Şu anda, lityum iyon pillerdeki güvenlik kazalarının çoğu, koruma devresinin arızalanması nedeniyle meydana geliyor, bu da pilin termal kaçmasına neden oluyor ve yangın ve patlamayla sonuçlanıyor. Bu nedenle lityum pilin güvenli kullanımını gerçekleştirmek için koruma devresinin tasarımı özellikle önemlidir ve lityum pilin arızalanmasına neden olan her türlü faktör dikkate alınmalıdır. Arızalar, üretim sürecinin yanı sıra temel olarak aşırı şarj, aşırı deşarj ve yüksek sıcaklık gibi aşırı dış koşullardaki değişikliklerden de kaynaklanmaktadır. Bu parametreler gerçek zamanlı olarak izlenirse ve değiştiklerinde ilgili koruyucu önlemler alınırsa, termal kaçağın oluşması önlenebilir. Lityum pilin güvenlik tasarımı çeşitli hususları içerir: hücre seçimi, yapısal tasarım ve BMS'nin işlevsel güvenlik tasarımı.

Hücre seçimi

Hücre malzemesi seçiminin temel oluşturduğu hücre güvenliğini etkileyen birçok faktör vardır. Farklı kimyasal özellikler nedeniyle, lityum pilin farklı katot malzemelerinin güvenliği farklılık gösterir. Örneğin, lityum demir fosfat olivin şeklindedir, nispeten stabildir ve çökmesi kolay değildir. Ancak lityum kobaltat ve lityum üçlüsü, çökmesi kolay katmanlı bir yapıdır. Separatör seçimi de oldukça önemlidir çünkü performansı doğrudan hücrenin güvenliği ile ilgilidir. Bu nedenle hücre seçiminde sadece tespit raporları değil aynı zamanda üreticinin üretim süreci, malzemeleri ve parametreleri de dikkate alınmalıdır.

Yapı tasarımı

Pilin yapı tasarımı esas olarak yalıtım ve ısı dağılımı gereksinimlerini dikkate alır.

• Yalıtım gereksinimleri genellikle aşağıdaki hususları içerir: Pozitif ve negatif elektrot arasındaki yalıtım; Hücre ve mahfaza arasındaki yalıtım; Kutup tırnakları ve mahfaza arasındaki yalıtım; PCB elektrik aralığı ve kaçak mesafesi, dahili kablolama tasarımı, topraklama tasarımı vb.
• Isı dağıtımı esas olarak bazı büyük enerji depolama veya çekiş aküleri içindir. Bu pillerin yüksek enerjisi nedeniyle şarj ve deşarj sırasında ortaya çıkan ısı çok büyüktür. Isının zamanında dağıtılamaması durumunda ısı birikerek kazalara neden olur. Bu nedenle, mahfaza malzemelerinin seçimi ve tasarımı (belirli mekanik dayanıma ve toz geçirmezlik ve su geçirmezlik gereksinimlerine sahip olmalıdır), soğutma sistemi ve diğer iç ısı yalıtımı, ısı dağıtımı ve yangın söndürme sisteminin seçimi dikkate alınmalıdır.

Akü soğutma sisteminin seçimi ve uygulaması için lütfen bir önceki yayına bakınız.

Fonksiyonel güvenlik tasarımı

Fiziksel ve kimyasal özellikler, malzemenin şarj ve deşarj voltajını sınırlayamayacağını belirler. Şarj ve deşarj voltajı nominal aralığı aştığında lityum pilde geri dönüşü olmayan hasara neden olur. Bu nedenle, lityum pil çalışırken dahili hücrenin voltajını ve akımını normal durumda tutmak için koruma devresini eklemek gerekir. Pillerin BMS'si için aşağıdaki işlevler gereklidir:

• Aşırı şarj voltajı koruması: Aşırı şarj, termal kaçağın ana nedenlerinden biridir. Aşırı şarjdan sonra, aşırı lityum iyon salınımı nedeniyle katot malzemesi çökecek ve negatif elektrotta da lityum çökelmesi meydana gelecek, bu da termal stabilitenin azalmasına ve potansiyel termal kaçak riski taşıyan yan reaksiyonların artmasına neden olacaktır. Bu nedenle şarjın hücrenin üst limit voltajına ulaşmasından sonra akımın zamanında kesilmesi özellikle önemlidir. Bu, BMS'nin aşırı voltaj korumasını şarj etme fonksiyonuna sahip olmasını gerektirir, böylece hücrenin voltajı her zaman çalışma limiti dahilinde tutulur. Koruma voltajının bir aralık değeri olmaması ve çok değişken olması daha iyi olacaktır çünkü bu durum akünün tam şarj olduğunda zamanında akımı kesememesine ve aşırı şarja neden olabilir. BMS'nin koruma voltajı genellikle hücrenin üst voltajıyla aynı veya biraz daha düşük olacak şekilde tasarlanmıştır.
• Aşırı akım koruması: Bir pilin şarj veya deşarj sınırının üzerinde akımla şarj edilmesi ısı birikmesine neden olabilir. Diyaframı eritmeye yetecek kadar ısı biriktiğinde dahili kısa devreye neden olabilir. Bu nedenle aşırı akım korumasının zamanında şarj edilmesi de önemlidir. Tasarımda aşırı akım korumanın hücre akım toleransından daha yüksek olamayacağına dikkat etmeliyiz.
• Düşük voltaj koruması: Çok büyük veya çok küçük voltaj, pil performansına zarar verir. Gerilim altında sürekli deşarj, bakırın çökelmesine ve negatif elektrotun çökmesine neden olur, bu nedenle genellikle pilin voltaj koruma fonksiyonu altında deşarjı olacaktır.
• Deşarj aşırı akım koruması: PCB'nin çoğu aynı arayüz üzerinden şarj edilir ve deşarj edilir, bu durumda şarj ve deşarj koruma akımı tutarlıdır. Ancak bazı piller, özellikle elektrikli aletler için piller, hızlı şarj ve diğer pil türlerinin büyük akım deşarjı veya şarjı kullanması gerekir, akım şu anda tutarsızdır, bu nedenle iki döngü kontrolünde şarj etmek ve boşaltmak en iyisidir.
• Kısa devre koruması: Akü kısa devresi de en yaygın arızalardan biridir. Bazı çarpışma, yanlış kullanım, sıkışma, iğnelenme, su girişi vb. durumların kısa devreye neden olması kolaydır. Kısa devre anında büyük bir deşarj akımı üretecek ve bu da pil sıcaklığının keskin bir şekilde artmasına neden olacaktır. Aynı zamanda, dış kısa devreden sonra hücrede genellikle bir dizi ekzotermik reaksiyona yol açan bir dizi elektrokimyasal reaksiyon meydana gelir. Kısa devre koruması da bir çeşit aşırı akım korumasıdır. Ancak kısa devre akımı sonsuz olacağı gibi ısı ve zarar da sonsuz olacaktır, dolayısıyla korumanın çok hassas olması ve otomatik olarak tetiklenebilmesi gerekir. Yaygın kısa devre koruma önlemleri arasında kontaktörler, sigorta, mos vb. yer alır.
• Aşırı sıcaklık koruması: Pil ortam sıcaklığına duyarlıdır. Çok yüksek veya çok düşük sıcaklık performansını etkileyecektir. Bu nedenle akünün limit sıcaklıkta çalışmasını sağlamak önemlidir. BMS, sıcaklık çok yüksek veya çok düşük olduğunda aküyü durduracak bir sıcaklık koruma fonksiyonuna sahip olmalıdır. Hatta şarj sıcaklığı koruması ve deşarj sıcaklığı koruması vb. olarak alt bölümlere ayrılabilir.
• Dengeleme işlevi: Dizüstü bilgisayar ve diğer çok serili piller için, üretim sürecindeki farklılıklar nedeniyle hücreler arasında tutarsızlık vardır. Örneğin bazı hücrelerin iç direnci diğerlerinden daha fazladır. Bu tutarsızlık dış çevrenin etkisiyle giderek daha da kötüleşecektir. Bu nedenle hücrenin dengesinin sağlanabilmesi için denge yönetimi fonksiyonunun olması gerekmektedir. Genellikle iki tür denge vardır:

1.Pasif dengeleme: Gerilim karşılaştırıcı gibi donanımları kullanın ve ardından yüksek kapasiteli pilin aşırı gücünü serbest bırakmak için dirençli ısı dağılımını kullanın. Ancak enerji tüketimi fazla, dengeleme hızı yavaş ve verimlilik düşük.

2. Aktif dengeleme: Daha yüksek gerilime sahip hücrelerin gücünü depolamak için kapasitörler kullanılır ve bu güç daha düşük gerilime sahip hücreye verilir. Bununla birlikte, bitişik hücreler arasındaki basınç farkı küçük olduğunda dengeleme süresi uzun olur ve dengeleme voltajı eşiği daha esnek bir şekilde ayarlanabilir.

Standart doğrulama

Son olarak, pillerinizin uluslararası veya yerel pazara başarılı bir şekilde girmesini istiyorsanız, lityum iyon pillerin güvenliğini sağlamak için ilgili standartları da karşılamaları gerekir. Hücrelerden pillere ve ana ürünlere kadar tüm ürünler ilgili test standartlarını karşılamalıdır. Bu makale, elektronik BT ürünlerine yönelik yerel pil koruma gereksinimlerine odaklanacaktır.

