در حال حاضر بیشتر حوادث ایمنی باتری های لیتیوم یونی به دلیل خرابی مدار حفاظتی رخ می دهد که باعث فرار حرارتی باتری و آتش سوزی و انفجار می شود. بنابراین، به منظور تحقق استفاده ایمن از باتری لیتیومی، طراحی مدار حفاظتی از اهمیت ویژه ای برخوردار است و انواع عواملی که باعث خرابی باتری لیتیومی می شوند باید در نظر گرفته شوند. علاوه بر فرآیند تولید، خرابی ها اساساً به دلیل تغییرات در شرایط شدید خارجی مانند شارژ بیش از حد، تخلیه بیش از حد و دمای بالا ایجاد می شود. اگر این پارامترها در زمان واقعی نظارت شوند و اقدامات حفاظتی مربوطه در هنگام تغییر آنها انجام شود، می توان از وقوع فرار حرارتی جلوگیری کرد. طراحی ایمنی باتری لیتیومی شامل چندین جنبه است: انتخاب سلول، طراحی ساختاری و طراحی ایمنی عملکردی BMS.

انتخاب سلول

عوامل زیادی بر ایمنی سلول تأثیر می‌گذارند که در آن‌ها انتخاب مواد سلولی پایه است. به دلیل خواص شیمیایی مختلف، ایمنی در مواد کاتدی مختلف باتری لیتیومی متفاوت است. به عنوان مثال، فسفات آهن لیتیوم به شکل الیوین است که نسبتاً پایدار است و به راحتی فرو ریخته نمی شود. لیتیوم کبالتات و لیتیوم سه تایی ساختار لایه‌ای هستند که به راحتی فرو می‌روند. انتخاب جداکننده نیز بسیار مهم است، زیرا عملکرد آن ارتباط مستقیمی با ایمنی سلول دارد. بنابراین در انتخاب سلول، نه تنها گزارش های تشخیص، بلکه باید فرآیند تولید، مواد و پارامترهای آنها را نیز در نظر گرفت.

طراحی سازه

طراحی ساختار باتری عمدتاً الزامات عایق و اتلاف گرما را در نظر می گیرد.

• الزامات عایق به طور کلی شامل جنبه های زیر است: عایق بین الکترود مثبت و منفی. عایق بین سلول و محفظه؛ عایق بین زبانه های قطب و محفظه؛ فاصله الکتریکی PCB و فاصله خزش، طراحی سیم کشی داخلی، طراحی زمین و غیره.
• اتلاف گرما عمدتاً برای برخی باتری های ذخیره انرژی یا کششی بزرگ است. به دلیل انرژی بالای این باتری ها، گرمای تولید شده هنگام شارژ و دشارژ بسیار زیاد است. اگر گرما را نتوان به موقع دفع کرد، گرما جمع شده و منجر به حوادث می شود. بنابراین، انتخاب و طراحی مواد محفظه (باید دارای استحکام مکانیکی معین و الزامات ضد گرد و غبار و آب باشد)، انتخاب سیستم خنک کننده و سایر عایق های حرارتی داخلی، اتلاف حرارت و سیستم اطفاء حریق باید مورد توجه قرار گیرد.

برای انتخاب و کاربرد سیستم خنک کننده باتری به شماره قبلی مراجعه فرمایید.

طراحی ایمنی عملکردی

خواص فیزیکی و شیمیایی تعیین می کند که ماده نمی تواند ولتاژ شارژ و دشارژ را محدود کند. هنگامی که ولتاژ شارژ و دشارژ از محدوده نامی فراتر رود، آسیب جبران ناپذیری به باتری لیتیومی وارد می کند. بنابراین لازم است مدار حفاظتی اضافه شود تا ولتاژ و جریان سلول داخلی در حالت عادی در هنگام کار باتری لیتیومی حفظ شود. برای BMS باتری ها، عملکردهای زیر مورد نیاز است:

