Attualmente, a maiò parte di l'accidenti di sicurezza di e batterie di lithium-ion si sò per via di u fallimentu di u circuitu di prutezzione, chì provoca a fuga termica di a batteria è i risultati in u focu è l'esplosione. Dunque, per rializà l'usu sicuru di a batteria di lithium, u disignu di u circuitu di prutezzione hè particularmente impurtante, è tutti i tipi di fattori chì causanu u fallimentu di a batteria di lithium deve esse cunsideratu. In più di u prucessu di pruduzzione, i fallimenti sò basamenti causati da cambiamenti in e cundizioni estremi esterni, cum'è over-charge, over-discharge è alta temperatura. Sì sti paràmetri sò monitorati in tempu reale è e misure protettive currispundenti seranu pigliate quandu cambianu, l'occurrence di runaway termale pò esse evitata. U disignu di sicurità di a batteria di litiu include parechji aspetti: selezzione di cellule, disignu strutturale è disignu di sicurità funziunale di BMS.

Selezzione di cellula

Ci sò parechji fatturi chì afectanu a sicurità di e cellule in quale a scelta di u materiale cellulare hè u fundamentu. A causa di e diverse proprietà chimiche, a sicurità varieghja in diversi materiali di catodi di a batteria di lithium. Per esempiu, u fosfatatu di ferru di lithium hè in forma d'olivina, chì hè relativamente stabile è micca faciule di colapsà. Lithium cobaltate è lithium ternary, in ogni modu, sò una struttura stratificata chì hè faciule di colapsà. A selezzione di separatori hè ancu assai impurtante, postu chì a so prestazione hè direttamente ligata à a sicurità di a cellula. Per quessa, in a selezzione di a cellula, ùn sò micca solu i rapporti di rilevazione, ma ancu u prucessu di produzzione di u fabricatore, i materiali è i so parametri sò cunsiderati.

Disegnu di struttura

U disignu di a struttura di a bateria cunsidereghja principarmenti i requisiti di insulazione è dissipazione di calore.

• I bisogni di l'insulazione in generale implicanu i seguenti aspetti: Insulation trà l'elettrodu pusitivu è negativu; Insulazione trà cellula è chjusu; Insulazione trà e tabulazioni di u polu è l'armatura; Spazi elettrici PCB è distanza di creepage, cuncepimentu di cablaggio internu, cuncepimentu di messa a terra, etc.
• A dissipazione di u calore hè principarmenti per qualchì grande almacenamentu di energia o batterie di trazione. A causa di l'alta energia di queste batterie, u calore generatu in carica è scaricamentu hè enormu. Se u calore ùn pò esse dissipatu in u tempu, u calore s'accumularà è risultatu in accidenti. Per quessa, a selezzione è u disignu di materiali di recinzione (Si deve avè una certa forza meccanica è esigenze dustproof è waterproof), a selezzione di u sistema di rinfrescante è altri insulation termale internu, dissipation di u calore è u sistema di stinzione di u focu deve esse pigliatu in contu.

Per a selezzione è l'applicazione di u sistema di raffreddamentu di a batteria, fate riferimentu à l'emissione precedente.

Disegnu di sicurità funziunale

E proprietà fisiche è chimiche determinanu chì u materiale ùn pò micca limità a tensione di carica è di scaricamentu. Una volta chì a tensione di carica è di scaricamentu supera a gamma nominale, pruvucarà danni irreversibili à a bateria di lithium. Per quessa, hè necessariu aghjunghje u circuitu di prutezzione per mantene a tensione è u currente di a cellula interna in un statu normale quandu a bateria di lithium hè travagliatu. Per BMS di batterie, e seguenti funzioni sò richieste:

