Derzeit ereignen sich die meisten Sicherheitsunfälle bei Lithium-Ionen-Batterien aufgrund des Versagens der Schutzschaltung, was zu einem thermischen Durchgehen der Batterie und zu Bränden und Explosionen führt. Um die sichere Verwendung von Lithiumbatterien zu gewährleisten, ist daher die Gestaltung der Schutzschaltung besonders wichtig, und alle Arten von Faktoren, die zum Ausfall von Lithiumbatterien führen, sollten berücksichtigt werden. Neben dem Produktionsprozess werden Ausfälle im Wesentlichen durch Änderungen der äußeren Extrembedingungen wie Überladung, Tiefentladung und hohe Temperaturen verursacht. Wenn diese Parameter in Echtzeit überwacht werden und bei Änderungen entsprechende Schutzmaßnahmen ergriffen werden, kann das Auftreten eines thermischen Durchgehens vermieden werden. Das Sicherheitsdesign von Lithiumbatterien umfasst mehrere Aspekte: Zellauswahl, Strukturdesign und funktionales Sicherheitsdesign von BMS.

Zellauswahl

Es gibt viele Faktoren, die die Zellsicherheit beeinflussen, wobei die Wahl des Zellmaterials die Grundlage bildet. Aufgrund unterschiedlicher chemischer Eigenschaften variiert die Sicherheit bei verschiedenen Kathodenmaterialien von Lithiumbatterien. Lithiumeisenphosphat hat beispielsweise die Form eines Olivins, das relativ stabil ist und nicht leicht zusammenbricht. Lithiumkobaltat und ternäres Lithium sind jedoch Schichtstrukturen, die leicht kollabieren. Auch die Auswahl des Separators ist sehr wichtig, da seine Leistung in direktem Zusammenhang mit der Sicherheit der Zelle steht. Daher müssen bei der Auswahl der Zelle nicht nur Nachweisberichte, sondern auch der Produktionsprozess, die Materialien und deren Parameter des Herstellers berücksichtigt werden.

Strukturdesign

Bei der Strukturgestaltung der Batterie werden vor allem die Anforderungen an Isolierung und Wärmeableitung berücksichtigt.

• Isolationsanforderungen umfassen im Allgemeinen die folgenden Aspekte: Isolierung zwischen positiver und negativer Elektrode; Isolierung zwischen Zelle und Gehäuse; Isolierung zwischen Polzungen und Gehäuse; Elektrische Abstände und Kriechstrecken der Leiterplatte, interne Verdrahtungskonstruktion, Erdungskonstruktion usw.
• Die Wärmeableitung erfolgt hauptsächlich bei einigen großen Energiespeichern oder Traktionsbatterien. Aufgrund der hohen Energie dieser Batterien entsteht beim Laden und Entladen eine enorme Wärmeentwicklung. Wenn die Wärme nicht rechtzeitig abgeführt werden kann, kommt es zu einem Hitzestau und zu Unfällen. Daher sollten die Auswahl und Gestaltung der Gehäusematerialien (sie sollten bestimmte mechanische Festigkeits- sowie Staub- und Wasserdichtigkeitsanforderungen erfüllen), die Auswahl des Kühlsystems und anderer interner Wärmeisolierungen, Wärmeableitungs- und Feuerlöschsysteme berücksichtigt werden.

Zur Auswahl und Anwendung des Batteriekühlsystems beachten Sie bitte die vorherige Ausgabe.

