En la actualidad, la mayoría de los accidentes de seguridad de las baterías de iones de litio se producen debido a la falla del circuito de protección, lo que provoca el descontrol térmico de la batería y provoca incendios y explosiones. Por lo tanto, para lograr el uso seguro de la batería de litio, el diseño del circuito de protección es particularmente importante y se deben tener en cuenta todo tipo de factores que causan la falla de la batería de litio. Además del proceso de producción, las fallas son causadas básicamente por cambios en las condiciones extremas externas, como sobrecarga, sobredescarga y alta temperatura. Si estos parámetros se monitorean en tiempo real y se toman las medidas de protección correspondientes cuando cambian, se puede evitar la ocurrencia de fuga térmica. El diseño de seguridad de una batería de litio incluye varios aspectos: selección de celdas, diseño estructural y diseño de seguridad funcional de BMS.

selección de celda

Hay muchos factores que afectan la seguridad celular en los que la elección del material celular es la base. Debido a las diferentes propiedades químicas, la seguridad varía en los diferentes materiales del cátodo de la batería de litio. Por ejemplo, el fosfato de litio y hierro tiene forma de olivino, que es relativamente estable y no es fácil de colapsar. Sin embargo, el cobaltato de litio y el ternario de litio son estructuras en capas que son fáciles de colapsar. La selección del separador también es muy importante, ya que su rendimiento está directamente relacionado con la seguridad de la celda. Por lo tanto, en la selección de la celda, no sólo se deben considerar los informes de detección, sino también el proceso de producción del fabricante, los materiales y sus parámetros.

Diseño de estructura

El diseño de la estructura de la batería considera principalmente los requisitos de aislamiento y disipación de calor.

• Los requisitos de aislamiento generalmente involucran los siguientes aspectos: Aislamiento entre electrodo positivo y negativo; Aislamiento entre celda y recinto; Aislamiento entre las pestañas del poste y el recinto; Espaciado eléctrico de PCB y distancia de fuga, diseño de cableado interno, diseño de puesta a tierra, etc.
• La disipación de calor es principalmente para algunas baterías de tracción o de almacenamiento de energía de gran tamaño. Debido a la alta energía de estas baterías, el calor que se genera durante la carga y descarga es enorme. Si el calor no se puede disipar a tiempo, se acumulará y provocará accidentes. Por lo tanto, se debe tener en cuenta la selección y el diseño de los materiales del gabinete (debe tener cierta resistencia mecánica y requisitos a prueba de polvo e impermeabilidad), la selección del sistema de enfriamiento y otros sistemas de aislamiento térmico interno, disipación de calor y extinción de incendios.

Para la selección y aplicación del sistema de enfriamiento de la batería, consulte la edición anterior.

Diseño de seguridad funcional

Las propiedades físicas y químicas determinan que el material no puede limitar el voltaje de carga y descarga. Una vez que el voltaje de carga y descarga exceda el rango nominal, causará daños irreversibles a la batería de litio. Por lo tanto, es necesario agregar el circuito de protección para mantener el voltaje y la corriente de la celda interna en un estado normal cuando la batería de litio está funcionando. Para BMS de baterías, se requieren las siguientes funciones:

• Protección contra sobretensión de carga: la sobrecarga es una de las principales razones del descontrol térmico. Después de la sobrecarga, el material del cátodo colapsará debido a la liberación excesiva de iones de litio, y en el electrodo negativo también se producirá precipitación de litio, lo que conduce a la disminución de la estabilidad térmica y al aumento de reacciones secundarias, que tienen un riesgo potencial de fuga térmica. Por lo tanto, es particularmente importante cortar la corriente a tiempo después de que la carga alcance el voltaje límite superior de la celda. Esto requiere que el BMS tenga la función de protección contra sobrevoltaje de carga, de modo que el voltaje de la celda siempre se mantenga dentro del límite de trabajo. Sería mejor que el voltaje de protección no sea un valor de rango y varíe ampliamente, ya que puede hacer que la batería no corte la corriente a tiempo cuando está completamente cargada, lo que resultará en una sobrecarga. El voltaje de protección del BMS generalmente está diseñado para ser igual o ligeramente menor que el voltaje superior de la celda.
• Protección contra sobrecorriente de carga: Cargar una batería con una corriente superior al límite de carga o descarga puede provocar acumulación de calor. Cuando el calor se acumula lo suficiente como para derretir el diafragma, puede provocar un cortocircuito interno. Por lo tanto, también es esencial cargar oportunamente la protección contra la corriente. Debemos prestar atención a que la protección contra sobrecorriente no puede ser mayor que la tolerancia de corriente de la celda en el diseño.
• Protección contra descarga bajo voltaje: un voltaje demasiado grande o demasiado pequeño dañará el rendimiento de la batería. La descarga continua bajo voltaje hará que el cobre se precipite y el electrodo negativo colapse, por lo que generalmente la batería tendrá una función de protección contra descarga bajo voltaje.
• Protección contra sobrecorriente de descarga: la mayor parte de la PCB se carga y descarga a través de la misma interfaz; en este caso, la corriente de protección de carga y descarga es consistente. Pero algunas baterías, especialmente las baterías para herramientas eléctricas, carga rápida y otros tipos de baterías, necesitan usar una gran descarga de corriente o carga, la corriente es inconsistente en este momento, por lo que es mejor cargar y descargar en dos circuitos de control.
• Protección contra cortocircuitos: el cortocircuito de la batería también es una de las fallas más comunes. Algunas colisiones, mal uso, apretones, pinchazos, entrada de agua, etc., son fáciles de inducir un cortocircuito. Un cortocircuito generará inmediatamente una gran corriente de descarga, lo que provocará un fuerte aumento de la temperatura de la batería. Al mismo tiempo, en la celda suelen tener lugar una serie de reacciones electroquímicas después de un cortocircuito externo, lo que conduce a una serie de reacciones exotérmicas. La protección contra cortocircuitos también es un tipo de protección contra sobrecorriente. Pero la corriente de cortocircuito será infinita y el calor y el daño también serán infinitos, por lo que la protección debe ser muy sensible y puede activarse automáticamente. Las medidas comunes de protección contra cortocircuitos incluyen contactores, fusibles, mos, etc.
• Protección contra sobrecalentamiento: la batería es sensible a la temperatura ambiente. Una temperatura demasiado alta o demasiado baja afectará su rendimiento. Por lo tanto, es importante mantener la batería funcionando dentro de la temperatura límite. El BMS debe tener una función de protección de temperatura para detener la batería cuando la temperatura es demasiado alta o demasiado baja. Incluso se puede subdividir en protección de temperatura de carga y protección de temperatura de descarga, etc.
• Función de equilibrio: para baterías de portátiles y otras baterías de series múltiples, existe una inconsistencia entre las celdas debido a las diferencias en el proceso de producción. Por ejemplo, la resistencia interna de algunas células es mayor que otras. Esta inconsistencia empeorará gradualmente bajo la influencia del entorno externo. Por lo tanto, es necesario tener una función de gestión del equilibrio para implementar el equilibrio de la celda. Generalmente existen dos tipos de equilibrio:

1.Equilibrio pasivo: utilice hardware, como un comparador de voltaje, y luego utilice la disipación de calor por resistencia para liberar el exceso de energía de la batería de alta capacidad. Pero el consumo de energía es grande, la velocidad de ecualización es lenta y la eficiencia es baja.

2.Equilibrio activo: utilice condensadores para almacenar energía de las celdas con mayor voltaje y la libera a la celda con menor voltaje. Sin embargo, cuando la diferencia de presión entre celdas adyacentes es pequeña, el tiempo de ecualización es largo y el umbral de voltaje de ecualización se puede configurar de manera más flexible.

Validación estándar

Por último, si desea que sus baterías ingresen con éxito al mercado nacional o internacional, también deben cumplir con los estándares relacionados para garantizar la seguridad de las baterías de iones de litio. Desde celdas hasta baterías y productos host deben cumplir con los estándares de prueba correspondientes. Este artículo se centrará en los requisitos de protección de baterías domésticas para productos electrónicos de TI.