• حفاظت در برابر ولتاژ شارژ: شارژ بیش از حد یکی از دلایل اصلی فرار حرارتی است. پس از شارژ بیش از حد، مواد کاتد به دلیل آزاد شدن بیش از حد یون لیتیوم فرو می ریزد و الکترود منفی نیز باعث بارش لیتیوم می شود که منجر به کاهش پایداری حرارتی و افزایش واکنش های جانبی می شود که خطر بالقوه فرار حرارتی را دارد. بنابراین، قطع جریان به موقع پس از رسیدن شارژ به ولتاژ حد بالایی سلول بسیار مهم است. این امر مستلزم آن است که BMS عملکرد شارژ بیش از ولتاژ را داشته باشد، به طوری که ولتاژ سلول همیشه در محدوده کاری نگه داشته شود. بهتر است ولتاژ حفاظتی یک مقدار محدوده نباشد و بسیار متفاوت باشد، زیرا ممکن است باعث شود باتری در زمان شارژ کامل جریان را قطع نکند و در نتیجه شارژ بیش از حد ایجاد شود. ولتاژ حفاظتی BMS معمولاً یکسان یا کمی کمتر از ولتاژ بالای سلول طراحی می شود.
• محافظت در برابر جریان شارژ: شارژ باتری با جریانی بیش از حد مجاز شارژ یا دشارژ می تواند باعث تجمع گرما شود. هنگامی که گرما به اندازه کافی برای ذوب شدن دیافراگم جمع می شود، می تواند باعث اتصال کوتاه داخلی شود. بنابراین شارژ به موقع بیش از حفاظت جریان نیز ضروری است. باید توجه داشته باشیم که حفاظت بیش از جریان نمی تواند بالاتر از تحمل جریان سلول در طراحی باشد.
• تخلیه تحت حفاظت ولتاژ: ولتاژ خیلی زیاد یا خیلی کم به عملکرد باتری آسیب می رساند. تخلیه مداوم تحت ولتاژ باعث رسوب مس و فروپاشی الکترود منفی می شود، بنابراین به طور کلی باتری تحت عملکرد حفاظت ولتاژ تخلیه خواهد شد.
• حفاظت از تخلیه بیش از جریان: بیشتر PCB شارژ و تخلیه می شود از طریق یک رابط، در این مورد جریان حفاظت شارژ و تخلیه ثابت است. اما برخی از باتری‌ها، به‌ویژه باتری‌های ابزار الکتریکی، شارژ سریع و انواع دیگر باتری‌ها نیاز به تخلیه یا شارژ زیاد جریان دارند، جریان در این زمان ناهماهنگ است، بنابراین بهتر است در کنترل دو حلقه‌ای شارژ و دشارژ شود.
• حفاظت از اتصال کوتاه: اتصال کوتاه باتری نیز یکی از رایج ترین عیب ها است. برخی از برخوردها، استفاده نادرست، فشردن، سوزن زدن، ورود آب و غیره به راحتی باعث اتصال کوتاه می شوند. یک اتصال کوتاه بلافاصله جریان تخلیه زیادی ایجاد می کند که منجر به افزایش شدید دمای باتری می شود. در همان زمان معمولاً یک سری واکنش های الکتروشیمیایی پس از اتصال کوتاه خارجی در سلول انجام می شود که منجر به یک سری واکنش های گرمازا می شود. حفاظت از اتصال کوتاه نیز نوعی حفاظت از جریان بیش از حد است. اما جریان اتصال کوتاه بی نهایت خواهد بود و گرما و آسیب نیز بی نهایت است، بنابراین حفاظت باید بسیار حساس باشد و می تواند به طور خودکار فعال شود. اقدامات معمول حفاظت از اتصال کوتاه شامل کنتاکتورها، فیوزها، موس و غیره است.
• محافظت در برابر دما: باتری به دمای محیط حساس است. دمای خیلی بالا یا خیلی پایین بر عملکرد آن تأثیر می گذارد. بنابراین، مهم است که باتری را در دمای حد مجاز نگه دارید. BMS باید یک عملکرد حفاظت از دما داشته باشد تا در زمانی که دما خیلی بالا یا خیلی پایین است، باتری را متوقف کند. حتی می توان آن را به حفاظت از دمای شارژ و حفاظت دمای تخلیه و غیره تقسیم کرد.
• عملکرد متعادل کننده: برای نوت بوک و سایر باتری های چند سری، به دلیل تفاوت در فرآیند تولید، بین سلول ها ناهماهنگی وجود دارد. به عنوان مثال، مقاومت داخلی برخی از سلول ها بزرگتر از سایرین است. این ناهماهنگی به تدریج تحت تأثیر محیط خارجی بدتر می شود. بنابراین لازم است که یک تابع مدیریت تعادل برای اجرای تعادل سلول داشته باشیم. به طور کلی دو نوع تعادل وجود دارد:

1-تعادل غیرفعال: از سخت افزاری مانند مقایسه کننده ولتاژ استفاده کنید و سپس از اتلاف حرارت مقاومتی برای آزاد کردن توان اضافی باتری با ظرفیت بالا استفاده کنید. اما مصرف انرژی زیاد است، سرعت یکسان سازی کند است و راندمان پایین است.

2-تعادل فعال: از خازن ها برای ذخیره توان سلول های با ولتاژ بالاتر استفاده کنید و آن را به سلول با ولتاژ کمتر رها کنید. با این حال، زمانی که اختلاف فشار بین سلول‌های مجاور کم است، زمان یکسان سازی طولانی است و آستانه ولتاژ یکسان سازی را می توان با انعطاف بیشتری تنظیم کرد.

اعتبار سنجی استاندارد

در نهایت، اگر می‌خواهید باتری‌های شما با موفقیت وارد بازار بین‌المللی یا داخلی شوند، باید استانداردهای مربوطه را نیز رعایت کنند تا از ایمنی باتری لیتیوم یون اطمینان حاصل شود. از سلول ها گرفته تا باتری ها و محصولات میزبان باید استانداردهای تست مربوطه را رعایت کنند. این مقاله بر روی الزامات حفاظت از باتری داخلی برای محصولات الکترونیکی فناوری اطلاعات تمرکز خواهد کرد.

GB 31241-2022

این استاندارد برای باتری دستگاه های الکترونیکی قابل حمل است. عمدتاً پارامترهای کار ایمن ترم 5.2، الزامات ایمنی 10.1 تا 10.5 برای PCM، الزامات ایمنی 11.1 تا 11.5 در مدار حفاظتی سیستم (زمانی که خود باتری بدون محافظ است)، الزامات 12.1 و 12.2 برای سازگاری، و ضمیمه A (برای اسناد) در نظر گرفته می شود. .

u ترم 5.2 نیازمندی های سلول و پارامترهای باتری باید مطابقت داده شود، که می توان فهمید که پارامترهای کاری باتری نباید از محدوده سلول ها تجاوز کند. با این حال، آیا پارامترهای حفاظت از باتری باید اطمینان حاصل شود که پارامترهای عملکرد باتری از محدوده سلول ها تجاوز نمی کند؟ درک متفاوتی وجود دارد، اما از منظر ایمنی طراحی باتری، پاسخ مثبت است. به عنوان مثال، حداکثر جریان شارژ یک سلول (یا بلوک سلولی) 3000 میلی آمپر است، حداکثر جریان کاری باتری نباید از 3000 میلی آمپر تجاوز کند، و جریان حفاظتی باتری نیز باید تضمین کند که جریان در فرآیند شارژ نباید از آن تجاوز کند. 3000 میلی آمپر فقط از این طریق می توانیم به طور موثر از خطرات محافظت کرده و از آنها جلوگیری کنیم. برای طراحی پارامترهای حفاظتی، لطفاً به ضمیمه A مراجعه کنید. طراحی پارامتر سلول – باتری – میزبان در حال استفاده را در نظر می‌گیرد که نسبتاً جامع است.