• Carica sopra a prutezzione di tensione: l'overcharge hè unu di i motivi principali per a fuga termica. Dopu à l'overcharge, u materiale di catodu colapserà per via di una liberazione eccessiva di ioni di lithium, è l'elettrodu negativu averà ancu a precipitazione di lithium, chì porta à a diminuzione di a stabilità termica è à l'aumentu di reazzioni laterali, chì anu risicu potenziale di runaway termale. Per quessa, hè particularmente impurtante di cutà u currente in u tempu dopu chì a carica righjunghji a tensione di limitu superiore di a cellula. Questu hè bisognu di u BMS per avè a funzione di carica sopra a prutezzione di tensione, cusì chì a tensione di a cellula hè sempre mantenuta in u limitu di travagliu. Saria megliu chì a tensione di prutezzione ùn hè micca un valore di intervallu è varieghja largamente, perchè pò causà chì a bateria ùn falla à taglià u currente in u tempu quandu hè cumplettamente carica, risultatu in un overcharge. A tensione di prutezzione di u BMS hè di solitu cuncepitu per esse u stessu o ligeramente più bassu di a tensione superiore di a cellula.
• Carica sopra a prutezzione di corrente: Caricà una batteria cun corrente più di u limitu di carica o scarica pò causà l'accumulazione di calore. Quandu u calore s'accumula abbastanza per funnu u diafragma, pò causà un cortu circuitu internu. Per quessa, a carica puntuale sopra a prutezzione attuale hè ancu essenziale. Duvemu attente chì a prutezzione di u currente ùn pò esse più altu ch'è a tolleranza attuale di a cellula in u disignu.
• Scaricamentu sottu a prutezzione di tensione: una tensione troppu grande o troppu chjuca dannerà u rendiment di a batteria. A scarica cuntinuu sottu tensione farà precipitare u ramu è l'elettrodu negativu à colapsà, cusì generalmente a batteria averà scaricamentu sottu a funzione di prutezzione di tensione.
• Scaricamentu nantu à a prutezzione di corrente: A maiò parte di a carica di PCB è di scaricamentu attraversu a listessa interfaccia, in questu casu, a corrente di prutezzione di carica è scarica hè coherente. Ma certi batterie, soprattuttu batterie per arnesi elettrichi, carica rapida è altri tipi di batterie anu bisognu di utilizà una grande scarica di corrente o carica, u currente hè inconsistente in questu tempu, per quessa, hè megliu per carica è scaricate in dui loop control.
• Prutezzione di u cortu circuitu: u cortu circuitu di a batteria hè ancu unu di i difetti più cumuni. Certi collisioni, misuse, squeeze, needling, ingress d'acqua, etc., sò faciuli à induce short circuit. Un cortu circuitu generà immediatamente una grande corrente di scarica, chì si traduce in un forte aumentu di a temperatura di a batteria. À u listessu tempu, una seria di reazzioni elettrochimichi sò generalmente in a cellula dopu à un cortu circuitu esternu, chì porta à una seria di reazzioni esotermichi. A prutezzione di u cortu circuitu hè ancu un tipu di prutezzione sopra currente. Ma u currenti di cortu circuitu serà infinitu, è u calore è u dannu hè ancu infinitu, cusì a prutezzione deve esse assai sensibile è pò esse attivata automaticamente. Misure cumuni di prutezzione di cortu circuit include contactors, fuse, mos, etc.
• Prutezzione di sopra à a temperatura: A bateria hè sensibile à a temperatura ambiente. A temperatura troppu alta o troppu bassa affetterà u so rendiment. Per quessa, hè impurtante di mantene a bateria operante in a temperatura limite. U BMS deve avè una funzione di prutezzione di a temperatura per piantà a bateria quandu a temperatura hè troppu alta o troppu bassa. Pò ancu esse suddivisu in prutezzione di temperatura di carica è prutezzione di temperatura di scaricamentu, etc.
• Funzione di equilibriu: Per notebook è altre batterie multi-serie, ci hè incongruenza trà e cellule per via di e differenze in u prucessu di produzzione. Per esempiu, a resistenza interna di certi celluli hè più grande di l'altri. Questa incongruenza s'aggrava gradualmente sottu a influenza di l'ambiente esternu. Dunque, hè necessariu avè una funzione di gestione di equilibriu per implementà l'equilibriu di a cellula. Il y a généralement deux types d'équilibre :

1.Passive balancing: Aduprate hardware, cum'è comparator voltage, è tandu aduprà dissipation calori resistenza à liberà u putenza eccessivu di batterie high-capacità. Ma u cunsumu d'energia hè grande, a velocità di equalizazione hè lenta, è l'efficienza hè bassa.

2.Active balancing: aduprà capacitors per almacenà u putere di e cellule cù una tensione più alta è libera à a cellula cù una tensione più bassa. Tuttavia, quandu a diffarenza di pressione trà e cellule adiacenti hè chjuca, u tempu di equalizazione hè longu, è u sogliu di tensione di equalizazione pò esse stabilitu in modu più flexible.

Validazione standard

Infine, sè vo vulete chì e vostre batterie entrenu in u mercatu internaziunale o domesticu, anu ancu bisognu di scuntrà i normi rilativi per assicurà a sicurità di a batteria di lithium-ion. Da e cellule à e batterie è i prudutti d'ospiti duveranu risponde à i standard di prova currispondenti. Questu articulu hà da fucalizza nantu à i requisiti di prutezzione di a batteria domestica per i prudutti elettronichi IT.

