Қазіргі уақытта литий-иондық аккумуляторлардың қауіпсіздік апаттарының көпшілігі қорғаныс тізбегінің істен шығуына байланысты болады, бұл батареяның термиялық қашуын тудырады және өрт пен жарылысқа әкеледі. Сондықтан литий батареясын қауіпсіз пайдалануды жүзеге асыру үшін қорғаныс тізбегінің дизайны ерекше маңызды және литий батареясының істен шығуына әкелетін барлық факторларды ескеру қажет. Өндіріс процесінен басқа, ақаулар негізінен шамадан тыс зарядтау, артық разряд және жоғары температура сияқты сыртқы экстремалды жағдайлардың өзгеруінен туындайды. Егер бұл параметрлер нақты уақыт режимінде бақыланса және олар өзгерген кезде тиісті қорғаныс шаралары қабылданса, термиялық қашудың пайда болуын болдырмауға болады. Литий батареясының қауіпсіздік дизайны бірнеше аспектілерді қамтиды: ұяшықтарды таңдау, құрылымдық дизайн және BMS функционалдық қауіпсіздік дизайны.

Ұяшықты таңдау

Жасуша материалын таңдау негіз болып табылатын жасуша қауіпсіздігіне әсер ететін көптеген факторлар бар. Әртүрлі химиялық қасиеттерге байланысты қауіпсіздік литий батареясының әртүрлі катодты материалдарында өзгереді. Мысалы, литий темір фосфаты оливин тәрізді, ол салыстырмалы түрде тұрақты және ыдырауға оңай емес. Литий кобальтаты және литий үштік, алайда, оңай құлап кететін қабатты құрылым. Сепараторды таңдау да өте маңызды, өйткені оның өнімділігі ұяшықтың қауіпсіздігіне тікелей байланысты. Сондықтан ұяшықты таңдауда тек анықтау есептері ғана емес, сонымен қатар өндірушінің өндіріс процесі, материалдар және олардың параметрлері де ескерілуі керек.

Құрылымды жобалау

Батареяның құрылымының дизайны негізінен оқшаулау және жылуды бөлу талаптарын ескереді.

• Оқшаулауға қойылатын талаптар әдетте келесі аспектілерді қамтиды: Оң және теріс электродтар арасындағы оқшаулау; ұяшық пен қоршау арасындағы оқшаулау; Бағаналар мен қоршау арасындағы оқшаулау; ПХД электрлік аралығы мен сырғыма қашықтығы, ішкі сымдар дизайны, жерге қосу дизайны және т.б.
• Жылу диссипациясы негізінен кейбір үлкен энергия сақтау немесе тартқыш батареяларға арналған. Бұл батареялардың энергиясы жоғары болғандықтан, зарядтау және зарядсыздандыру кезінде пайда болатын жылу өте үлкен. Егер жылуды уақытында тарату мүмкін болмаса, жылу жиналып, апатқа әкеледі. Сондықтан қоршау материалдарын таңдау және жобалау (оның белгілі бір механикалық беріктігі мен шаң өткізбейтін және су өткізбейтін талаптары болуы керек), салқындату жүйесін және басқа ішкі жылу оқшаулауын, жылуды таратуды және өрт сөндіру жүйесін таңдауды ескеру қажет.

Батареяны салқындату жүйесін таңдау және қолдану үшін алдыңғы шығарылымды қараңыз.

Функционалдық қауіпсіздік дизайны

Физикалық және химиялық қасиеттері материалдың зарядтау және разрядтау кернеуін шектей алмайтынын анықтайды. Зарядтау және зарядсыздандыру кернеуі номиналды диапазоннан асқанда, ол литий батареясына қайтымсыз зақым келтіреді. Сондықтан литий батареясы жұмыс істеп тұрған кезде ішкі ұяшықтың кернеуі мен тогын қалыпты күйде ұстау үшін қорғаныс тізбегін қосу қажет. Батареялардың BMS үшін келесі функциялар қажет:

• Артық кернеуден зарядтаудан қорғау: артық зарядтау термиялық қашудың негізгі себептерінің бірі болып табылады. Шамадан тыс зарядталғаннан кейін катод материалы литий ионының шамадан тыс бөлінуіне байланысты ыдырайды, ал теріс электродта да литий тұнбасы пайда болады, бұл термиялық тұрақтылықтың төмендеуіне және термиялық қашудың ықтимал қаупі бар жанама реакциялардың жоғарылауына әкеледі. Сондықтан зарядтау ұяшықтың жоғарғы шекті кернеуіне жеткеннен кейін токты уақытында өшіру өте маңызды. Бұл ұяшықтың кернеуі әрқашан жұмыс шегінде сақталуы үшін, BMS-де кернеуден жоғары зарядтау функциясы болуын талап етеді. Қорғаныс кернеуінің диапазон мәні болмағаны және кең ауқымда өзгеретіні жақсырақ болар еді, себебі ол толық зарядталған кезде батареяның токты уақытында өшіріп, шамадан тыс зарядталуына әкелуі мүмкін. BMS қорғаныс кернеуі әдетте ұяшықтың жоғарғы кернеуімен бірдей немесе сәл төмен болу үшін жобаланған.
• Токтан жоғары зарядтаудан қорғау: Батареяны зарядтау немесе зарядсыздандыру шегінен жоғары токпен зарядтау жылу жинақталуына әкелуі мүмкін. Диафрагманы ерітуге жеткілікті жылу жинақталғанда, ол ішкі қысқа тұйықталуды тудыруы мүмкін. Сондықтан токтан қорғанысты уақтылы зарядтау да маңызды. Назар аударған жөн, артық ток қорғанысы дизайндағы ұяшық ток толеранттылығынан жоғары болуы мүмкін емес.
• Кернеуден қорғау кезінде разряд: Тым үлкен немесе тым аз кернеу батареяның өнімділігін бұзады. Кернеу астында үздіксіз разряд мыстың тұнбаға түсуіне және теріс электродтың ыдырауына әкеледі, сондықтан әдетте батареяда кернеуден қорғау функциясының астында разряд болады.
• Токтан жоғары разряд қорғанысы: ПХД зарядының және разрядының көпшілігі бірдей интерфейс арқылы өтеді, бұл жағдайда заряд пен разрядтан қорғау тогы сәйкес келеді. Бірақ кейбір батареялар, әсіресе электр құралдарына арналған батареялар, жылдам зарядтау және батареялардың басқа түрлері үлкен ток разрядын немесе зарядтауды пайдалануы керек, ток осы уақытта сәйкес емес, сондықтан екі циклды басқаруда зарядтау және разрядтау жақсы.
• Қысқа тұйықталудан қорғау: Батареяның қысқа тұйықталуы да жиі кездесетін ақаулардың бірі болып табылады. Кейбір соқтығыстар, дұрыс пайдаланбау, қысу, ине шаншу, судың түсуі және т.б. қысқа тұйықталуды тудыруы оңай. Қысқа тұйықталу бірден үлкен разрядтық ток тудырады, нәтижесінде батарея температурасы күрт көтеріледі. Сонымен қатар, әдетте сыртқы қысқа тұйықталудан кейін жасушада бірқатар электрохимиялық реакциялар жүреді, бұл бірқатар экзотермиялық реакцияларға әкеледі. Қысқа тұйықталудан қорғау, сондай-ақ артық токтан қорғаудың бір түрі болып табылады. Бірақ қысқа тұйықталу тогы шексіз болады, ал жылу мен зиян да шексіз, сондықтан қорғаныс өте сезімтал болуы керек және автоматты түрде іске қосылуы мүмкін. Қысқа тұйықталудан қорғаудың жалпы шараларына контакторлар, сақтандырғыштар, мос және т.б.
• Артық температурадан қорғау: Батарея қоршаған орта температурасына сезімтал. Тым жоғары немесе тым төмен температура оның жұмысына әсер етеді. Сондықтан аккумуляторды шекті температурада жұмыс істеуді сақтау маңызды. BMS температура тым жоғары немесе тым төмен болған кезде батареяны тоқтату үшін температураны қорғау функциясы болуы керек. Оны тіпті заряд температурасын қорғау және разряд температурасын қорғау және т.б. деп бөлуге болады.
• Теңдестіру функциясы: Ноутбук және басқа көп сериялы батареялар үшін өндіріс процесіндегі айырмашылықтарға байланысты ұяшықтар арасында сәйкессіздік бар. Мысалы, кейбір жасушалардың ішкі кедергісі басқаларына қарағанда үлкенірек. Бұл сәйкессіздік сыртқы ортаның әсерінен бірте-бірте күшейе түседі. Сондықтан жасушаның тепе-теңдігін жүзеге асыру үшін тепе-теңдікті басқару функциясы болуы керек. Жалпы тепе-теңдіктің екі түрі бар:

1.Пассивті теңдестіру: кернеу компараторы сияқты аппараттық құралдарды пайдаланыңыз, содан кейін сыйымдылығы жоғары батареяның артық қуатын босату үшін қарсылық жылу диссипациясын пайдаланыңыз. Бірақ энергия шығыны үлкен, теңестіру жылдамдығы баяу, тиімділігі төмен.

2. Белсенді теңдестіру: жоғары кернеуі бар ұяшықтардың қуатын сақтау үшін конденсаторларды пайдаланыңыз және оны кернеуі төмен ұяшыққа жіберіңіз. Дегенмен, іргелес ұяшықтар арасындағы қысым айырмашылығы аз болса, теңестіру уақыты ұзақ, ал теңестіру кернеуінің шегін икемді түрде орнатуға болады.

Стандартты валидация

Ақырында, егер сіз өзіңіздің аккумуляторларыңыз халықаралық немесе ішкі нарыққа сәтті шығуын қаласаңыз, олар литий-ионды батареяның қауіпсіздігін қамтамасыз ету үшін тиісті стандарттарға сай болуы керек. Ұяшықтардан батареяларға және негізгі өнімдерге дейін сәйкес сынақ стандарттарына сай болуы керек. Бұл мақалада электронды АТ өнімдеріне арналған отандық батареяны қорғау талаптары қарастырылады.

GB 31241-2022

Бұл стандарт портативті электрондық құрылғылардың батареяларына арналған. Ол негізінен 5.2 қауіпсіз жұмыс параметрлері терминін, PCM үшін 10.1 - 10.5 қауіпсіздік талаптарын, жүйені қорғау тізбегіндегі 11.1 - 11.5 қауіпсіздік талаптарын (аккумулятордың өзі қорғаныссыз болғанда), 12.1 және 12.2 консистенциясы талаптарын және А қосымшасын (құжаттар үшін) қарастырады. .

u 5.2 шарты ұяшық пен батарея параметрлерін талап етеді, бұл батареяның жұмыс параметрлері ұяшықтар ауқымынан аспауы керек деп түсінуге болады. Дегенмен, батареяны қорғау параметрлері батареяның жұмыс параметрлері ұяшықтар ауқымынан аспайтындай болуы керек пе? Әртүрлі түсініктер бар, бірақ батарея дизайнының қауіпсіздігі тұрғысынан жауап иә. Мысалы, ұяшықтың (немесе ұяшық блогының) максималды зарядтау тогы 3000 мА, аккумулятордың максималды жұмыс тогы 3000 мА аспауы керек, ал батареяның қорғаныс тогы зарядтау процесіндегі токтың аспауын қамтамасыз етуі керек. 3000мА. Тек осылай ғана біз қауіп-қатерден тиімді қорғай аламыз. Қорғаныс параметрлерін жобалау үшін А қосымшасын қараңыз. Ол салыстырмалы түрде жан-жақты болып табылатын, қолданылатын ұяшық – батарея – хост параметрінің дизайнын қарастырады.

