ამჟამად, ლითიუმ-იონური ბატარეების უსაფრთხოების ავარიების უმეტესობა ხდება დამცავი მიკროსქემის გაუმართაობის გამო, რაც იწვევს ბატარეის თერმულ გაქცევას და იწვევს ხანძარსა და აფეთქებას. ამიტომ, ლითიუმის ბატარეის უსაფრთხო გამოყენების რეალიზებისთვის, განსაკუთრებით მნიშვნელოვანია დამცავი მიკროსქემის დიზაინი და მხედველობაში უნდა იქნას მიღებული ყველა სახის ფაქტორი, რომელიც იწვევს ლითიუმის ბატარეის უკმარისობას. წარმოების პროცესის გარდა, წარუმატებლობა ძირითადად გამოწვეულია გარე ექსტრემალური პირობების ცვლილებით, როგორიცაა გადატვირთვა, ზედმეტი გამონადენი და მაღალი ტემპერატურა. თუ ამ პარამეტრების მონიტორინგი განხორციელდება რეალურ დროში და შესაბამისი დამცავი ზომები იქნება მიღებული მათი შეცვლისას, თერმული გაქცევის თავიდან აცილება შესაძლებელია. ლითიუმის ბატარეის უსაფრთხოების დიზაინი მოიცავს რამდენიმე ასპექტს: უჯრედის შერჩევა, სტრუქტურული დიზაინი და BMS-ის ფუნქციური უსაფრთხოების დიზაინი.

უჯრედის შერჩევა

არსებობს მრავალი ფაქტორი, რომელიც გავლენას ახდენს უჯრედის უსაფრთხოებაზე, სადაც უჯრედის მასალის არჩევანი არის საფუძველი. განსხვავებული ქიმიური თვისებების გამო, უსაფრთხოება განსხვავდება ლითიუმის ბატარეის სხვადასხვა კათოდური მასალებში. მაგალითად, ლითიუმის რკინის ფოსფატი ოლივინის ფორმისაა, რომელიც შედარებით სტაბილურია და ადვილად იშლება. თუმცა, ლითიუმის კობალტატი და ლითიუმის ტრინარი არის ფენიანი სტრუქტურა, რომელიც ადვილად იშლება. გამყოფის შერჩევა ასევე ძალიან მნიშვნელოვანია, რადგან მისი შესრულება პირდაპირ კავშირშია უჯრედის უსაფრთხოებასთან. ამიტომ უჯრედის არჩევისას გათვალისწინებული უნდა იყოს არა მხოლოდ გამოვლენის ანგარიშები, არამედ მწარმოებლის წარმოების პროცესი, მასალები და მათი პარამეტრები.

სტრუქტურის დიზაინი

ბატარეის სტრუქტურის დიზაინი ძირითადად ითვალისწინებს იზოლაციისა და სითბოს გაფრქვევის მოთხოვნებს.

• საიზოლაციო მოთხოვნები ზოგადად მოიცავს შემდეგ ასპექტებს: იზოლაცია დადებით და უარყოფით ელექტროდებს შორის; იზოლაცია უჯრედსა და შიგთავსს შორის; იზოლაცია ბოძების ჩანართებსა და შიგთავსს შორის; PCB ელექტრული მანძილი და გაცურვის მანძილი, შიდა გაყვანილობის დიზაინი, დამიწების დიზაინი და ა.შ.
• სითბოს გაფრქვევა ძირითადად ხდება ენერგიის დიდი შესანახი ან წევის ბატარეებისთვის. ამ ბატარეების მაღალი ენერგიის გამო, დატენვისა და განმუხტვის დროს წარმოქმნილი სითბო უზარმაზარია. თუ სითბოს დროულად გაფანტვა ვერ მოხერხდება, სითბო დაგროვდება და ავარიებს გამოიწვევს. აქედან გამომდინარე, გასათვალისწინებელია საგარდერობო მასალების შერჩევა და დიზაინი (მას უნდა ჰქონდეს გარკვეული მექანიკური სიმტკიცე და მტვერი და წყალგაუმტარი მოთხოვნები), გაგრილების სისტემის და სხვა შიდა თბოიზოლაციის, სითბოს გაფრქვევისა და ხანძარსაწინააღმდეგო სისტემის შერჩევა.