GB 31241-2022

Stu standard hè per e batterie di i dispositi elettronichi portatili. Cunsidereghja principarmenti i paràmetri di travagliu sicuru di u termu 5.2, i requisiti di sicurezza da 10.1 à 10.5 per PCM, i requisiti di sicurezza da 11.1 à 11.5 in u circuitu di prutezzione di u sistema (quandu a batteria stessa hè senza prutezzione), i requisiti 12.1 è 12.2 per a coerenza, è l'Appendice A (per i documenti). .

u Terminu 5.2 esige di i paràmetri di a cellula è di a bateria deve esse accumpagnatu, chì pò esse capitu cum'è i paràmetri di travagliu di a bateria ùn deve micca più di a gamma di celle. Tuttavia, i paràmetri di prutezzione di a batteria anu da esse assicurati chì i paràmetri di funziunamentu di a batteria ùn superanu micca a gamma di cellule? Ci sò diverse capiscitura, ma da a perspettiva di a sicurità di u disignu di a bateria, a risposta hè sì. Per esempiu, a corrente di carica massima di una cellula (o bloccu di cellula) hè 3000mA, u currente di travagliu massimu di a bateria ùn deve micca più di 3000mA, è u currente di prutezzione di a bateria deve ancu assicurà chì u currente in u prucessu di carica ùn deve micca più. 3000 mA. Solu in questu modu pudemu prutezzione efficace è evità i periculi. Per u disignu di i paràmetri di prutezzione, per piacè riferite à l'Appendice A. Cunsidereghja u disignu di u paràmetru di cell - battery - host in usu, chì hè relativamente cumpletu.

u Per e batterie cù un circuitu di prutezzione, una prova di sicurezza di circuitu di prutezzione di batterie 10,1 ~ 10,5 hè necessaria. Stu capitulu investiga principarmenti a carica sopra a prutezzione di tensione, a carica sopra a prutezzione di corrente, a scaricamentu sottu a prutezzione di tensione, a scaricamentu di a prutezzione di corrente è a prutezzione di cortu circuitu. Quessi sò citati in u sopraDisegnu di Sicurezza Funziunaleè i bisogni basi. GB 31241 richiede una verificazione di 500 volte.

u Se a bateria senza circuitu di prutezzione hè prutetta da u so caricatore o u dispositivu finale, a prova di sicurezza di u circuitu di prutezzione di u sistema 11.1 ~ 11.5 deve esse realizatu cù u dispusitivu di prutezzione esternu. A tensione, u currente è u cuntrollu di a temperatura di a carica è a scarica sò principalmente investigati. Hè da nutà chì, cumparatu cù e batterie cù circuiti di prutezzione, e batterie senza circuiti di prutezzione ponu solu dipende da a prutezzione di l'equipaggiu in usu propiu. U risicu hè più altu, cusì u funziunamentu nurmale è e cundizioni di unicu difettu seranu pruvati separatamente. Questu furzà u dispositivu finale per avè una doppia prutezzione; altrimenti ùn pò micca passà a prova in u Capitulu 11.

u Infine, se ci sò parechje cellule di serie in una bateria, avete bisognu di cunsiderà u fenomenu di carica sbilanciata. Un test di conformità di u capitulu 12 hè necessariu. L'equilibriu è e funzioni di prutezzione di pressione differenziale di PCB sò principalmente investigati quì. Questa funzione ùn hè micca necessariu per e batterie di una sola cellula.

GB 4943.1-2022

Stu standard hè per i prudutti AV. Cù l'usu crescente di prudutti elettronichi alimentati da batterie, a nova versione di GB 4943.1-2022 dà esigenze specifiche per e batterie in l'Appendice M, evaluendu l'equipaggiu cù batterie è i so circuiti di prutezzione. Basatu nantu à a valutazione di u circuitu di prutezzione di a batteria, i requisiti di sicurezza supplementari per l'equipaggiu chì cuntenenu batterie di litiu secundariu sò stati ancu aghjunti.

u U circuitu sicundariu di prutezzione di batterie di lithium principarmenti investigate over-charge, over-discharge, reverse charging, a prutezzione di salvezza di carica (temperatura), prutezzione di cortu circuit, etc. Si deve esse nutatu chì sti testi tutti bisognu di una sola curpa in u circuitu di prutezzione. Questa esigenza ùn hè micca citata in u standard di a bateria GB 31241. Allora in u disignu di a funzione di prutezzione di a bateria, avemu bisognu di cumminà i requisiti standard di a bateria è l'ospite. Se a bateria hà una sola prutezzione è senza cumpunenti redundante, o a bateria ùn hà micca circuitu di prutezzione è u circuitu di prutezzione hè furnitu solu da l'ospitu, l'ospitu deve esse inclusu per questa parte di a prova.

Cunclusioni

In cunclusioni, per disignà una bateria sicura, in più di l'scelta di u materiale stessu, u designu strutturale sussegwente è u disignu di sicurità funziunale sò ugualmente impurtanti. Ancu s'è e diverse norme anu esigenze diverse per i prudutti, se a sicurità di u disignu di a batteria pò esse cunsiderata cumplettamente per risponde à i bisogni di i diversi mercati, u tempu di consegna pò esse ridutta assai è u pruduttu pò esse acceleratu à u mercatu. In più di cumminà e lege, i rigulamenti è i normi di diversi paesi è regioni, hè ancu necessariu di disignà prudutti basati nantu à l'usu propiu di batterie in i prudutti terminali.