Atualmente, a maioria dos acidentes de segurança das baterias de íon-lítio ocorre devido à falha do circuito de proteção, o que causa fuga térmica da bateria e resulta em incêndio e explosão. Portanto, para realizar o uso seguro da bateria de lítio, o projeto do circuito de proteção é particularmente importante, e todos os tipos de fatores que causam a falha da bateria de lítio devem ser levados em consideração. Além do processo de produção, as falhas são causadas basicamente por alterações nas condições externas extremas, como sobrecarga, descarga excessiva e alta temperatura. Se estes parâmetros forem monitorados em tempo real e forem tomadas medidas de proteção correspondentes quando eles mudarem, a ocorrência de fuga térmica poderá ser evitada. O projeto de segurança da bateria de lítio inclui vários aspectos: seleção de células, projeto estrutural e projeto de segurança funcional do BMS.

Seleção de células

Existem muitos fatores que afetam a segurança celular, nos quais a escolha do material celular é a base. Devido às diferentes propriedades químicas, a segurança varia em diferentes materiais catódicos da bateria de lítio. Por exemplo, o fosfato de ferro-lítio tem a forma de olivina, que é relativamente estável e não é fácil de colapsar. O cobaltato de lítio e o ternário de lítio, entretanto, são estruturas em camadas que são fáceis de colapsar. A seleção do separador também é muito importante, pois seu desempenho está diretamente relacionado à segurança da célula. Portanto, na seleção da célula, devem ser considerados não apenas os relatórios de detecção, mas também o processo de produção do fabricante, os materiais e seus parâmetros.

Projeto de estrutura

O projeto da estrutura da bateria considera principalmente os requisitos de isolamento e dissipação de calor.

• Os requisitos de isolamento geralmente envolvem os seguintes aspectos: Isolamento entre eletrodo positivo e negativo; Isolamento entre célula e gabinete; Isolamento entre as abas do poste e o invólucro; Espaçamento elétrico da PCB e distância de fuga, projeto de fiação interna, projeto de aterramento, etc.
• A dissipação de calor ocorre principalmente para algumas grandes baterias de armazenamento de energia ou de tração. Devido à alta energia dessas baterias, o calor gerado durante a carga e descarga é enorme. Se o calor não puder ser dissipado a tempo, ele se acumulará e resultará em acidentes. Portanto, a seleção e o projeto dos materiais do invólucro (devem ter certa resistência mecânica e requisitos à prova de poeira e à prova d'água), a seleção do sistema de refrigeração e outros sistemas de isolamento térmico interno, dissipação de calor e sistema de extinção de incêndio devem ser levados em consideração.

Para a seleção e aplicação do sistema de refrigeração da bateria, consulte a edição anterior.

Projeto de segurança funcional

As propriedades físicas e químicas determinam que o material não pode limitar a tensão de carga e descarga. Uma vez que a tensão de carga e descarga exceda a faixa nominal, causará danos irreversíveis à bateria de lítio. Portanto, é necessário adicionar o circuito de proteção para manter a tensão e a corrente da célula interna em estado normal quando a bateria de lítio estiver funcionando. Para BMS de baterias, são necessárias as seguintes funções:

• Proteção contra sobretensão de carga: a sobrecarga é uma das principais razões para a fuga térmica. Após a sobrecarga, o material do cátodo entrará em colapso devido à liberação excessiva de íons de lítio, e o eletrodo negativo também terá precipitação de lítio, o que leva à diminuição da estabilidade térmica e ao aumento de reações colaterais, que apresentam risco potencial de fuga térmica. Portanto, é particularmente importante cortar a corrente a tempo após o carregamento atingir a tensão limite superior da célula. Isso exige que o BMS tenha a função de proteção contra sobretensão de carga, para que a tensão da célula seja sempre mantida dentro do limite de trabalho. Seria melhor que a tensão de proteção não fosse um valor de faixa e variasse amplamente, pois pode fazer com que a bateria não corte a corrente a tempo quando estiver totalmente carregada, resultando em sobrecarga. A tensão de proteção do BMS geralmente é projetada para ser igual ou ligeiramente inferior à tensão superior da célula.
• Proteção contra sobrecarga de corrente: Carregar uma bateria com corrente superior ao limite de carga ou descarga pode causar acúmulo de calor. Quando o calor se acumula o suficiente para derreter o diafragma, pode causar um curto-circuito interno. Portanto, o carregamento oportuno sobre a proteção de corrente também é essencial. Devemos prestar atenção que a proteção contra sobrecorrente não pode ser superior à tolerância de corrente da célula no projeto.
• Proteção contra subtensão de descarga: Tensão muito grande ou muito pequena danificará o desempenho da bateria. A descarga contínua sob tensão fará com que o cobre precipite e o eletrodo negativo entre em colapso, então geralmente a bateria terá função de proteção contra descarga sob tensão.
• Proteção contra sobrecorrente de descarga: A maior parte do PCB carrega e descarrega através da mesma interface, neste caso a corrente de proteção de carga e descarga é consistente. Mas algumas baterias, especialmente baterias para ferramentas elétricas, carregamento rápido e outros tipos de baterias, precisam usar grande descarga ou carregamento de corrente, a corrente é inconsistente neste momento, por isso é melhor carregar e descarregar em controle de dois loops.
• Proteção contra curto-circuito: O curto-circuito da bateria também é uma das falhas mais comuns. Algumas colisões, uso indevido, aperto, agulhamento, entrada de água, etc., são fáceis de induzir curto-circuito. Um curto-circuito gerará imediatamente uma grande corrente de descarga, resultando em um aumento acentuado na temperatura da bateria. Ao mesmo tempo, uma série de reações eletroquímicas geralmente ocorre na célula após um curto-circuito externo, o que leva a uma série de reações exotérmicas. A proteção contra curto-circuito também é um tipo de proteção contra sobrecorrente. Mas a corrente de curto-circuito será infinita, e o calor e os danos também serão infinitos, portanto a proteção deve ser muito sensível e pode ser acionada automaticamente. As medidas comuns de proteção contra curto-circuito incluem contatores, fusíveis, mos, etc.
• Proteção contra superaquecimento: A bateria é sensível à temperatura ambiente. Temperatura muito alta ou muito baixa afetará seu desempenho. Portanto, é importante manter a bateria funcionando dentro da temperatura limite. O BMS deve ter uma função de proteção de temperatura para parar a bateria quando a temperatura estiver muito alta ou muito baixa. Pode até ser subdividido em proteção de temperatura de carga e proteção de temperatura de descarga, etc.
• Função de balanceamento: Para notebooks e outras baterias multisséries, há inconsistência entre as células devido às diferenças no processo de produção. Por exemplo, a resistência interna de algumas células é maior que outras. Esta inconsistência irá piorar gradualmente sob a influência do ambiente externo. Portanto, é necessário ter uma função de gerenciamento de saldo para implementar o equilíbrio da célula. Geralmente existem dois tipos de equilíbrio:

1. Balanceamento passivo: Use hardware, como comparador de tensão, e, em seguida, use a dissipação de calor por resistência para liberar o excesso de energia da bateria de alta capacidade. Mas o consumo de energia é grande, a velocidade de equalização é lenta e a eficiência é baixa.

2. Balanceamento ativo: use capacitores para armazenar energia das células com tensão mais alta e liberá-la para a célula com tensão mais baixa. No entanto, quando a diferença de pressão entre células adjacentes é pequena, o tempo de equalização é longo e o limite de tensão de equalização pode ser definido de forma mais flexível.

Validação padrão

Por fim, se você deseja que suas baterias entrem com sucesso no mercado nacional ou internacional, elas também precisam atender aos padrões relacionados para garantir a segurança da bateria de íons de lítio. De células a baterias e produtos hospedeiros devem atender aos padrões de teste correspondentes. Este artigo se concentrará nos requisitos domésticos de proteção de baterias para produtos eletrônicos de TI.