ბატარეის გაგრილების სისტემის შერჩევისა და გამოყენებისთვის, გთხოვთ, იხილოთ წინა გაცემა.

ფუნქციური უსაფრთხოების დიზაინი

ფიზიკური და ქიმიური თვისებები განსაზღვრავს, რომ მასალას არ შეუძლია შეზღუდოს დამუხტვისა და განმუხტვის ძაბვა. მას შემდეგ, რაც დატენვისა და განმუხტვის ძაბვა გადააჭარბებს ნომინალურ დიაპაზონს, ეს გამოიწვევს ლითიუმის ბატარეის შეუქცევად დაზიანებას. ამიტომ, ლითიუმის ბატარეის მუშაობისას საჭიროა დამცავი წრედის დამატება, რათა შიდა უჯრედის ძაბვა და დენი ნორმალურ მდგომარეობაში შენარჩუნდეს. ბატარეების BMS-სთვის საჭიროა შემდეგი ფუნქციები:

• ძაბვისგან დაცვის დამუხტვა: გადატვირთვა არის თერმული გაქცევის ერთ-ერთი მთავარი მიზეზი. გადატვირთვის შემდეგ, კათოდური მასალა იშლება ლითიუმის იონების გადაჭარბებული გამოყოფის გამო და უარყოფით ელექტროდში ასევე მოხდება ლითიუმის ნალექი, რაც იწვევს თერმული სტაბილურობის დაქვეითებას და გვერდითი რეაქციების ზრდას, რომლებსაც აქვთ თერმული გაქცევის პოტენციური რისკი. ამიტომ, განსაკუთრებით მნიშვნელოვანია დენის დროულად გათიშვა მას შემდეგ, რაც დატენვა მიაღწევს უჯრედის ზედა ზღვრულ ძაბვას. ამისათვის საჭიროა BMS-ს ჰქონდეს ძაბვისგან დამუხტვის ფუნქცია, რათა უჯრედის ძაბვა ყოველთვის იყოს სამუშაო ლიმიტის ფარგლებში. უკეთესი იქნება, რომ დამცავი ძაბვა არ იყოს დიაპაზონის სიდიდე და ცვალებადი იყოს, რადგან ამან შეიძლება გამოიწვიოს ბატარეის მიერ სრულად დატენვის დროს დენის გათიშვა, რაც გამოიწვევს გადატვირთვას. BMS-ის დამცავი ძაბვა, როგორც წესი, შექმნილია ისე, რომ იყოს იგივე ან ოდნავ დაბალი ვიდრე უჯრედის ზედა ძაბვა.
• დამუხტვა დენის დაცვაზე: ბატარეის დამუხტვა დენით, რომელიც აღემატება დატენვის ან განმუხტვის ლიმიტს, შეიძლება გამოიწვიოს სითბოს დაგროვება. როდესაც სითბო გროვდება იმდენი, რომ დიაფრაგმა დნება, ამან შეიძლება გამოიწვიოს შიდა მოკლე ჩართვა. ამიტომაც აუცილებელია დროული დამუხტვა მიმდინარე დაცვაზე. ყურადღება უნდა მიაქციოთ, რომ დენის გადაჭარბებული დაცვა არ შეიძლება იყოს უფრო მაღალი, ვიდრე უჯრედის დენის ტოლერანტობა დიზაინში.
• ძაბვის დაცვის ქვეშ გამონადენი: ძალიან დიდი ან ძალიან მცირე ძაბვა აზიანებს ბატარეის მუშაობას. ძაბვის ქვეშ უწყვეტი გამონადენი გამოიწვევს სპილენძის ნალექს და უარყოფითი ელექტროდის კოლაფსს, ამიტომ ზოგადად ბატარეას ექნება გამონადენი ძაბვის დაცვის ფუნქციით.
• განმუხტვა დენის დაცვაზე: PCB-ის უმეტესი ნაწილი დამუხტვა და განმუხტვა ერთი და იგივე ინტერფეისით, ამ შემთხვევაში დამუხტვისა და განმუხტვის დაცვის დენი თანმიმდევრულია. მაგრამ ზოგიერთ ბატარეას, განსაკუთრებით ელექტრო ხელსაწყოების, სწრაფი დამუხტვის და სხვა ტიპის ბატარეების ბატარეებს სჭირდება დიდი დენის გამონადენი ან დამუხტვა, დენი ამ დროს არათანმიმდევრულია, ამიტომ უმჯობესია დატენვა და განმუხტვა ორ მარყუჟის კონტროლში.
