Praegu juhtub enamik liitium-ioonakude ohutusõnnetusi kaitseahela rikke tõttu, mis põhjustab aku termiliselt jooksmise ning tulekahju ja plahvatuse. Seetõttu on liitiumaku ohutuks kasutamiseks eriti oluline kaitseahela disain ja arvesse tuleks võtta kõikvõimalikke liitiumaku rikke põhjustavaid tegureid. Lisaks tootmisprotsessile põhjustavad tõrkeid peamiselt muutused välistes ekstreemsetes tingimustes, nagu ülelaadimine, ülelaadimine ja kõrge temperatuur. Kui neid parameetreid jälgitakse reaalajas ja nende muutumisel võetakse kasutusele vastavad kaitsemeetmed, on võimalik vältida termilise jooksmise tekkimist. Liitiumaku ohutusdisain hõlmab mitmeid aspekte: elementide valik, konstruktsioonikujundus ja BMS-i funktsionaalne ohutusprojekt.

Lahtri valik

Rakkude ohutust mõjutavad paljud tegurid, mille aluseks on raku materjali valik. Erinevate keemiliste omaduste tõttu on liitiumaku erinevate katoodmaterjalide ohutus erinev. Näiteks liitiumraudfosfaat on oliviinikujuline, mis on suhteliselt stabiilne ja ei lagune kergesti. Liitiumkobaltaat ja liitiumkolmühend on aga kihiline struktuur, mida on lihtne kokku kukkuda. Separaatori valik on samuti väga oluline, kuna selle jõudlus on otseselt seotud raku ohutusega. Seetõttu tuleb raku valikul arvestada mitte ainult tuvastamisaruannetega, vaid ka tootja tootmisprotsessi, materjale ja nende parameetreid.

Struktuuri projekteerimine

Aku konstruktsiooni konstruktsioon arvestab peamiselt isolatsiooni ja soojuse hajumise nõudeid.

• Isolatsiooninõuded hõlmavad üldiselt järgmisi aspekte: positiivse ja negatiivse elektroodi vaheline isolatsioon; Isolatsioon raku ja korpuse vahel; Isolatsioon pooluste ja korpuse vahel; PCB elektriline vahekaugus ja roomamiskaugus, sisemine juhtmestiku disain, maanduse disain jne.
• Soojuse hajumine on mõeldud peamiselt mõne suure energiasalvestus- või veoaku jaoks. Nende akude suure energia tõttu on laadimisel ja tühjenemisel tekkiv soojus tohutu. Kui soojust ei suudeta õigel ajal hajutada, siis kuumus koguneb ja põhjustab õnnetusi. Seetõttu tuleks arvesse võtta korpuse materjalide valimist ja disaini (sellel peaks olema teatud mehaaniline tugevus ning tolmu- ja veekindlad nõuded), jahutussüsteemi ja muu sisemise soojusisolatsiooni, soojuse hajumise ja tulekustutussüsteemi valik.

Aku jahutussüsteemi valiku ja rakendamise kohta vaadake eelmist väljaannet.

Funktsionaalne ohutusdisain

Füüsikalised ja keemilised omadused määravad, et materjal ei saa piirata laadimis- ja tühjenduspinget. Kui laadimis- ja tühjenduspinge ületab nimivahemiku, põhjustab see liitiumakule pöördumatuid kahjustusi. Seetõttu on vaja liitiumaku töötamise ajal sisemise elemendi pinge ja voolu normaalseks hoidmiseks lisada kaitseahel. Akude BMS-i jaoks on vaja järgmisi funktsioone:

• Laadimise ülepingekaitse: ülelaadimine on termilise jooksmise üks peamisi põhjuseid. Pärast ülelaadimist variseb katoodi materjal liitiumioonide liigse vabanemise tõttu kokku ja negatiivsel elektroodil tekib ka liitiumi sadenemine, mis toob kaasa termilise stabiilsuse vähenemise ja kõrvalreaktsioonide suurenemise, millel on potentsiaalne termilise põgenemise oht. Seetõttu on eriti oluline vool õigeaegselt välja lülitada pärast seda, kui laadimine jõuab elemendi ülemise piirpingeni. See eeldab, et BMS-il oleks ülepingekaitse funktsioon, nii et elemendi pinge püsiks alati tööpiiris. Parem oleks, kui kaitsepinge ei oleks vahemiku väärtus ja varieerub suurel määral, kuna see võib põhjustada selle, et aku ei katkesta voolu õigel ajal, kui see on täielikult laetud, mille tulemuseks on ülelaadimine. BMS-i kaitsepinge on tavaliselt konstrueeritud nii, et see oleks sama või veidi madalam kui elemendi ülemine pinge.
• Ülevoolukaitse: aku laadimine, mille vool ületab laadimis- või tühjenemispiiri, võib põhjustada kuumuse akumuleerumist. Kui soojust koguneb piisavalt, et membraan sulatada, võib see põhjustada sisemise lühise. Seetõttu on oluline ka õigeaegne ülevoolukaitse. Peaksime tähelepanu pöörama sellele, et ülevoolukaitse ei saa olla suurem kui elemendi voolu tolerants konstruktsioonis.
• Tühjenemine pingekaitse all: liiga suur või liiga väike pinge kahjustab aku jõudlust. Pidev pinge all tühjenemine põhjustab vase sadenemise ja negatiivse elektroodi kokkuvarisemise, nii et üldiselt tekib akul pingekaitsefunktsiooni korral tühjenemine.
• Tühjenemise ülevoolukaitse: suurem osa PCB-st laadib ja tühjendab sama liidese kaudu, sel juhul on laadimis- ja tühjenemiskaitse vool ühtlane. Kuid mõned akud, eriti elektritööriistade akud, kiirlaadimine ja muud tüüpi akud, peavad kasutama suurt voolu tühjenemist või laadimist, vool on praegu ebaühtlane, seega on kõige parem laadida ja tühjendada kaheahelalise juhtimisega.
• Lühisekaitse: aku lühis on ka üks levinumaid rikkeid. Mõnda kokkupõrget, väärkasutust, pigistust, nõelamist, vee sissetungimist jne on kerge tekitada lühis. Lühis tekitab koheselt suure tühjendusvoolu, mille tulemuseks on aku temperatuuri järsk tõus. Samal ajal toimub rakus tavaliselt pärast välist lühist elektrokeemiliste reaktsioonide jada, mis toob kaasa rea ​​eksotermilisi reaktsioone. Lühisekaitse on ka omamoodi ülevoolukaitse. Kuid lühisevool on lõpmatu ning kuumus ja kahjustused on samuti lõpmatud, seega peab kaitse olema väga tundlik ja seda saab automaatselt käivitada. Tavalised lühisekaitsemeetmed hõlmavad kontaktoreid, kaitsmeid, mos-i jne.
• Kaitse ülekuumenemise eest: aku on ümbritseva õhu temperatuuri suhtes tundlik. Liiga kõrge või liiga madal temperatuur mõjutab selle jõudlust. Seetõttu on oluline hoida aku töökorras piirtemperatuuri piires. BMS-il peaks olema temperatuurikaitsefunktsioon, mis peatab aku, kui temperatuur on liiga kõrge või liiga madal. Seda saab isegi jagada laadimistemperatuuri kaitseks ja tühjendustemperatuuri kaitseks jne.
• Tasakaalustusfunktsioon: sülearvutite ja muude mitmeseerialiste akude puhul on elementide vahel erinevusi tootmisprotsessis. Näiteks on mõne raku sisemine takistus suurem kui teistel. See ebakõla süveneb järk-järgult väliskeskkonna mõjul. Seetõttu on raku tasakaalu rakendamiseks vajalik tasakaaluhalduse funktsioon. Üldiselt on kahte tüüpi tasakaalu:

1. Passiivne tasakaalustamine: kasutage riistvara, näiteks pinge võrdlusseadet, ja seejärel kasutage suure võimsusega aku liigse võimsuse vabastamiseks takistussoojuse hajumist. Kuid energiatarve on suur, tasanduskiirus aeglane ja efektiivsus madal.

2.Aktiivne tasakaalustamine: kasutage kondensaatoreid, et salvestada kõrgema pingega elementide võimsust ja vabastada see madalama pingega elementi. Kui aga kõrvuti asetsevate elementide vaheline rõhuerinevus on väike, on võrdsustamisaeg pikk ja võrdsustuspinge läve saab paindlikumalt seada.

Standardne valideerimine

Lõpuks, kui soovite, et teie akud pääseksid edukalt rahvusvahelisele või siseturule, peavad need vastama ka seotud standarditele, et tagada liitium-ioonaku ohutus. Akudest akude ja peremeestoodeteni peaksid vastama vastavatele testistandarditele. See artikkel keskendub elektrooniliste IT-toodete kodumaistele akukaitsenõuetele.