GB 31241-2022

Bu standart, taşınabilir elektronik cihazların pilleri içindir. Temel olarak terim 5.2 güvenli çalışma parametrelerini, PCM için 10.1 ila 10.5 güvenlik gerekliliklerini, sistem koruma devresine ilişkin 11.1 ila 11.5 güvenlik gerekliliklerini (pilin kendisi korumasız olduğunda), tutarlılık için 12.1 ve 12.2 gerekliliklerini ve Ek A'yı (belgeler için) dikkate alır. .

u Terim 5.2, hücre ve akü parametrelerinin eşleşmesini gerektirir; bu, akünün çalışma parametrelerinin hücre aralığını aşmaması gerektiği şeklinde anlaşılabilir. Ancak akü koruma parametrelerinin akü çalışma parametrelerinin hücre aralığını aşmamasını sağlamak gerekiyor mu? Farklı anlayışlar var, ancak pil tasarımı güvenliği açısından cevap evet. Örneğin, bir hücrenin (veya hücre bloğunun) maksimum şarj akımı 3000mA'dır, pilin maksimum çalışma akımı 3000mA'yı geçmemelidir ve pilin koruma akımı da şarj işlemindeki akımın aşmamasını sağlamalıdır. 3000mA. Ancak bu şekilde tehlikeleri etkili bir şekilde koruyabilir ve önleyebiliriz. Koruma parametrelerinin tasarımı için lütfen Ek A'ya bakın. Oldukça kapsamlı olan, kullanımdaki hücre - pil - ana bilgisayarın parametre tasarımını dikkate alır.

u Koruma devresine sahip aküler için 10.1~10.5 akü koruma devresi güvenlik testi gereklidir. Bu bölümde esas olarak şarj aşırı gerilim koruması, şarj aşırı akım koruması, düşük gerilim koruması, deşarj aşırı akım koruması ve kısa devre koruması incelenmektedir. Yukarıda bahsedilenlerFonksiyonel Güvenlik Tasarımıve temel gereksinimler. GB 31241, 500 kez kontrol yapılmasını gerektirir.

u Koruma devresi olmayan akü, şarj cihazı veya uç cihazı tarafından korunuyorsa, 11.1~11.5 sistem koruma devresinin güvenlik testi harici koruma cihazı ile yapılmalıdır. Temel olarak şarj ve deşarjın gerilim, akım ve sıcaklık kontrolü incelenmektedir. Koruma devreli akülerle karşılaştırıldığında, koruma devresi olmayan akülerin yalnızca fiili kullanımda ekipmanın korunmasına güvenebileceğini belirtmekte fayda var. Risk daha yüksektir, dolayısıyla normal çalışma ve tek arıza koşulları ayrı ayrı test edilecektir. Bu, uç cihazın ikili korumaya sahip olmasını zorlar; aksi takdirde Bölüm 11'deki testi geçemez.

Son olarak, bir pilde birden fazla seri hücre varsa dengesiz şarj olgusunu dikkate almanız gerekir. Bölüm 12'nin uygunluk testi gereklidir. Burada esas olarak PCB'nin denge ve fark basınç koruma fonksiyonları incelenmektedir. Bu işlev tek hücreli piller için gerekli değildir.

GB 4943.1-2022

Bu standart AV ürünleri içindir. Pille çalışan elektronik ürünlerin kullanımının artmasıyla birlikte, GB 4943.1-2022'nin yeni versiyonu Ek M'de piller için özel gereklilikler vererek, pilli ekipmanı ve bunların koruma devrelerini değerlendirmektedir. Pil koruma devresinin değerlendirilmesine dayanarak, ikincil lityum pil içeren ekipmanlar için ek güvenlik gereksinimleri de eklenmiştir.

u İkincil lityum pil koruma devresi esas olarak aşırı şarjı, aşırı deşarjı, ters şarjı, şarj güvenlik korumasını (sıcaklık), kısa devre korumasını vb. araştırır. Bu testlerin hepsinin koruma devresinde tek bir hata gerektirdiğine dikkat edilmelidir. Bu gereklilik GB 31241 pil standardında belirtilmemiştir. Dolayısıyla pil koruma fonksiyonunun tasarımında pil ve ana bilgisayarın standart gereksinimlerini birleştirmemiz gerekir. Pilin yalnızca bir koruması varsa ve yedek bileşeni yoksa veya pilin koruma devresi yoksa ve koruma devresi yalnızca ana bilgisayar tarafından sağlanıyorsa, testin bu kısmına ana bilgisayar dahil edilmelidir.

Çözüm

Sonuç olarak, güvenli bir batarya tasarlamak için malzemenin kendisinin seçimine ek olarak, sonraki yapısal tasarım ve fonksiyonel güvenlik tasarımı da aynı derecede önemlidir. Farklı standartların ürünler için farklı gereksinimleri olmasına rağmen, pil tasarımının güvenliğinin farklı pazarların gereksinimlerini karşılayacak şekilde tamamen dikkate alınması halinde, teslim süresi büyük ölçüde azaltılabilir ve ürünün piyasaya sürülmesi hızlandırılabilir. Farklı ülke ve bölgelerin yasa, yönetmelik ve standartlarını birleştirmenin yanı sıra, terminal ürünlerde pillerin fiili kullanımına dayalı ürünler tasarlamak da gerekmektedir.