GB31241-2022

Este padrão se aplica a baterias de dispositivos eletrônicos portáteis. Ele considera principalmente os parâmetros de trabalho seguro do termo 5.2, requisitos de segurança 10.1 a 10.5 para PCM, requisitos de segurança 11.1 a 11.5 no circuito de proteção do sistema (quando a própria bateria está sem proteção), requisitos 12.1 e 12.2 para consistência e Apêndice A (para documentos) .

u O termo 5.2 exige que os parâmetros da célula e da bateria sejam combinados, o que pode ser entendido como os parâmetros de funcionamento da bateria não devem exceder a faixa das células. No entanto, os parâmetros de proteção da bateria precisam ser garantidos para que os parâmetros de funcionamento da bateria não excedam o alcance das células? Existem diferentes entendimentos, mas do ponto de vista da segurança do projeto da bateria, a resposta é sim. Por exemplo, a corrente máxima de carga de uma célula (ou bloco de células) é 3000mA, a corrente máxima de trabalho da bateria não deve exceder 3000mA e a corrente de proteção da bateria também deve garantir que a corrente no processo de carregamento não deve exceder 3000mA. Só assim poderemos proteger e evitar eficazmente os perigos. Para o projeto dos parâmetros de proteção, consulte o Apêndice A. Ele considera o projeto dos parâmetros da célula – bateria – host em uso, que é relativamente abrangente.

u Para baterias com circuito de proteção, é necessário um teste de segurança do circuito de proteção da bateria de 10,1 ~ 10,5. Este capítulo investiga principalmente a proteção contra sobretensão de carga, proteção contra sobrecorrente de carga, proteção contra subtensão de descarga, proteção contra sobrecorrente de descarga e proteção contra curto-circuito. Estes são mencionados acimaProjeto de Segurança Funcionale os requisitos básicos. GB 31241 requer verificação 500 vezes.

u Se a bateria sem circuito de proteção estiver protegida por seu carregador ou dispositivo final, o teste de segurança do circuito de proteção do sistema 11.1~11.5 deve ser realizado com o dispositivo de proteção externo. O controle de tensão, corrente e temperatura de carga e descarga são investigados principalmente. Vale ressaltar que, em comparação com baterias com circuitos de proteção, baterias sem circuitos de proteção só podem contar com a proteção dos equipamentos em uso real. O risco é maior, portanto a operação normal e as condições de falha única serão testadas separadamente. Isto força o dispositivo final a ter proteção dupla; caso contrário, não poderá passar no teste do Capítulo 11.

Finalmente, se houver múltiplas células em série em uma bateria, será necessário considerar o fenômeno do carregamento desequilibrado. É necessário um teste de conformidade do capítulo 12. As funções de equilíbrio e proteção de pressão diferencial do PCB são investigadas principalmente aqui. Esta função não é necessária para baterias de célula única.

GB 4943.1-2022

Este padrão é para produtos AV. Com o uso crescente de produtos eletrônicos alimentados por bateria, a nova versão da GB 4943.1-2022 traz requisitos específicos para baterias no Apêndice M, avaliando equipamentos com baterias e seus circuitos de proteção. Com base na avaliação do circuito de proteção da bateria, também foram adicionados requisitos de segurança adicionais para equipamentos que contenham baterias secundárias de lítio.

u O circuito secundário de proteção da bateria de lítio investiga principalmente sobrecarga, descarga excessiva, carregamento reverso, proteção de segurança de carregamento (temperatura), proteção contra curto-circuito, etc. Este requisito não é mencionado no padrão de bateria GB 31241. Portanto, no projeto da função de proteção da bateria, precisamos combinar os requisitos padrão de bateria e host. Se a bateria tiver apenas uma proteção e nenhum componente redundante, ou se a bateria não tiver circuito de proteção e o circuito de proteção for fornecido apenas pelo host, o host deverá ser incluído nesta parte do teste.

Conclusão

Concluindo, para projetar uma bateria segura, além da escolha do material em si, o posterior projeto estrutural e o projeto de segurança funcional são igualmente importantes. Embora padrões diferentes tenham requisitos diferentes para produtos, se a segurança do projeto da bateria puder ser totalmente considerada para atender aos requisitos de diferentes mercados, o prazo de entrega pode ser bastante reduzido e o produto pode ser acelerado para chegar ao mercado. Além de combinar as leis, regulamentos e padrões de diferentes países e regiões, também é necessário projetar produtos baseados no uso real de baterias em produtos terminais.