ES 31241-2022

Esta norma es para baterías de dispositivos electrónicos portátiles. Considera principalmente los parámetros de trabajo seguro del término 5.2, los requisitos de seguridad de 10.1 a 10.5 para PCM, los requisitos de seguridad de 11.1 a 11.5 en el circuito de protección del sistema (cuando la batería en sí no tiene protección), los requisitos de coherencia de 12.1 y 12.2 y el Apéndice A (para documentos). .

u El término 5.2 requiere que los parámetros de la celda y la batería coincidan, lo que puede entenderse como que los parámetros de funcionamiento de la batería no deben exceder el rango de las celdas. Sin embargo, ¿es necesario garantizar que los parámetros de protección de la batería no excedan el rango de celdas? Hay diferentes interpretaciones, pero desde la perspectiva de la seguridad del diseño de la batería, la respuesta es sí. Por ejemplo, la corriente de carga máxima de una celda (o bloque de celdas) es 3000 mA, la corriente máxima de funcionamiento de la batería no debe exceder los 3000 mA y la corriente de protección de la batería también debe garantizar que la corriente en el proceso de carga no debe exceder 3000 mA. Sólo así podremos proteger y evitar peligros de forma eficaz. Para el diseño de los parámetros de protección, consulte el Apéndice A. Considera el diseño de parámetros de celda, batería y host en uso, que es relativamente completo.

u Para baterías con circuito de protección, se requiere una prueba de seguridad del circuito de protección de la batería de 10,1~10,5. Este capítulo investiga principalmente la protección contra sobretensión de carga, la protección contra sobrecorriente de carga, la protección contra subtensión de descarga, la protección contra sobrecorriente de descarga y la protección contra cortocircuitos. Estos se mencionan en lo anterior.Diseño de seguridad funcionaly los requisitos básicos. GB 31241 requiere verificación 500 veces.

u Si la batería sin circuito de protección está protegida por su cargador o dispositivo final, la prueba de seguridad del circuito de protección del sistema 11.1~11.5 se realizará con el dispositivo de protección externo. Se investiga principalmente el control de voltaje, corriente y temperatura de carga y descarga. Vale la pena señalar que, en comparación con las baterías con circuitos de protección, las baterías sin circuitos de protección solo pueden confiar en la protección del equipo en uso real. El riesgo es mayor, por lo que el funcionamiento normal y las condiciones de falla única se probarán por separado. Esto obliga al dispositivo final a tener doble protección; de lo contrario no podrá pasar la prueba del Capítulo 11.

u Finalmente, si hay varias celdas en serie en una batería, es necesario considerar el fenómeno de la carga desequilibrada. Se requiere una prueba de conformidad del capítulo 12. Aquí se investigan principalmente las funciones de protección de equilibrio y presión diferencial de la PCB. Esta función no es necesaria para baterías de una sola celda.

ES 4943.1-2022

Este estándar es para productos AV. Con el uso cada vez mayor de productos electrónicos que funcionan con baterías, la nueva versión de GB 4943.1-2022 brinda requisitos específicos para baterías en el Apéndice M, evaluando equipos con baterías y sus circuitos de protección. Con base en la evaluación del circuito de protección de la batería, también se agregaron requisitos de seguridad adicionales para equipos que contienen baterías de litio secundarias.

u El circuito de protección de la batería de litio secundaria investiga principalmente sobrecarga, sobredescarga, carga inversa, protección de seguridad de carga (temperatura), protección contra cortocircuitos, etc. Cabe señalar que todas estas pruebas requieren una sola falla en el circuito de protección. Este requisito no se menciona en el estándar de batería GB 31241. Por lo tanto, en el diseño de la función de protección de la batería, debemos combinar los requisitos estándar de la batería y el host. Si la batería tiene una sola protección y no tiene componentes redundantes, o la batería no tiene circuito de protección y el circuito de protección lo proporciona únicamente el host, el host debe incluirse en esta parte de la prueba.

Conclusión

En conclusión, para diseñar una batería segura, además de la elección del propio material, son igualmente importantes el posterior diseño estructural y el diseño de seguridad funcional. Aunque los diferentes estándares tienen diferentes requisitos para los productos, si se puede considerar plenamente la seguridad del diseño de la batería para cumplir con los requisitos de los diferentes mercados, el tiempo de entrega se puede reducir considerablemente y el producto se puede acelerar para llegar al mercado. Además de combinar las leyes, regulaciones y estándares de diferentes países y regiones, también es necesario diseñar productos basados ​​en el uso real de baterías en productos terminales.