Tällä hetkellä suurin osa litiumioniakkujen turvallisuusonnettomuuksista johtuu suojapiirin viasta, mikä aiheuttaa akun lämpökarkaamisen ja aiheuttaa tulipalon ja räjähdyksen. Siksi litiumakun turvallisen käytön toteuttamiseksi suojapiirin suunnittelu on erityisen tärkeää, ja kaikenlaiset litiumakun vian aiheuttavat tekijät on otettava huomioon. Tuotantoprosessin lisäksi vikoja aiheuttavat pääasiassa muutokset ulkoisissa ääriolosuhteissa, kuten ylilataus, ylipurkaus ja korkea lämpötila. Jos näitä parametreja seurataan reaaliajassa ja niiden muuttuessa ryhdytään vastaaviin suojatoimenpiteisiin, voidaan välttää lämpökarkailu. Litiumakun turvallisuussuunnittelu sisältää useita näkökohtia: kennovalinta, rakennesuunnittelu ja BMS:n toiminnallinen turvallisuussuunnittelu.

Solun valinta

Solujen turvallisuuteen vaikuttavat monet tekijät, joissa solumateriaalin valinta on perusta. Erilaisista kemiallisista ominaisuuksista johtuen turvallisuus vaihtelee litiumakun eri katodimateriaaleissa. Esimerkiksi litiumrautafosfaatti on oliviinin muotoista, joka on suhteellisen stabiili ja ei ole helppo romahtaa. Litiumkoboltaatti ja litiumkolmio ovat kuitenkin kerrosrakenteita, joka on helppo romahtaa. Erottimen valinta on myös erittäin tärkeä, sillä sen suorituskyky liittyy suoraan kennon turvallisuuteen. Siksi kennoa valittaessa tulee huomioida havaintoraporttien lisäksi myös valmistajan tuotantoprosessi, materiaalit ja niiden parametrit.

Rakennesuunnittelu

Akun rakennesuunnittelussa huomioidaan pääasiassa eristys- ja lämmönpoistovaatimukset.

• Eristysvaatimukset sisältävät yleensä seuraavat näkökohdat: Positiivisen ja negatiivisen elektrodin välinen eristys; Eristys kennon ja kotelon välillä; Eristys napakielekkeiden ja kotelon välillä; Piirilevyn sähköetäisyys ja ryömintäetäisyys, sisäinen johdotussuunnittelu, maadoitussuunnittelu jne.
• Lämmön hajaantuminen koskee pääasiassa joitain suuria energian varastointi- tai vetoakkuja. Näiden akkujen suuresta energiasta johtuen latauksessa ja purkamisessa syntyvä lämpö on valtava. Jos lämpöä ei saada pois ajoissa, lämpö kerääntyy ja aiheuttaa onnettomuuksia. Siksi kotelomateriaalien valinta ja suunnittelu (Sillä tulisi olla tietyt mekaaniset lujuus- ja pöly- ja vedenpitävät vaatimukset), jäähdytysjärjestelmän ja muun sisäisen lämmöneristyksen valinta, lämmönpoisto- ja palonsammutusjärjestelmä on otettava huomioon.

Akun jäähdytysjärjestelmän valinnasta ja käytöstä on lisätietoja edellisestä numerosta.

Toiminnallinen turvallisuussuunnittelu

Fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet määräävät, että materiaali ei voi rajoittaa lataus- ja purkausjännitettä. Kun lataus- ja purkausjännite ylittää nimellisalueen, se aiheuttaa peruuttamattomia vahinkoja litiumakulle. Siksi on tarpeen lisätä suojapiiri, jotta sisäisen kennon jännite ja virta pysyvät normaalitilassa litiumakun toimiessa. Akkujen BMS-järjestelmässä tarvitaan seuraavat toiminnot:

• Lataus ylijännitesuoja: ylilataus on yksi tärkeimmistä syistä lämpökarkaamiseen. Ylilatauksen jälkeen katodimateriaali romahtaa liiallisen litiumionien vapautumisen vuoksi, ja negatiivisella elektrodilla esiintyy myös litiumin saostumista, mikä johtaa lämpöstabiilisuuden heikkenemiseen ja sivureaktioiden lisääntymiseen, joilla on mahdollinen termisen karantumisen riski. Siksi on erityisen tärkeää katkaista virta ajoissa, kun lataus saavuttaa kennon ylärajajännitteen. Tämä edellyttää, että BMS:llä on ylijännitesuojaustoiminto, jotta kennon jännite pysyy aina toimintarajoissa. Olisi parempi, että suojajännite ei ole aluearvo ja vaihtelee suuresti, koska se voi aiheuttaa sen, että akku ei katkaise virtaa ajoissa, kun se on täysin ladattu, mikä johtaa ylilataukseen. BMS:n suojajännite on yleensä suunniteltu samaksi tai hieman alhaisemmaksi kuin kennon ylempi jännite.
• Ylivirtasuojaus: Akun lataaminen yli lataus- tai purkausrajan ylittävällä virralla voi aiheuttaa lämmön kerääntymistä. Kun lämpöä kertyy tarpeeksi sulattaakseen kalvon, se voi aiheuttaa sisäisen oikosulun. Siksi oikea-aikainen lataus ylivirtasuoja on myös välttämätöntä. Meidän tulee kiinnittää huomiota siihen, että ylivirtasuoja ei voi olla suurempi kuin kennon virran toleranssi suunnittelussa.
• Purkautuminen jännitesuojauksen alaisena: Liian suuri tai liian pieni jännite heikentää akun suorituskykyä. Jatkuva jännitteen alainen purkautuminen aiheuttaa kuparin saostumisen ja negatiivisen elektrodin romahtamisen, joten yleensä akussa on purkaus jännitesuojatoiminnon alaisena.
• Purkautumissuojaus: Suurin osa piirilevyn latauksesta ja purkamisesta saman liitännän kautta, tässä tapauksessa lataus- ja purkaussuojavirta on tasainen. Mutta joidenkin akkujen, erityisesti sähkötyökalujen, pikalataus- ja muuntyyppisten akkujen on käytettävä suurta virtaa purkaus- tai latausvirtaa, virta on tällä hetkellä epäjohdonmukainen, joten on parasta ladata ja purkaa kahdessa silmukassa.
• Oikosulkusuojaus: Akun oikosulku on myös yksi yleisimmistä vioista. Jotkut törmäykset, väärinkäyttö, puristus, neulaukset, veden sisäänpääsy jne. aiheuttavat helposti oikosulun. Oikosulku synnyttää välittömästi suuren purkausvirran, mikä johtaa akun lämpötilan voimakkaaseen nousuun. Samaan aikaan kennossa tapahtuu yleensä sarja sähkökemiallisia reaktioita ulkoisen oikosulun jälkeen, mikä johtaa sarjaan eksotermisiä reaktioita. Oikosulkusuoja on myös eräänlainen ylivirtasuoja. Mutta oikosulkuvirta on ääretön, ja lämpö ja haitta ovat myös äärettömät, joten suojauksen on oltava erittäin herkkä ja se voidaan laukaista automaattisesti. Yleisiä oikosulkusuojaustoimenpiteitä ovat kontaktorit, sulake, mosa jne.
• Ylikuumenemissuoja: Akku on herkkä ympäristön lämpötilalle. Liian korkea tai liian matala lämpötila vaikuttaa sen suorituskykyyn. Siksi on tärkeää pitää akku toiminnassa rajalämpötilan sisällä. BMS:ssä tulee olla lämpötilasuojatoiminto, joka pysäyttää akun, kun lämpötila on liian korkea tai liian matala. Se voidaan jopa jakaa latauslämpötilan suojaukseen ja purkauslämpötilan suojaukseen jne.
• Tasapainotustoiminto: Kannettavien tietokoneiden ja muiden monisarjaakkujen kennojen välillä on epäjohdonmukaisuutta tuotantoprosessin erojen vuoksi. Esimerkiksi joidenkin solujen sisäinen vastus on suurempi kuin toisten. Tämä epäjohdonmukaisuus pahenee vähitellen ulkoisen ympäristön vaikutuksesta. Siksi on tarpeen olla tasapainonhallintatoiminto solun tasapainon toteuttamiseksi. Tasapainoja on yleensä kahdenlaisia:

1.Passiivinen tasapainotus: Käytä laitteistoa, kuten jännitevertailijaa, ja käytä sitten vastuslämmönpoistoa vapauttaaksesi suurikapasiteettisen akun ylimääräinen teho. Mutta energiankulutus on suuri, tasausnopeus on hidas ja hyötysuhde alhainen.

2. Aktiivinen tasapainotus: käytä kondensaattoreita tallentaaksesi kennojen tehon korkeammalla jännitteellä ja vapauttaa sen kennolle pienemmällä jännitteellä. Kuitenkin kun paine-ero vierekkäisten kennojen välillä on pieni, tasausaika on pitkä ja tasausjännitteen kynnys voidaan asettaa joustavammin.

Normaali validointi

Vihdoinkin, jos haluat akkusi menestyvän kansainvälisille tai kotimarkkinoille, niiden on myös täytettävä asiaan liittyvät standardit litiumioniakun turvallisuuden varmistamiseksi. Kennojen akkujen ja isäntätuotteiden tulee täyttää vastaavat testistandardit. Tämä artikkeli keskittyy elektronisten IT-tuotteiden kotimaisiin akun suojausvaatimuksiin.