Funktionales Sicherheitsdesign

Die physikalischen und chemischen Eigenschaften bestimmen, dass das Material die Lade- und Entladespannung nicht begrenzen kann. Sobald die Lade- und Entladespannung den Nennbereich überschreitet, führt dies zu irreversiblen Schäden an der Lithiumbatterie. Daher ist es notwendig, eine Schutzschaltung hinzuzufügen, um die Spannung und den Strom der internen Zelle im Normalzustand zu halten, wenn die Lithiumbatterie in Betrieb ist. Für das BMS von Batterien sind folgende Funktionen erforderlich:

• Überspannungsschutz beim Laden: Überladung ist einer der Hauptgründe für thermisches Durchgehen. Nach einer Überladung kollabiert das Kathodenmaterial aufgrund der übermäßigen Freisetzung von Lithiumionen, und an der negativen Elektrode kommt es ebenfalls zu einer Lithiumausfällung, was zu einer Abnahme der thermischen Stabilität und einer Zunahme von Nebenreaktionen führt, die potenziell das Risiko eines thermischen Durchgehens bergen. Daher ist es besonders wichtig, den Strom rechtzeitig zu unterbrechen, nachdem der Ladevorgang die obere Grenzspannung der Zelle erreicht hat. Dies erfordert, dass das BMS über die Funktion eines Überspannungsschutzes beim Laden verfügt, sodass die Spannung der Zelle immer innerhalb der Betriebsgrenze gehalten wird. Es wäre besser, wenn die Schutzspannung kein Bereichswert ist und stark schwankt, da dies dazu führen kann, dass die Batterie den Strom nicht rechtzeitig abschaltet, wenn sie vollständig geladen ist, was zu einer Überladung führt. Die Schutzspannung des BMS ist normalerweise so ausgelegt, dass sie der oberen Spannung der Zelle entspricht oder geringfügig darunter liegt.
• Überstromschutz beim Laden: Das Laden eines Akkus mit einem Strom über dem Lade- oder Entladegrenzwert kann zu einem Wärmestau führen. Wenn sich so viel Wärme ansammelt, dass die Membran schmilzt, kann es zu einem internen Kurzschluss kommen. Daher ist auch ein rechtzeitiger Überstromschutz beim Laden unerlässlich. Wir sollten darauf achten, dass der Überstromschutz nicht höher sein darf als die Zellenstromtoleranz im Design.
• Unterspannungsschutz: Eine zu große oder zu kleine Spannung beeinträchtigt die Batterieleistung. Eine kontinuierliche Entladung unter Spannung führt zur Ausfällung des Kupfers und zum Kollaps der negativen Elektrode, so dass die Batterie im Allgemeinen über eine Funktion zum Schutz vor Entladung unter Spannung verfügt.
• Entladungsüberstromschutz: Der Großteil des PCB-Ladens und -Entladens erfolgt über dieselbe Schnittstelle. In diesem Fall ist der Lade- und Entladeschutzstrom konsistent. Einige Batterien, insbesondere Batterien für Elektrowerkzeuge, Schnellladebatterien und andere Batterietypen, müssen jedoch einen großen Entlade- oder Ladestrom verwenden. Der Strom ist zu diesem Zeitpunkt inkonsistent, daher ist es am besten, das Laden und Entladen in zwei Schleifen zu steuern.
• Kurzschlussschutz: Auch ein Batteriekurzschluss gehört zu den häufigsten Fehlern. Einige Kollisionen, Missbrauch, Quetschungen, Nadelstiche, Wassereintritt usw. können leicht zu einem Kurzschluss führen. Ein Kurzschluss erzeugt sofort einen großen Entladestrom, was zu einem starken Anstieg der Batterietemperatur führt. Gleichzeitig laufen in der Zelle nach äußerem Kurzschluss meist eine Reihe elektrochemischer Reaktionen ab, die zu einer Reihe exothermer Reaktionen führen. Der Kurzschlussschutz ist auch eine Art Überstromschutz. Aber der Kurzschlussstrom wird unendlich sein, und die Hitze und der Schaden sind ebenfalls unendlich, daher muss der Schutz sehr empfindlich sein und kann automatisch ausgelöst werden. Zu den üblichen Kurzschlussschutzmaßnahmen gehören Schütze, Sicherungen, MOS usw.
• Übertemperaturschutz: Der Akku reagiert empfindlich auf die Umgebungstemperatur. Eine zu hohe oder zu niedrige Temperatur beeinträchtigt die Leistung. Daher ist es wichtig, den Batteriebetrieb innerhalb der Grenztemperatur zu halten. Das BMS sollte über eine Temperaturschutzfunktion verfügen, um die Batterie zu stoppen, wenn die Temperatur zu hoch oder zu niedrig ist. Es kann sogar in Ladetemperaturschutz und Entladetemperaturschutz usw. unterteilt werden.
• Ausgleichsfunktion: Bei Notebook- und anderen Multiserien-Akkus kommt es aufgrund der Unterschiede im Produktionsprozess zu Inkonsistenzen zwischen den Zellen. Beispielsweise ist der Innenwiderstand einiger Zellen größer als bei anderen. Diese Inkonsistenz wird sich unter dem Einfluss der äußeren Umgebung allmählich verschlimmern. Daher ist eine Gleichgewichtsmanagementfunktion erforderlich, um das Gleichgewicht der Zelle zu erreichen. Im Allgemeinen gibt es zwei Arten von Gleichgewichten:

1. Passiver Ausgleich: Verwenden Sie Hardware wie einen Spannungskomparator und nutzen Sie dann die Widerstandswärmeableitung, um die überschüssige Leistung der Hochleistungsbatterie abzugeben. Der Energieverbrauch ist jedoch hoch, die Ausgleichsgeschwindigkeit langsam und der Wirkungsgrad gering.

2. Aktiver Ausgleich: Verwenden Sie Kondensatoren, um die Energie der Zellen mit höherer Spannung zu speichern und an die Zelle mit niedrigerer Spannung abzugeben. Wenn jedoch die Druckdifferenz zwischen benachbarten Zellen gering ist, ist die Ausgleichszeit lang und die Ausgleichsspannungsschwelle kann flexibler eingestellt werden.

Standardvalidierung

Wenn Sie möchten, dass Ihre Batterien erfolgreich auf den internationalen oder inländischen Markt gelangen, müssen sie auch die entsprechenden Standards erfüllen, um die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien zu gewährleisten. Von Zellen über Batterien bis hin zu Hostprodukten sollten entsprechende Teststandards eingehalten werden. Dieser Artikel konzentriert sich auf die häuslichen Batterieschutzanforderungen für elektronische IT-Produkte.

GB 31241-2022

Diese Norm gilt für Batterien tragbarer elektronischer Geräte. Dabei werden hauptsächlich die sicheren Arbeitsparameter der Begriffe 5.2, 10.1 bis 10.5 Sicherheitsanforderungen für PCM, 11.1 bis 11.5 Sicherheitsanforderungen an die Systemschutzschaltung (wenn die Batterie selbst ohne Schutz ist), 12.1 und 12.2 Anforderungen an die Konsistenz und Anhang A (für Dokumente) berücksichtigt. .

u Term 5.2 erfordert, dass die Zell- und Batterieparameter übereinstimmen, was so verstanden werden kann, dass die Arbeitsparameter der Batterie den Bereich der Zellen nicht überschreiten sollten. Müssen jedoch die Batterieschutzparameter sichergestellt werden, damit die Batteriebetriebsparameter die Reichweite der Zellen nicht überschreiten? Es gibt unterschiedliche Auffassungen, aber aus Sicht der Sicherheit des Batteriedesigns lautet die Antwort „Ja“. Beispielsweise beträgt der maximale Ladestrom einer Zelle (oder eines Zellblocks) 3000 mA, der maximale Arbeitsstrom der Batterie sollte 3000 mA nicht überschreiten und der Schutzstrom der Batterie sollte auch dafür sorgen, dass der Strom beim Ladevorgang nicht überschritten wird 3000mA. Nur so können wir Gefahren effektiv schützen und vermeiden. Informationen zum Design der Schutzparameter finden Sie in Anhang A. Darin wird das Parameterdesign der verwendeten Zelle – Batterie – Host berücksichtigt, das relativ umfassend ist.