u Қорғаныс тізбегі бар батареялар үшін 10,1~10,5 батареяны қорғау тізбегінің қауіпсіздік сынағы қажет. Бұл тарауда негізінен кернеуден жоғары зарядтаудан қорғау, зарядтаудан жоғары ток қорғанысы, кернеуден қорғау кезінде зарядсыздандыру, разрядтан жоғары ток қорғанысы және қысқа тұйықталудан қорғау зерттеледі. Бұлар жоғарыда айтылғанФункционалдық қауіпсіздік дизайныжәне негізгі талаптар. GB 31241 500 рет тексеруді қажет етеді.

u Қорғаныс тізбегі жоқ батарея зарядтағышпен немесе соңғы құрылғымен қорғалған болса, 11.1~11.5 жүйе қорғаныс тізбегінің қауіпсіздік сынағы сыртқы қорғаныс құрылғысымен жүргізілуі керек. Негізінен заряд пен разрядтың кернеуін, ток күшін және температурасын бақылау зерттеледі. Айта кету керек, қорғаныс тізбегі бар батареялармен салыстырғанда, қорғаныс тізбегі жоқ батареялар нақты пайдаланудағы жабдықты қорғауға ғана сене алады. Тәуекел жоғары, сондықтан қалыпты жұмыс және бір ақаулық жағдайлары бөлек тексеріледі. Бұл соңғы құрылғыны қосарлы қорғанысқа ие болуға мәжбүр етеді; әйтпесе ол 11-тараудағы сынақтан өте алмайды.

u Соңында, батареяда бірнеше сериялы ұяшықтар болса, теңгерімсіз зарядтау құбылысын ескеру қажет. 12-тараудың сәйкестік сынағы қажет. Мұнда негізінен ПХД тепе-теңдігі мен дифференциалды қысымды қорғау функциялары зерттеледі. Бұл функция бір ұялы батареялар үшін қажет емес.

GB 4943.1-2022

Бұл стандарт AV өнімдеріне арналған. Батареямен жұмыс істейтін электрондық өнімдерді пайдаланудың артуымен GB 4943.1-2022 жаңа нұсқасы батареялары бар жабдықты және олардың қорғаныс тізбектерін бағалайтын М қосымшасында батареяларға нақты талаптарды береді. Батареяны қорғау тізбегін бағалау негізінде екінші реттік литий батареялары бар жабдыққа қосымша қауіпсіздік талаптары қосылды.

u Екінші литий батареясын қорғау тізбегі негізінен шамадан тыс зарядтауды, шамадан тыс зарядсыздануды, кері зарядтауды, зарядтау қауіпсіздігін қорғауды (температураны), қысқа тұйықталудан қорғауды және т.б. зерттейді. Бұл сынақтардың барлығы қорғаныс тізбегіндегі бір ақаулықты қажет ететінін ескеру қажет. Бұл талап GB 31241 аккумулятор стандартында айтылмаған. Сондықтан аккумуляторды қорғау функциясын жобалауда аккумулятор мен хосттың стандартты талаптарын біріктіру керек. Батареяда тек бір қорғаныс болса және артық құрамдас бөліктер болмаса немесе батареяда қорғаныс тізбегі болмаса және қорғаныс тізбегін тек хост қамтамасыз етсе, сынақтың осы бөлігіне хостты қосу керек.

Қорытынды

Қорытындылай келе, қауіпсіз аккумуляторды жобалау үшін материалды таңдаудан басқа, кейінгі құрылымдық дизайн және функционалдық қауіпсіздік дизайны бірдей маңызды. Әртүрлі стандарттар өнімдерге қойылатын әртүрлі талаптарға ие болғанымен, егер аккумулятор дизайнының қауіпсіздігі әртүрлі нарықтардың талаптарына толық сәйкес келетін болса, жеткізу уақытын айтарлықтай қысқартуға және өнімді нарыққа шығаруды жеделдетуге болады. Әртүрлі елдер мен аймақтардың заңдарын, ережелерін және стандарттарын біріктірумен қатар, терминал өнімдерінде батареяларды нақты пайдалану негізінде өнімдерді жобалау қажет.