GB 31241-2022

Tämä standardi koskee kannettavien elektronisten laitteiden akkuja. Se huomioi pääasiassa termin 5.2 turvallisia käyttöparametreja, 10.1 - 10.5 turvallisuusvaatimuksia PCM:lle, 11.1 - 11.5 turvallisuusvaatimuksia järjestelmän suojapiirille (kun itse akku on ilman suojaa), 12.1 ja 12.2 vaatimuksia yhdenmukaisuudelle ja liite A (asiakirjoille) .

u Termi 5.2 edellyttää kennojen ja akkujen parametrien yhteensopivuutta, mikä voidaan ymmärtää siten, että akun toimintaparametrit eivät saa ylittää kennojen aluetta. Onko akun suojausparametreilla kuitenkin varmistettava, että akun toimintaparametrit eivät ylitä kennojen vaihteluväliä? Ymmärryksiä on erilaisia, mutta akun suunnittelun turvallisuuden näkökulmasta vastaus on kyllä. Esimerkiksi kennon (tai kennolohkon) suurin latausvirta on 3000mA, akun suurin käyttövirta ei saa ylittää 3000mA ja akun suojavirran tulee myös varmistaa, että latausprosessin virta ei saa ylittää 3000mA. Vain tällä tavalla voimme suojata tehokkaasti ja välttää vaaroja. Katso suojausparametrien suunnittelu liitteestä A. Siinä tarkastellaan käytössä olevan kenno – akku – isännän parametrisuunnittelua, joka on suhteellisen kattava.

u Suojapiirillä varustetuille akuille vaaditaan 10,1-10,5 akun suojapiirin turvatesti. Tässä luvussa tarkastellaan pääasiassa ylijännitesuojausta, latausylivirtasuojausta, purkamista alijännitesuojalla, purkauksen ylivirtasuojausta ja oikosulkusuojausta. Nämä on mainittu edelläToiminnallinen turvallisuussuunnitteluja perusvaatimukset. GB 31241 vaatii tarkistuksen 500 kertaa.

u Jos akku ilman suojapiiriä on suojattu laturilla tai päätelaitteella, 11.1~11.5 järjestelmän suojapiirin turvallisuustesti on suoritettava ulkoisella suojalaitteella. Varauksen ja purkauksen jännitteen, virran ja lämpötilan säätöä tutkitaan pääasiassa. On syytä huomata, että suojapiireillä varustettuihin akkuihin verrattuna akut, joissa ei ole suojapiirejä, voivat luottaa vain laitteiden suojaukseen todellisessa käytössä. Riski on suurempi, joten normaali toiminta ja yksittäiset viat testataan erikseen. Tämä pakottaa päätelaitteeseen kaksoissuojauksen; muuten se ei läpäise luvun 11 koetta.

u Lopuksi, jos akussa on useita sarjakennoja, sinun on otettava huomioon epätasapainoinen lataus. Vaaditaan luvun 12 vaatimustenmukaisuustesti. Tässä tutkitaan pääasiassa piirilevyn tasapaino- ja paine-eron suojaustoimintoja. Tätä toimintoa ei tarvita yksikennoisille akuille.

GB 4943.1-2022

Tämä standardi koskee AV-tuotteita. Akkukäyttöisten elektroniikkatuotteiden käytön lisääntyessä GB 4943.1-2022:n uusi versio antaa akuille erityisiä vaatimuksia liitteessä M, jossa arvioidaan laitteita akuilla ja niiden suojapiireillä. Akun suojapiirin arvioinnin perusteella on myös lisätty turvallisuusvaatimuksia toissijaisia ​​litiumakkuja sisältäville laitteille.

u Toissijainen litiumakun suojapiiri tutkii pääasiassa ylilatausta, ylipurkausta, käänteislatausta, latauksen turvasuojaa (lämpötila), oikosulkusuojausta jne. On huomattava, että kaikki nämä testit vaativat yhden vian suojapiirissä. Tätä vaatimusta ei mainita akkustandardissa GB 31241. Joten akun suojaustoiminnon suunnittelussa meidän on yhdistettävä akun ja isännän standardivaatimukset. Jos akussa on vain yksi suojaus eikä redundantteja komponentteja tai akussa ei ole suojapiiriä ja suojapiirin tarjoaa vain isäntä, isäntä tulee ottaa mukaan tähän testin osaan.

Johtopäätös

Yhteenvetona voidaan todeta, että turvallisen akun suunnittelussa itse materiaalin valinnan lisäksi sen myöhempi rakennesuunnittelu ja toiminnallinen turvallisuussuunnittelu ovat yhtä tärkeitä. Vaikka eri standardeilla on erilaisia ​​vaatimuksia tuotteille, jos akun suunnittelun turvallisuuden voidaan täysin katsoa täyttävän eri markkinoiden vaatimukset, läpimenoaikaa voidaan lyhentää huomattavasti ja tuote voidaan nopeuttaa markkinoille. Sen lisäksi, että yhdistetään eri maiden ja alueiden lakeja, määräyksiä ja standardeja, on myös tarpeen suunnitella tuotteita päätelaitteiden akkujen todellisen käytön perusteella.