כיום, רוב תאונות הבטיחות של סוללות ליתיום-יון מתרחשות עקב כשל במעגל ההגנה, הגורם לבריחה תרמית של הסוללה וגורם לשריפה ופיצוץ. לכן, על מנת לממש את השימוש הבטוח בסוללת ליתיום, עיצוב מעגל ההגנה חשוב במיוחד, ויש לקחת בחשבון כל מיני גורמים הגורמים לכשל בסוללת הליתיום. בנוסף לתהליך הייצור, כשלים נגרמים בעצם משינויים בתנאים הקיצוניים החיצוניים, כגון טעינת יתר, פריקת יתר וטמפרטורה גבוהה. אם פרמטרים אלו מנוטרים בזמן אמת ויינקטו אמצעי הגנה תואמים כאשר הם משתנים, ניתן למנוע התרחשות של בריחת תרמית. עיצוב הבטיחות של סוללת ליתיום כולל מספר היבטים: בחירת תאים, עיצוב מבני ותכנון בטיחות פונקציונלי של BMS.

בחירת תאים

ישנם גורמים רבים המשפיעים על בטיחות התא, בהם הבחירה בחומר התא היא הבסיס. בשל תכונות כימיות שונות, הבטיחות משתנה בחומרי קתודה שונים של סוללת ליתיום. למשל, פוספט ליתיום ברזל הוא בצורת אוליבין, שהוא יציב יחסית ולא קל לקריסה. עם זאת, ליתיום קובלטאט וליתיום טרינרי הם מבנה שכבות שקל לקרוס. בחירת המפריד חשובה מאוד, שכן הביצועים שלו קשורים ישירות לבטיחות התא. לכן, בבחירת התא, יש לקחת בחשבון לא רק דוחות זיהוי אלא גם תהליך הייצור של היצרן, החומרים והפרמטרים שלהם.

עיצוב מבנה

תכנון המבנה של הסוללה מתחשב בעיקר בדרישות של בידוד ופיזור חום.

• דרישות הבידוד כוללות בדרך כלל את ההיבטים הבאים: בידוד בין אלקטרודה חיובית לשלילית; בידוד בין התא למתחם; בידוד בין לשוניות המוט והמתחם; מרווחים חשמליים PCB ומרחק זחילה, עיצוב חיווט פנימי, עיצוב הארקה וכו'.
• פיזור חום מיועד בעיקר לכמה סוללות אחסון אנרגיה גדולות או סוללות מתיחה. בשל האנרגיה הגבוהה של סוללות אלו, החום הנוצר בעת טעינה ופריקה הוא עצום. אם לא ניתן לפזר את החום בזמן, החום יצטבר ויגרור תאונות. לכן, יש לקחת בחשבון את הבחירה והעיצוב של חומרי המתחם (זה צריך להיות בעל חוזק מכני מסוים ודרישות חסינות אבק ועמיד למים), בחירת מערכת הקירור ובידוד תרמי פנימי אחר, פיזור חום ומערכת כיבוי אש.

לבחירה ויישום של מערכת קירור הסוללה, עיין בהנפקה הקודמת.

עיצוב בטיחות פונקציונלי

התכונות הפיזיקליות והכימיות קובעות שהחומר אינו יכול להגביל את מתח הטעינה והפריקה. ברגע שמתח הטעינה והפריקה חורג מהטווח המדורג, זה יגרום לנזק בלתי הפיך לסוללת הליתיום. לכן, יש צורך להוסיף את מעגל ההגנה כדי לשמור על המתח והזרם של התא הפנימי במצב תקין כאשר סוללת הליתיום פועלת. עבור BMS של סוללות, הפונקציות הבאות נדרשות:

• הגנה מפני טעינת מתח: טעינת יתר היא אחת הסיבות העיקריות לבריחה תרמית. לאחר טעינת יתר, חומר הקתודה יקרוס עקב שחרור מוגזם של יוני ליתיום, ובאלקטרודה השלילית יתרחשו גם משקעי ליתיום, מה שמוביל לירידה ביציבות התרמית ולעלייה בתגובות לוואי, שיש בהן סיכון פוטנציאלי לבריחה תרמית. לכן, חשוב במיוחד לנתק את הזרם בזמן לאחר שהטעינה מגיעה למתח הגבול העליון של התא. זה מחייב את ה-BMS למלא את הפונקציה של טעינה מעל הגנת מתח, כך שהמתח של התא נשמר תמיד בגבול העבודה. עדיף שמתח ההגנה לא יהיה ערך טווח וישתנה במידה רבה, מכיוון שהוא עלול לגרום לסוללה לא לנתק את הזרם בזמן כשהיא טעונה במלואה, וכתוצאה מכך טעינת יתר. מתח ההגנה של ה-BMS מתוכנן בדרך כלל להיות זהה או מעט נמוך מהמתח העליון של התא.
• טעינת הגנה מפני זרם: טעינת סוללה עם זרם גבוה יותר ממגבלת הטעינה או הפריקה עלולה לגרום להצטברות חום. כאשר חום מצטבר מספיק כדי להמיס את הסרעפת, זה יכול לגרום לקצר פנימי. לכן גם טעינה בזמן על הגנת זרם חיונית. עלינו לשים לב שהגנה על זרם יתר אינה יכולה להיות גבוהה מהסבילות לזרם התא בתכנון.
• פריקה תחת הגנת מתח: מתח גדול מדי או קטן מדי יפגע בביצועי הסוללה. פריקה מתמשכת תחת מתח תגרום לנחושת לשקוע ולקריסת האלקטרודה השלילית, כך שבדרך כלל לסוללה תהיה פריקה תחת פונקציית הגנת מתח.
• הגנת פריקה מעל זרם: רוב הטעינה והפריקה של ה-PCB דרך אותו ממשק, במקרה זה זרם ההגנה על טעינה ופריקה עקבי. אבל סוללות מסוימות, במיוחד סוללות לכלים חשמליים, טעינה מהירה וסוגים אחרים של סוללות צריכות להשתמש בפריקה או טעינה של זרם גדול, הזרם אינו עקבי בשלב זה, ולכן עדיף לטעון ולפרוק בשליטה בשתי לולאות.
• הגנה מפני קצר חשמלי: קצר בסוללה היא גם אחת התקלות הנפוצות ביותר. התנגשויות מסוימות, שימוש לא נכון, לחיצה, מחטות, חדירת מים וכו', קלות לגרום לקצר חשמלי. קצר חשמלי ייצור מיד זרם פריקה גדול, וכתוצאה מכך לעלייה חדה בטמפרטורת הסוללה. במקביל, בדרך כלל מתרחשת בתא סדרה של תגובות אלקטרוכימיות לאחר קצר חשמלי חיצוני, מה שמוביל לסדרה של תגובות אקסותרמיות. הגנת קצר חשמלי היא גם סוג של הגנה מפני זרם יתר. אבל זרם הקצר יהיה אינסופי, וגם החום והפגיעה הם אינסופיים, כך שההגנה חייבת להיות רגישה מאוד וניתנת להפעלה אוטומטית. אמצעי הגנה נפוצים לקצר כוללים מגע, נתיך, מוס וכו'.
• הגנת טמפרטורת יתר: הסוללה רגישה לטמפרטורת הסביבה. טמפרטורה גבוהה מדי או נמוכה מדי תשפיע על הביצועים שלה. לכן, חשוב לשמור על פעילות הסוללה בטמפרטורה המותרת. ל-BMS צריכה להיות פונקציית הגנה על טמפרטורה כדי לעצור את הסוללה כאשר הטמפרטורה גבוהה מדי או נמוכה מדי. ניתן אפילו לחלק אותו להגנה על טמפרטורת טעינה והגנה על טמפרטורת פריקה וכו'.
• פונקציית איזון: עבור מחשבים ניידים וסוללות מרובות סדרות אחרות, יש חוסר עקביות בין התאים עקב ההבדלים בתהליך הייצור. לדוגמה, התנגדות פנימית של תאים מסוימים גדולה יותר מאחרים. חוסר עקביות זה יחמיר בהדרגה בהשפעת הסביבה החיצונית. לכן, יש צורך בפונקציית ניהול איזון כדי ליישם את האיזון של התא. בדרך כלל ישנם שני סוגים של שיווי משקל:

1. איזון פסיבי: השתמש בחומרה, כגון השוואת מתח, ולאחר מכן השתמש בפיזור חום התנגדות כדי לשחרר את הכוח העודף של סוללה בעלת קיבולת גבוהה. אבל צריכת האנרגיה גדולה, מהירות ההשוואה איטית והיעילות נמוכה.

2. איזון אקטיבי: השתמשו בקבלים כדי לאחסן כוח של התאים עם מתח גבוה יותר ומשחרר אותו לתא עם מתח נמוך יותר. עם זאת, כאשר הפרש הלחץ בין תאים סמוכים קטן, זמן ההשוואה ארוך, וניתן להגדיר את סף מתח ההשוואה בצורה גמישה יותר.

אימות סטנדרטי

סוף סוף, אם אתה רוצה שהסוללות שלך יכנסו בהצלחה לשוק הבינלאומי או המקומי, הן גם צריכות לעמוד בתקנים קשורים כדי להבטיח את הבטיחות של סוללת ליתיום-יון. מתאי סוללות ומוצרים מארח צריכים לעמוד בתקני בדיקה תואמים. מאמר זה יתמקד בדרישות הגנת הסוללה המקומיות עבור מוצרי IT אלקטרוניים.