• მოკლე ჩართვის დაცვა: ბატარეის მოკლე ჩართვა ასევე ერთ-ერთი ყველაზე გავრცელებული ხარვეზია. ზოგიერთი შეჯახება, ბოროტად გამოყენება, შეკუმშვა, ნემსი, წყლის შეღწევა და ა.შ., ადვილად იწვევს მოკლე ჩართვას. მოკლე ჩართვა დაუყოვნებლივ წარმოქმნის დიდ გამონადენის დენს, რაც გამოიწვევს ბატარეის ტემპერატურის მკვეთრ ზრდას. ამავდროულად, უჯრედში ჩვეულებრივ ხდება ელექტროქიმიური რეაქციების სერია გარე მოკლე ჩართვის შემდეგ, რაც იწვევს ეგზოთერმული რეაქციების სერიას. მოკლე ჩართვის დაცვა ასევე არის ერთგვარი დაცვა დენზე. მაგრამ მოკლე ჩართვის დენი იქნება უსასრულო, ხოლო სითბო და ზიანი ასევე უსასრულოა, ამიტომ დაცვა უნდა იყოს ძალიან მგრძნობიარე და შეიძლება ავტომატურად გააქტიურდეს. მოკლე ჩართვის დაცვის საერთო ზომები მოიცავს კონტაქტორებს, დაუკრავენ, მოს და ა.შ.
• ტემპერატურაზე დაცვა: ბატარეა მგრძნობიარეა გარემოს ტემპერატურის მიმართ. ძალიან მაღალი ან ძალიან დაბალი ტემპერატურა გავლენას მოახდენს მის მუშაობაზე. აქედან გამომდინარე, მნიშვნელოვანია, რომ ბატარეა მუშაობდეს ლიმიტულ ტემპერატურაზე. BMS-ს უნდა ჰქონდეს ტემპერატურის დაცვის ფუნქცია, რათა გააჩეროს ბატარეა, როდესაც ტემპერატურა ძალიან მაღალი ან ძალიან დაბალია. ის შეიძლება დაიყოს დამუხტვის ტემპერატურის დაცვაზე და გამონადენის ტემპერატურის დაცვაზე და ა.შ.
• დაბალანსების ფუნქცია: ნოუთბუქებისა და სხვა მრავალსერიის ბატარეებისთვის, უჯრედებს შორის შეუსაბამობაა წარმოების პროცესის განსხვავებების გამო. მაგალითად, ზოგიერთი უჯრედის შიდა წინააღმდეგობა უფრო დიდია, ვიდრე სხვები. ეს შეუსაბამობა თანდათან გაუარესდება გარე გარემოს გავლენის ქვეშ. ამიტომ, უჯრედის ბალანსის განსახორციელებლად აუცილებელია ბალანსის მართვის ფუნქცია. ზოგადად, არსებობს ორი სახის წონასწორობა:

1. პასიური დაბალანსება: გამოიყენეთ აპარატურა, როგორიცაა ძაბვის შედარება, და შემდეგ გამოიყენეთ წინააღმდეგობის სითბოს გაფრქვევა მაღალი ტევადობის ბატარეის ჭარბი სიმძლავრის გასათავისუფლებლად. მაგრამ ენერგიის მოხმარება დიდია, გათანაბრების სიჩქარე ნელია და ეფექტურობა დაბალი.

2. აქტიური დაბალანსება: გამოიყენეთ კონდენსატორები უფრო მაღალი ძაბვის მქონე უჯრედების სიმძლავრის შესანახად და ათავისუფლებს მას უფრო დაბალი ძაბვის უჯრედში. თუმცა, როდესაც მიმდებარე უჯრედებს შორის წნევის სხვაობა მცირეა, გათანაბრების დრო გრძელია და გათანაბრების ძაბვის ბარიერი შეიძლება უფრო მოქნილად დაყენდეს.