GB 31241-2022

See standard on mõeldud kaasaskantavate elektroonikaseadmete akudele. Peamiselt arvestab see termini 5.2 ohutuid tööparameetreid, PCM-i ohutusnõudeid 10.1 kuni 10.5, süsteemi kaitseahela ohutusnõudeid 11.1 kuni 11.5 (kui aku ise on kaitseta), 12.1 ja 12.2 järjepidevuse nõudeid ja lisa A (dokumentide jaoks). .

u Termin 5.2 nõuab elemendi ja aku parameetrite vastavust, mida võib mõista nii, et aku tööparameetrid ei tohiks ületada elementide vahemikku. Kas aku kaitseparameetrid peavad aga tagama, et aku tööparameetrid ei ületaks elementide vahemikku? Arusaamu on erinevaid, kuid aku disaini ohutuse seisukohast on vastus jaatav. Näiteks elemendi (või elemendiploki) maksimaalne laadimisvool on 3000mA, aku maksimaalne töövool ei tohiks ületada 3000mA ning aku kaitsevool peaks samuti tagama, et laadimisprotsessis olev vool ei ületaks 3000mA. Ainult nii saame tõhusalt kaitsta ja ohte vältida. Kaitseparameetrite kavandamise kohta vaadake lisa A. Selles käsitletakse kasutatava elemendi – aku – hosti parameetrite ülesehitust, mis on suhteliselt kõikehõlmav.

u Kaitseahelaga akude puhul on vajalik 10,1–10,5 aku kaitseahela ohutustest. Selles peatükis käsitletakse peamiselt ülepinge-, ülevoolu-, pinge- ja tühjenemis-, ülevoolu- ja lühisekaitset. Neid on eespool mainitudFunktsionaalne ohutuse disainja põhinõuded. GB 31241 nõuab 500 kontrollimist.

u Kui kaitseahelata akut kaitseb laadija või lõppseade, tuleb 11,1–11,5 süsteemi kaitseahela ohutustesti läbi viia välise kaitseseadmega. Peamiselt uuritakse laadimise ja tühjenemise pinge, voolu ja temperatuuri reguleerimist. Väärib märkimist, et võrreldes kaitseahelaga akudega saavad kaitseahelata akud tugineda ainult tegelikus kasutuses olevate seadmete kaitsele. Risk on suurem, seega testitakse tavatööd ja üksikuid rikketingimusi eraldi. See sunnib lõppseadmel olema topeltkaitse; vastasel juhul ei saa see 11. peatükis esitatud testi läbi.

u Lõpuks, kui akus on mitu seeriaelementi, peate arvestama tasakaalustamata laadimise nähtusega. Nõutav on 12. peatüki vastavustest. Siin uuritakse peamiselt PCB tasakaalu ja diferentsiaalrõhu kaitsefunktsioone. See funktsioon pole üheelemendiliste akude puhul vajalik.

GB 4943.1-2022

See standard on AV-toodete jaoks. Seoses akutoitel elektroonikatoodete laialdasema kasutamisega esitab GB 4943.1-2022 uus versioon akudele spetsiifilised nõuded lisas M, milles hinnatakse patareidega seadmeid ja nende kaitseahelaid. Aku kaitseahela hindamise põhjal on lisatud ka täiendavad ohutusnõuded sekundaarseid liitiumakusid sisaldavatele seadmetele.

u Sekundaarne liitiumaku kaitseahel uurib peamiselt ülelaadimist, tühjenemist, pöördlaadimist, laadimise ohutust (temperatuuri), lühisekaitset jne. Tuleb märkida, et kõik need testid nõuavad kaitseahelas ühte viga. Seda nõuet akustandardis GB 31241 ei mainita. Seega peame aku kaitsefunktsiooni kavandamisel ühendama aku ja hosti standardnõuded. Kui akul on ainult üks kaitse ja puuduvad üleliigsed komponendid või kui akul puudub kaitseahel ja kaitseahela tagab ainult host, tuleks sellesse testi osasse kaasata host.

Järeldus

Kokkuvõtteks võib öelda, et ohutu aku kujundamisel on lisaks materjali enda valikule võrdselt oluline ka sellele järgnev konstruktsiooniprojekt ja funktsionaalne ohutusprojekt. Kuigi erinevatel standarditel on toodetele erinevad nõuded, kui aku disaini ohutust saab täielikult lugeda erinevate turgude nõuetele vastavaks, saab tarneaega oluliselt lühendada ja toote turule toomist kiirendada. Lisaks erinevate riikide ja piirkondade seaduste, määruste ja standardite kombineerimisele on vaja tooteid kujundada ka akude tegeliku kasutuse alusel terminalitoodetes.