GB 31241-2022

תקן זה מיועד לסוללות של מכשירים אלקטרוניים ניידים. הוא מתייחס בעיקר לפרמטרים של עבודה בטוחה במונח 5.2, 10.1 עד 10.5 דרישות בטיחות עבור PCM, 11.1 עד 11.5 דרישות בטיחות במעגל הגנת המערכת (כשהסוללה עצמה ללא הגנה), דרישות 12.1 ו-12.2 לעקביות, ונספח א' (עבור מסמכים) .

u מונח 5.2 מחייב את הפרמטרים של התא והסוללה, מה שניתן להבין שפרמטרי העבודה של הסוללה לא צריכים לחרוג מטווח התאים. עם זאת, האם יש לוודא פרמטרי הגנת הסוללה שפרמטרי עבודת הסוללה אינם חורגים מטווח התאים? ישנן הבנות שונות, אך מנקודת המבט של בטיחות עיצוב הסוללה, התשובה היא כן. לדוגמה, זרם הטעינה המקסימלי של תא (או בלוק תא) הוא 3000mA, זרם העבודה המרבי של הסוללה לא יעלה על 3000mA, וזרם ההגנה של הסוללה צריך גם להבטיח שהזרם בתהליך הטעינה לא יעלה על 3000mA. רק כך נוכל להגן ביעילות ולהימנע מסכנות. לעיצוב פרמטרי הגנה, אנא עיין בנספח א'. הוא מתייחס לעיצוב הפרמטרים של תא – סוללה – מארח בשימוש, שהוא מקיף יחסית.

u עבור סוללות עם מעגל הגנה, נדרשת בדיקת בטיחות מעגל הגנת סוללה 10.1~10.5. פרק זה חוקר בעיקר טעינה מעל הגנת מתח, טעינה מעל הגנת זרם, פריקה תחת הגנת מתח, הגנת פריקה מעל זרם והגנה מפני קצר חשמלי. אלה מוזכרים לעילעיצוב בטיחות פונקציונליוהדרישות הבסיסיות. GB 31241 דורש בדיקה של 500 פעמים.

u אם הסוללה ללא מעגל הגנה מוגנת על ידי המטען או התקן הקצה שלה, בדיקת הבטיחות של מעגל הגנת המערכת 11.1~11.5 תתבצע עם התקן ההגנה החיצוני. בקרת מתח, זרם וטמפרטורה של טעינה ופריקה נחקרים בעיקר. ראוי לציין שבהשוואה לסוללות עם מעגלי הגנה, סוללות ללא מעגלי הגנה יכולות להסתמך רק על הגנת הציוד בשימוש בפועל. הסיכון גבוה יותר, ולכן מצב הפעולה הרגיל ומצב התקלה הבודד ייבחנו בנפרד. זה מאלץ את התקן הקצה להיות בעל הגנה כפולה; אחרת הוא לא יכול לעבור את המבחן בפרק 11.

u לבסוף, אם יש מספר תאי סדרה בסוללה, עליך לשקול את תופעת הטעינה הלא מאוזנת. נדרשת בדיקת התאמה של פרק 12. פונקציות ההגנה על איזון ולחץ דיפרנציאלי של PCB נחקרות כאן בעיקר. פונקציה זו אינה נדרשת עבור סוללות חד-תאיות.

GB 4943.1-2022

תקן זה מיועד למוצרי AV. עם השימוש הגובר במוצרים אלקטרוניים המונעים על ידי סוללות, הגרסה החדשה של GB 4943.1-2022 נותנת דרישות ספציפיות לסוללות בנספח M, ומעריכה ציוד עם סוללות ומעגלי ההגנה שלהן. בהתבסס על הערכת מעגל הגנת הסוללה, נוספו גם דרישות בטיחות נוספות לציוד המכיל סוללות ליתיום משניות.

u מעגל ההגנה על סוללת הליתיום המשני חוקר בעיקר טעינת יתר, פריקת יתר, טעינה הפוכה, הגנת בטיחות טעינה (טמפרטורה), הגנה מפני קצר חשמלי וכו'. יש לציין שבדיקות אלו דורשות תקלה אחת במעגל ההגנה. דרישה זו אינה מוזכרת בתקן הסוללה GB 31241. אז בתכנון של פונקציית הגנת הסוללה, עלינו לשלב את הדרישות הסטנדרטיות של סוללה ומארח. אם לסוללה יש רק הגנה אחת וללא רכיבים מיותרים, או שלסוללה אין מעגל הגנה ומעגל ההגנה מסופק רק על ידי המארח, יש לכלול את המארח עבור חלק זה של הבדיקה.

מַסְקָנָה

לסיכום, לתכנון סוללה בטוחה, בנוסף לבחירת החומר עצמו, העיצוב המבני שלאחר מכן ותכנון הבטיחות הפונקציונלי חשובים לא פחות. למרות שלתקנים שונים יש דרישות שונות למוצרים, אם ניתן לשקול את הבטיחות של עיצוב הסוללות באופן מלא כדי לעמוד בדרישות של שווקים שונים, ניתן להפחית מאוד את זמן ההובלה ולהאיץ את המוצר לשוק. בנוסף לשילוב החוקים, התקנות והתקנים של מדינות ואזורים שונים, יש צורך גם לעצב מוצרים המבוססים על השימוש בפועל בסוללות במוצרי מסוף.