სტანდარტული ვალიდაცია

დაბოლოს, თუ გსურთ, რომ თქვენი ბატარეები წარმატებით შევიდეს საერთაშორისო ან შიდა ბაზარზე, მათ ასევე უნდა დააკმაყოფილონ შესაბამისი სტანდარტები ლითიუმ-იონური ბატარეის უსაფრთხოების უზრუნველსაყოფად. უჯრედებიდან დაწყებული ბატარეებით და მასპინძელი პროდუქტებით უნდა აკმაყოფილებდეს შესაბამის ტესტის სტანდარტებს. ეს სტატია ყურადღებას გაამახვილებს შიდა ბატარეის დაცვის მოთხოვნებზე ელექტრონული IT პროდუქტებისთვის.

GB 31241-2022

ეს სტანდარტი განკუთვნილია პორტატული ელექტრონული მოწყობილობების ბატარეებისთვის. იგი ძირითადად ითვალისწინებს ტერმინის 5.2 უსაფრთხო სამუშაო პარამეტრებს, 10.1-დან 10.5-მდე უსაფრთხოების მოთხოვნებს PCM-ისთვის, 11.1-დან 11.5-მდე უსაფრთხოების მოთხოვნებს სისტემის დაცვის წრეზე (როდესაც ბატარეა თავად არის დაცვის გარეშე), 12.1 და 12.2 მოთხოვნები თანმიმდევრულობისთვის და დანართი A (დოკუმენტებისთვის) .

u ტერმინი 5.2 მოითხოვს უჯრედის და ბატარეის პარამეტრებს უნდა შეესაბამებოდეს, რაც შეიძლება გავიგოთ, როგორც ბატარეის სამუშაო პარამეტრები არ უნდა აღემატებოდეს უჯრედების დიაპაზონს. თუმცა, საჭიროა თუ არა ბატარეის დაცვის პარამეტრების უზრუნველყოფა, რომ ბატარეის მუშაობის პარამეტრები არ აღემატებოდეს უჯრედების დიაპაზონს? არსებობს სხვადასხვა გაგება, მაგრამ ბატარეის დიზაინის უსაფრთხოების თვალსაზრისით, პასუხი არის დიახ. მაგალითად, უჯრედის (ან უჯრედის ბლოკის) დატენვის მაქსიმალური დენი არის 3000 mA, ბატარეის მაქსიმალური სამუშაო დენი არ უნდა აღემატებოდეს 3000 mA-ს და ბატარეის დამცავი დენი ასევე უნდა უზრუნველყოს, რომ დენი დატენვის პროცესში არ უნდა აღემატებოდეს. 3000 mA. მხოლოდ ამ გზით შეგვიძლია ეფექტურად დავიცვათ და თავიდან ავიცილოთ საფრთხეები. დაცვის პარამეტრების დიზაინისთვის იხილეთ დანართი A. იგი ითვალისწინებს გამოყენებული უჯრედი – ბატარეა – ჰოსტი პარამეტრის დიზაინს, რომელიც შედარებით ყოვლისმომცველია.

u დამცავი მიკროსქემის მქონე ბატარეებისთვის საჭიროა 10.1~10.5 ბატარეის დაცვის მიკროსქემის უსაფრთხოების ტესტი. ეს თავი ძირითადად იკვლევს დამუხტვას ძაბვის დაცვაზე, დამუხტვას დენზე დაცვით, განმუხტვას ძაბვის დაცვის ქვეშ, დენის დაცვაზე განმუხტვაზე და მოკლე ჩართვის დაცვაზე. ეს ნახსენებია ზემოთფუნქციური უსაფრთხოების დიზაინიდა ძირითადი მოთხოვნები. GB 31241 მოითხოვს 500-ჯერ შემოწმებას.

