Momenteel vinden de meeste veiligheidsongevallen bij lithium-ionbatterijen plaats als gevolg van het falen van het beveiligingscircuit, waardoor de batterij oververhit raakt en brand en explosies ontstaan. Om een ​​veilig gebruik van de lithiumbatterij te realiseren, is het ontwerp van het beveiligingscircuit daarom bijzonder belangrijk en moet rekening worden gehouden met allerlei factoren die het falen van de lithiumbatterij veroorzaken. Naast het productieproces worden storingen in principe veroorzaakt door veranderingen in de externe extreme omstandigheden, zoals overbelasting, overontlading en hoge temperaturen. Als deze parameters in realtime worden bewaakt en overeenkomstige beschermende maatregelen worden genomen wanneer ze veranderen, kan het optreden van thermische runaway worden vermeden. Het veiligheidsontwerp van een lithiumbatterij omvat verschillende aspecten: celselectie, structureel ontwerp en functioneel veiligheidsontwerp van BMS.

Cel selectie

Er zijn veel factoren die de celveiligheid beïnvloeden, waarbij de keuze van het celmateriaal de basis vormt. Vanwege verschillende chemische eigenschappen varieert de veiligheid bij verschillende kathodematerialen van een lithiumbatterij. Lithiumijzerfosfaat heeft bijvoorbeeld de vorm van een olivijn, wat relatief stabiel is en niet gemakkelijk instort. Lithiumkobaltaat en ternair lithium hebben echter een gelaagde structuur die gemakkelijk instort. De selectie van afscheiders is ook erg belangrijk, omdat de prestaties ervan rechtstreeks verband houden met de veiligheid van de cel. Daarom moet bij de selectie van de cel niet alleen rekening worden gehouden met detectierapporten, maar ook met het productieproces van de fabrikant, de materialen en hun parameters.

Structuur ontwerp

Bij het structuurontwerp van de batterij wordt voornamelijk rekening gehouden met de vereisten van isolatie en warmteafvoer.

• Isolatievereisten omvatten doorgaans de volgende aspecten: Isolatie tussen positieve en negatieve elektrode; Isolatie tussen cel en behuizing; Isolatie tussen de paallipjes en de behuizing; Elektrische afstand en kruipafstand van PCB, ontwerp van interne bedrading, aardingsontwerp, enz.
• Warmteafvoer is voornamelijk bedoeld voor sommige grote energieopslag- of tractiebatterijen. Door de hoge energie van deze batterijen is de warmte die vrijkomt bij het laden en ontladen enorm. Als de warmte niet op tijd kan worden afgevoerd, zal de warmte zich ophopen en tot ongelukken leiden. Daarom moet er allemaal rekening worden gehouden met de selectie en het ontwerp van de behuizingsmaterialen (deze moeten aan bepaalde mechanische sterkte en stof- en waterdichte eisen voldoen), de selectie van het koelsysteem en andere interne thermische isolatie, warmteafvoer en brandblussystemen.

Voor de keuze en toepassing van het accukoelsysteem verwijzen wij u naar de vorige uitgave.

Functioneel veiligheidsontwerp

De fysische en chemische eigenschappen bepalen dat het materiaal de laad- en ontlaadspanning niet kan beperken. Zodra de laad- en ontlaadspanning het nominale bereik overschrijdt, zal dit onomkeerbare schade aan de lithiumbatterij veroorzaken. Daarom is het noodzakelijk om het beveiligingscircuit toe te voegen om de spanning en stroom van de interne cel in een normale toestand te houden wanneer de lithiumbatterij werkt. Voor BMS van batterijen zijn de volgende functies vereist:

• Beveiliging tegen overspanning bij opladen: overbelasting is een van de belangrijkste redenen voor thermische overbelasting. Na overbelasting zal het kathodemateriaal instorten als gevolg van overmatige afgifte van lithiumionen, en op de negatieve elektrode zal ook lithiumprecipitatie optreden, wat leidt tot een afname van de thermische stabiliteit en een toename van nevenreacties, die een potentieel risico op thermische overbelasting met zich meebrengen. Daarom is het bijzonder belangrijk om de stroom tijdig af te sluiten nadat het opladen de bovengrensspanning van de cel heeft bereikt. Dit vereist dat het GBS de functie heeft van bescherming tegen overspanning bij het opladen, zodat de spanning van de cel altijd binnen de werklimiet wordt gehouden. Het zou beter zijn dat de beveiligingsspanning geen bereikwaarde is en sterk varieert, omdat dit ertoe kan leiden dat de batterij de stroom niet op tijd afsluit wanneer deze volledig is opgeladen, wat kan resulteren in overladen. De beveiligingsspanning van het BMS is meestal ontworpen om hetzelfde of iets lager te zijn dan de bovenste spanning van de cel.
• Beveiliging tegen opladen overstroom: Het opladen van een batterij met een stroom die hoger is dan de laad- of ontlaadlimiet kan warmteaccumulatie veroorzaken. Wanneer de warmte zich voldoende ophoopt om het membraan te laten smelten, kan dit een interne kortsluiting veroorzaken. Daarom is het tijdig opladen via de huidige bescherming ook essentieel. We moeten erop letten dat de overstroombeveiliging niet hoger kan zijn dan de celstroomtolerantie in het ontwerp.
• Ontlading onder spanningsbeveiliging: een te grote of te kleine spanning zal de prestaties van de batterij beschadigen. Voortdurende ontlading onder spanning zal ervoor zorgen dat het koper neerslaat en de negatieve elektrode instort, dus over het algemeen zal de batterij een ontlading onder spanningsbeveiligingsfunctie hebben.
• Ontlading overstroombeveiliging: Het grootste deel van de PCB laadt en ontlaadt via dezelfde interface, in dit geval is de laad- en ontlaadbeveiligingsstroom consistent. Maar sommige batterijen, vooral batterijen voor elektrisch gereedschap, snelladen en andere soorten batterijen, moeten een hoge stroomontlading of -lading gebruiken. De stroom is op dit moment inconsistent, dus het is het beste om op te laden en te ontladen in twee luscontroles.
• Kortsluitbeveiliging: kortsluiting van de batterij is ook een van de meest voorkomende fouten. Sommige botsingen, verkeerd gebruik, knijpen, prikken, binnendringen van water, enz. kunnen gemakkelijk kortsluiting veroorzaken. Een kortsluiting zal onmiddellijk een grote ontlaadstroom genereren, wat resulteert in een sterke stijging van de batterijtemperatuur. Tegelijkertijd vindt er na externe kortsluiting meestal een reeks elektrochemische reacties plaats in de cel, wat leidt tot een reeks exotherme reacties. Kortsluitbeveiliging is ook een soort overstroombeveiliging. Maar de kortsluitstroom zal oneindig zijn, en de hitte en schade zijn ook oneindig, dus de bescherming moet zeer gevoelig zijn en kan automatisch worden geactiveerd. Veel voorkomende maatregelen ter bescherming tegen kortsluiting zijn onder meer contactors, zekeringen, mos, enz.
• Beveiliging tegen oververhitting: De batterij is gevoelig voor de omgevingstemperatuur. Een te hoge of te lage temperatuur heeft invloed op de prestaties. Daarom is het belangrijk om de batterij binnen de limiettemperatuur te laten werken. Het BMS moet een temperatuurbeveiligingsfunctie hebben om de batterij te stoppen wanneer de temperatuur te hoog of te laag is. Het kan zelfs worden onderverdeeld in bescherming van de laadtemperatuur en bescherming van de ontladingstemperatuur, enz.
• Balanceerfunctie: Bij notebookbatterijen en andere batterijen uit meerdere series is er sprake van inconsistentie tussen de cellen vanwege de verschillen in het productieproces. De interne weerstand van sommige cellen is bijvoorbeeld groter dan andere. Deze inconsistentie zal geleidelijk verergeren onder invloed van de externe omgeving. Daarom is het noodzakelijk om een ​​balansbeheerfunctie te hebben om de balans van de cel te implementeren. Er zijn over het algemeen twee soorten evenwicht:

1. Passief balanceren: gebruik hardware, zoals een spanningscomparator, en gebruik vervolgens weerstandswarmtedissipatie om het overtollige vermogen van de batterij met hoge capaciteit vrij te geven. Maar het energieverbruik is groot, de egalisatiesnelheid is langzaam en het rendement is laag.

2. Actief balanceren: gebruik condensatoren om de energie van de cellen met een hogere spanning op te slaan en deze vrij te geven aan de cel met een lagere spanning. Wanneer het drukverschil tussen aangrenzende cellen echter klein is, is de egalisatietijd lang en kan de egalisatiespanningsdrempel flexibeler worden ingesteld.

Standaard validatie

Als u wilt dat uw batterijen met succes de internationale of binnenlandse markt betreden, moeten ze uiteindelijk ook voldoen aan de bijbehorende normen om de veiligheid van de lithium-ionbatterij te garanderen. Van cellen tot batterijen en gastheerproducten moeten aan de overeenkomstige testnormen voldoen. Dit artikel zal zich richten op de binnenlandse vereisten voor batterijbescherming voor elektronische IT-producten.