u برای باتری های دارای مدار حفاظتی، آزمایش ایمنی مدار حفاظت باتری 10.1 تا 10.5 مورد نیاز است. این فصل عمدتا به بررسی شارژ بیش از حد حفاظت از ولتاژ، شارژ بیش از جریان حفاظتی، تخلیه تحت حفاظت ولتاژ، تخلیه بیش از جریان حفاظتی و حفاظت از اتصال کوتاه می‌پردازد. این موارد در بالا ذکر شده استطراحی ایمنی عملکردیو الزامات اساسی GB 31241 نیاز به بررسی 500 بار دارد.

u اگر باتری بدون مدار حفاظتی توسط شارژر یا دستگاه انتهایی آن محافظت شود، آزمایش ایمنی مدار حفاظتی سیستم 11.1 تا 11.5 باید با دستگاه محافظ خارجی انجام شود. کنترل ولتاژ، جریان و دمای شارژ و دشارژ عمدتاً بررسی می‌شود. شایان ذکر است که در مقایسه با باتری های دارای مدارهای حفاظتی، باتری های بدون مدارهای حفاظتی فقط می توانند به حفاظت از تجهیزات در استفاده واقعی تکیه کنند. خطر بالاتر است، بنابراین عملکرد عادی و شرایط تک خطا به طور جداگانه آزمایش می شود. این امر دستگاه انتهایی را مجبور می‌کند که محافظت دوگانه داشته باشد. در غیر این صورت نمی تواند در آزمون فصل 11 قبول شود.

u در نهایت، اگر چندین سلول سری در باتری وجود دارد، باید پدیده شارژ نامتعادل را در نظر بگیرید. آزمون انطباق فصل 12 مورد نیاز است. توابع حفاظت از فشار دیفرانسیل و تعادل PCB عمدتا در اینجا بررسی می شود. این عملکرد برای باتری های تک سلولی مورد نیاز نیست.

GB 4943.1-2022

این استاندارد برای محصولات AV است. با استفاده روزافزون از محصولات الکترونیکی با باتری، نسخه جدید GB 4943.1-2022 الزامات خاصی را برای باتری ها در ضمیمه M ارائه می دهد که تجهیزات دارای باتری و مدارهای حفاظتی آنها را ارزیابی می کند. بر اساس ارزیابی مدار حفاظت باتری، الزامات ایمنی اضافی برای تجهیزات حاوی باتری های لیتیومی ثانویه نیز اضافه شده است.

u مدار محافظ باتری لیتیومی ثانویه عمدتاً شارژ بیش از حد، تخلیه بیش از حد، شارژ معکوس، حفاظت ایمنی شارژ (دما)، حفاظت از اتصال کوتاه و غیره را بررسی می کند. لازم به ذکر است که این تست ها همگی نیازمند یک خطای واحد در مدار حفاظت هستند. این الزام در استاندارد باتری GB 31241 ذکر نشده است. بنابراین در طراحی عملکرد محافظت از باتری، باید الزامات استاندارد باتری و میزبان را ترکیب کنیم. اگر باتری فقط یک محافظ داشته باشد و اجزای اضافی نداشته باشد، یا باتری مدار حفاظتی نداشته باشد و مدار حفاظتی فقط توسط میزبان ارائه شود، میزبان باید برای این قسمت از آزمایش در نظر گرفته شود.

نتیجه گیری

در نتیجه، برای طراحی یک باتری ایمن، علاوه بر انتخاب خود ماده، طراحی ساختاری بعدی و طراحی ایمنی عملکردی به یک اندازه مهم هستند. اگرچه استانداردهای مختلف الزامات متفاوتی برای محصولات دارند، اما اگر بتوان ایمنی طراحی باتری را به طور کامل در نظر گرفت تا نیازهای بازارهای مختلف را برآورده کند، می توان زمان عرضه را به میزان زیادی کاهش داد و محصول را به بازار تسریع کرد. علاوه بر ترکیب قوانین، مقررات و استانداردهای کشورها و مناطق مختلف، طراحی محصولات بر اساس استفاده واقعی از باتری در محصولات پایانه نیز ضروری است.