u თუ დამცავი მიკროსქემის გარეშე ბატარეა დაცულია მისი დამტენით ან ბოლო მოწყობილობით, 11.1-11.5 სისტემის დაცვის წრედის უსაფრთხოების ტესტი უნდა ჩატარდეს გარე დამცავი მოწყობილობით. ძირითადად გამოკვლეულია დამუხტვისა და გამონადენის ძაბვის, დენის და ტემპერატურის კონტროლი. აღსანიშნავია, რომ დამცავი სქემების მქონე ბატარეებთან შედარებით, დამცავი სქემების გარეშე ბატარეები შეიძლება დაეყრდნონ მხოლოდ რეალურ გამოყენებაში მყოფი აღჭურვილობის დაცვას. რისკი უფრო მაღალია, ამიტომ ნორმალური ფუნქციონირება და ერთი დეფექტის პირობები ცალკე შემოწმდება. ეს აიძულებს ბოლო მოწყობილობას ჰქონდეს ორმაგი დაცვა; წინააღმდეგ შემთხვევაში, მე-11 თავში გამოცდას ვერ გაივლის.

და ბოლოს, თუ ბატარეაში რამდენიმე სერიის უჯრედია, თქვენ უნდა გაითვალისწინოთ დაუბალანსებელი დატენვის ფენომენი. საჭიროა მე-12 თავის შესაბამისობის ტესტი. აქ ძირითადად გამოკვლეულია PCB-ის ბალანსისა და დიფერენციალური წნევის დაცვის ფუნქციები. ეს ფუნქცია არ არის საჭირო ერთუჯრედიანი ბატარეებისთვის.

GB 4943.1-2022

ეს სტანდარტი განკუთვნილია AV პროდუქტებისთვის. ბატარეებზე მომუშავე ელექტრონული პროდუქტების მზარდი გამოყენებასთან ერთად, GB 4943.1-2022-ის ახალი ვერსია იძლევა სპეციფიკურ მოთხოვნებს ბატარეებზე დანართ M-ში, აფასებს აღჭურვილობას ბატარეებით და მათი დაცვის სქემებით. ბატარეის დაცვის მიკროსქემის შეფასების საფუძველზე, ასევე დაემატა უსაფრთხოების დამატებითი მოთხოვნები მეორადი ლითიუმის ბატარეების შემცველი მოწყობილობებისთვის.

u მეორადი ლითიუმის ბატარეის დამცავი წრე ძირითადად იკვლევს გადატვირთვას, ზედმეტად განმუხტვას, უკუ დამუხტვას, დამუხტვის უსაფრთხოების დაცვას (ტემპერატურა), მოკლე ჩართვის დაცვას და ა.შ. ეს მოთხოვნა არ არის ნახსენები ბატარეის სტანდარტში GB 31241. ასე რომ, ბატარეის დაცვის ფუნქციის დიზაინში ჩვენ უნდა გავაერთიანოთ ბატარეისა და ჰოსტის სტანდარტული მოთხოვნები. თუ ბატარეას აქვს მხოლოდ ერთი დაცვა და არ არის ზედმეტი კომპონენტები, ან ბატარეას არ აქვს დამცავი წრე და დაცვის წრე უზრუნველყოფილია მხოლოდ მასპინძლის მიერ, ჰოსტი უნდა იყოს ჩართული ტესტის ამ ნაწილში.

დასკვნა

დასასრულს, უსაფრთხო ბატარეის შესაქმნელად, თავად მასალის არჩევის გარდა, თანაბრად მნიშვნელოვანია შემდგომი სტრუქტურული დიზაინი და ფუნქციური უსაფრთხოების დიზაინი. მიუხედავად იმისა, რომ სხვადასხვა სტანდარტებს განსხვავებული მოთხოვნები აქვთ პროდუქტებზე, თუ ბატარეის დიზაინის უსაფრთხოება სრულად შეიძლება ჩაითვალოს სხვადასხვა ბაზრის მოთხოვნების დასაკმაყოფილებლად, წარმოების დრო შეიძლება მნიშვნელოვნად შემცირდეს და პროდუქტი დაჩქარდეს ბაზარზე. გარდა სხვადასხვა ქვეყნისა და რეგიონის კანონების, რეგულაციებისა და სტანდარტების შერწყმისა, ასევე აუცილებელია პროდუქტების დაპროექტება ტერმინალის პროდუქტებში ბატარეების რეალურ გამოყენებაზე დაყრდნობით.