Konklusyon

Sa konklusyon, upang magdisenyo ng isang ligtas na baterya, bilang karagdagan sa pagpili ng materyal mismo, ang kasunod na disenyo ng istruktura at disenyo ng kaligtasan sa pagganap ay pantay na mahalaga. Kahit na ang iba't ibang mga pamantayan ay may iba't ibang mga kinakailangan para sa mga produkto, kung ang kaligtasan ng disenyo ng baterya ay maaaring ganap na maisaalang-alang upang matugunan ang mga kinakailangan ng iba't ibang mga merkado, ang oras ng lead ay maaaring lubos na mabawasan at ang produkto ay maaaring mapabilis sa merkado. Bilang karagdagan sa pagsasama-sama ng mga batas, regulasyon at pamantayan ng iba't ibang bansa at rehiyon, kinakailangan ding magdisenyo ng mga produkto batay sa aktwal na paggamit ng mga baterya sa mga produktong terminal.