GB31241-2022

Deze norm geldt voor batterijen van draagbare elektronische apparaten. Het houdt voornamelijk rekening met term 5.2 veilige werkparameters, 10.1 tot 10.5 veiligheidsvereisten voor PCM, 11.1 tot 11.5 veiligheidsvereisten op het systeembeveiligingscircuit (wanneer de batterij zelf geen bescherming heeft), 12.1 en 12.2 vereisten voor consistentie, en bijlage A (voor documenten) .

u Term 5.2 vereist dat de cel- en batterijparameters op elkaar afgestemd zijn, wat begrepen kan worden als de werkparameters van de batterij die het bereik van de cellen niet mogen overschrijden. Moeten de beschermingsparameters van de batterij er echter voor zorgen dat de werkingsparameters van de batterij het bereik van de cellen niet overschrijden? Er zijn verschillende opvattingen, maar vanuit het perspectief van de veiligheid van batterijontwerp is het antwoord ja. De maximale laadstroom van een cel (of celblok) is bijvoorbeeld 3000 mA, de maximale werkstroom van de batterij mag niet hoger zijn dan 3000 mA, en de beveiligingsstroom van de batterij moet er ook voor zorgen dat de stroom tijdens het laadproces niet hoger mag zijn dan 3000 mA. 3000 mA. Alleen op deze manier kunnen we gevaren effectief beschermen en vermijden. Voor het ontwerp van de beveiligingsparameters verwijzen wij u naar bijlage A. Hierin wordt rekening gehouden met het parameterontwerp van cel – batterij – host in gebruik, dat relatief uitgebreid is.

u Voor batterijen met een beveiligingscircuit is een veiligheidstest van het batterijbeveiligingscircuit van 10,1~10,5 vereist. Dit hoofdstuk onderzoekt hoofdzakelijk de bescherming tegen overspanning bij het laden, de bescherming tegen overstroom, de bescherming tegen ontladen onder spanning, de bescherming tegen ontladen overstroom en de bescherming tegen kortsluiting. Deze zijn hierboven vermeldFunctioneel veiligheidsontwerpen de basisvereisten. GB 31241 vereist 500 keer controle.

u Als de batterij zonder beveiligingscircuit wordt beschermd door de oplader of het eindapparaat, moet de veiligheidstest van het 11.1~11.5 systeembeveiligingscircuit worden uitgevoerd met het externe beveiligingsapparaat. Spannings-, stroom- en temperatuurregeling van laden en ontladen worden voornamelijk onderzocht. Het is vermeldenswaard dat batterijen zonder beveiligingscircuits, vergeleken met batterijen met beveiligingscircuits, alleen kunnen vertrouwen op de bescherming van apparatuur die daadwerkelijk wordt gebruikt. Het risico is groter, dus de normale werking en de enkele foutcondities zullen afzonderlijk worden getest. Dit dwingt het eindapparaat tot dubbele bescherming; anders kan het de test in hoofdstuk 11 niet doorstaan.

u Als er ten slotte meerdere seriecellen in een batterij zitten, moet u rekening houden met het fenomeen van onevenwichtig opladen. Een conformiteitstest van hoofdstuk 12 is vereist. De balans- en drukverschilbeveiligingsfuncties van PCB worden hier voornamelijk onderzocht. Deze functie is niet vereist voor eencellige batterijen.

GB4943.1-2022

Deze standaard is voor AV-producten. Met het toenemende gebruik van elektronische producten op batterijen geeft de nieuwe versie van GB 4943.1-2022 specifieke eisen voor batterijen in bijlage M, waarbij apparatuur met batterijen en hun beveiligingscircuits worden geëvalueerd. Op basis van de evaluatie van het batterijbeschermingscircuit zijn ook aanvullende veiligheidseisen toegevoegd voor apparatuur die secundaire lithiumbatterijen bevat.

u Het secundaire beveiligingscircuit voor lithiumbatterijen onderzoekt voornamelijk overladen, overmatig ontladen, omgekeerd opladen, laadveiligheidsbescherming (temperatuur), kortsluitbeveiliging, enz. Opgemerkt moet worden dat deze tests allemaal één enkele fout in het beveiligingscircuit vereisen. Deze vereiste wordt niet vermeld in de batterijnorm GB 31241. Bij het ontwerp van de batterijbeschermingsfunctie moeten we dus de standaardvereisten van batterij en host combineren. Als de batterij slechts één beveiliging heeft en geen redundante componenten, of als de batterij geen beveiligingscircuit heeft en het beveiligingscircuit alleen door de host wordt geleverd, moet de host bij dit deel van de test worden betrokken.

Conclusie

Concluderend: voor het ontwerpen van een veilige batterij zijn, naast de keuze van het materiaal zelf, het daaropvolgende structurele ontwerp en het functionele veiligheidsontwerp even belangrijk. Hoewel verschillende normen verschillende eisen stellen aan producten, kan de doorlooptijd aanzienlijk worden verkort en kan het product sneller op de markt worden gebracht als de veiligheid van het batterijontwerp volledig in aanmerking kan worden genomen om aan de eisen van verschillende markten te voldoen. Naast het combineren van de wetten, regelgeving en normen van verschillende landen en regio’s, is het ook noodzakelijk om producten te ontwerpen op basis van het daadwerkelijke gebruik van batterijen in eindproducten.