u Für Batterien mit Schutzschaltung ist ein 10,1-10,5-Sicherheitstest für die Batterieschutzschaltung erforderlich. In diesem Kapitel werden hauptsächlich der Lade-Überspannungsschutz, der Lade-Überstromschutz, der Entlade-Unterspannungsschutz, der Entlade-Überstromschutz und der Kurzschlussschutz untersucht. Diese sind oben erwähntFunktionales Sicherheitsdesignund die Grundvoraussetzungen. GB 31241 erfordert eine 500-malige Überprüfung.

u Wenn die Batterie ohne Schutzschaltung durch ihr Ladegerät oder Endgerät geschützt wird, muss der Sicherheitstest der Systemschutzschaltung 11.1~11.5 mit der externen Schutzvorrichtung durchgeführt werden. Hauptsächlich werden Spannungs-, Strom- und Temperatursteuerung beim Laden und Entladen untersucht. Es ist zu beachten, dass Batterien ohne Schutzschaltung im Vergleich zu Batterien mit Schutzschaltungen nur auf den Schutz von Geräten im tatsächlichen Gebrauch vertrauen können. Das Risiko ist höher, daher werden der Normalbetrieb und die Einzelfehlerbedingungen separat getestet. Dies erzwingt, dass das Endgerät über einen doppelten Schutz verfügt; andernfalls kann es den Test in Kapitel 11 nicht bestehen.

u Wenn sich in einer Batterie mehrere Zellen in Reihe befinden, müssen Sie schließlich das Phänomen der unausgeglichenen Ladung berücksichtigen. Ein Konformitätstest gemäß Kapitel 12 ist erforderlich. Hier werden hauptsächlich die Gleichgewichts- und Differenzdruckschutzfunktionen von PCB untersucht. Bei Einzelzellenbatterien ist diese Funktion nicht erforderlich.

GB 4943.1-2022

Dieser Standard gilt für AV-Produkte. Angesichts der zunehmenden Verwendung batteriebetriebener elektronischer Produkte enthält die neue Version von GB 4943.1-2022 in Anhang M spezifische Anforderungen für Batterien und bewertet Geräte mit Batterien und deren Schutzschaltungen. Basierend auf der Bewertung der Batterieschutzschaltung wurden auch zusätzliche Sicherheitsanforderungen für Geräte mit sekundären Lithiumbatterien hinzugefügt.

u Die Schutzschaltung für sekundäre Lithiumbatterien untersucht hauptsächlich Überladung, Tiefentladung, Rückwärtsladung, Ladesicherheitsschutz (Temperatur), Kurzschlussschutz usw. Es ist zu beachten, dass diese Tests alle einen einzigen Fehler in der Schutzschaltung erfordern. Diese Anforderung wird im Batteriestandard GB 31241 nicht erwähnt. Daher müssen wir bei der Gestaltung der Batterieschutzfunktion die Standardanforderungen von Batterie und Host kombinieren. Wenn die Batterie nur über einen Schutz und keine redundanten Komponenten verfügt oder die Batterie über keine Schutzschaltung verfügt und die Schutzschaltung nur vom Host bereitgestellt wird, sollte der Host in diesen Teil des Tests einbezogen werden.

Abschluss

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass für die Gestaltung einer sicheren Batterie neben der Wahl des Materials selbst auch die anschließende Strukturgestaltung und die funktionale Sicherheitsgestaltung gleichermaßen wichtig sind. Obwohl verschiedene Standards unterschiedliche Anforderungen an Produkte stellen, kann die Vorlaufzeit erheblich verkürzt und die Markteinführung des Produkts beschleunigt werden, wenn die Sicherheit des Batteriedesigns vollständig berücksichtigt wird, um die Anforderungen verschiedener Märkte zu erfüllen. Neben der Kombination der Gesetze, Vorschriften und Standards verschiedener Länder und Regionen ist es auch notwendig, Produkte auf der Grundlage der tatsächlichen Verwendung von Batterien in Endgeräten zu entwerfen.