ในปัจจุบัน อุบัติเหตุด้านความปลอดภัยของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนส่วนใหญ่เกิดขึ้นเนื่องจากความล้มเหลวของวงจรป้องกัน ซึ่งทำให้ความร้อนของแบตเตอรี่หลุดออกไป และส่งผลให้เกิดเพลิงไหม้และการระเบิด ดังนั้นเพื่อให้ตระหนักถึงการใช้แบตเตอรี่ลิเธียมอย่างปลอดภัย การออกแบบวงจรป้องกันจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง และควรคำนึงถึงปัจจัยทุกชนิดที่ทำให้เกิดความล้มเหลวของแบตเตอรี่ลิเธียมด้วย นอกเหนือจากกระบวนการผลิตแล้ว ความล้มเหลวยังเกิดจากการเปลี่ยนแปลงในสภาวะภายนอกที่รุนแรง เช่น การชาร์จไฟเกิน การคายประจุมากเกินไป และอุณหภูมิสูง หากพารามิเตอร์เหล่านี้ได้รับการตรวจสอบแบบเรียลไทม์ และจะใช้มาตรการป้องกันที่เกี่ยวข้องเมื่อมีการเปลี่ยนแปลง จะสามารถหลีกเลี่ยงไม่ให้เกิดการระบายความร้อนได้ การออกแบบความปลอดภัยของแบตเตอรี่ลิเธียมประกอบด้วยหลายแง่มุม: การเลือกเซลล์ การออกแบบโครงสร้าง และการออกแบบความปลอดภัยของ BMS

การเลือกเซลล์

มีหลายปัจจัยที่ส่งผลต่อความปลอดภัยของเซลล์ โดยการเลือกใช้วัสดุของเซลล์เป็นรากฐาน เนื่องจากคุณสมบัติทางเคมีที่แตกต่างกัน ความปลอดภัยจึงแตกต่างกันไปตามวัสดุแคโทดของแบตเตอรี่ลิเธียม ตัวอย่างเช่นลิเธียมเหล็กฟอสเฟตมีรูปทรงโอลิวีนซึ่งค่อนข้างเสถียรและไม่ยุบง่าย อย่างไรก็ตาม ลิเธียมโคบอลเทตและลิเธียมไตรนารีเป็นโครงสร้างหลายชั้นที่ยุบตัวได้ง่าย การเลือกตัวแยกก็มีความสำคัญมากเช่นกัน เนื่องจากประสิทธิภาพของตัวแยกนั้นเกี่ยวข้องโดยตรงกับความปลอดภัยของเซลล์ ดังนั้นในการเลือกเซลล์ ไม่เพียงแต่รายงานการตรวจจับเท่านั้น แต่ยังรวมถึงกระบวนการผลิต วัสดุ และพารามิเตอร์ของผู้ผลิตด้วย

การออกแบบโครงสร้าง

การออกแบบโครงสร้างของแบตเตอรี่คำนึงถึงข้อกำหนดของฉนวนและการกระจายความร้อนเป็นหลัก

• ข้อกำหนดของฉนวนโดยทั่วไปเกี่ยวข้องกับประเด็นต่อไปนี้: ฉนวนระหว่างอิเล็กโทรดบวกและลบ; ฉนวนระหว่างเซลล์และกล่องหุ้ม ฉนวนระหว่างแถบเสาและกล่องหุ้ม ระยะห่างไฟฟ้า PCB และระยะผิวฉนวน การออกแบบสายไฟภายใน การออกแบบสายดิน ฯลฯ
• การกระจายความร้อนส่วนใหญ่ใช้สำหรับการจัดเก็บพลังงานขนาดใหญ่หรือแบตเตอรี่ฉุด เนื่องจากแบตเตอรี่เหล่านี้มีพลังงานสูง ความร้อนที่เกิดขึ้นเมื่อชาร์จและคายประจุจึงมีขนาดใหญ่ หากระบายความร้อนไม่ทัน ความร้อนก็จะสะสมจนเกิดอุบัติเหตุได้ ดังนั้นการเลือกและการออกแบบวัสดุตู้ (ควรมีความแข็งแรงเชิงกลและข้อกำหนดกันฝุ่นและกันน้ำ) การเลือกระบบทำความเย็นและฉนวนกันความร้อนภายในอื่น ๆ การกระจายความร้อนและระบบดับเพลิงทั้งหมดควรนำมาพิจารณาด้วย

สำหรับการเลือกและการใช้งานระบบระบายความร้อนของแบตเตอรี่ โปรดดูที่การออกก่อนหน้านี้

การออกแบบความปลอดภัยเชิงฟังก์ชัน

คุณสมบัติทางกายภาพและเคมีกำหนดว่าวัสดุไม่สามารถจำกัดแรงดันการชาร์จและการคายประจุได้ เมื่อแรงดันไฟฟ้าในการชาร์จและการคายประจุเกินช่วงที่กำหนด จะทำให้แบตเตอรี่ลิเธียมเสียหายอย่างถาวร ดังนั้นจึงจำเป็นต้องเพิ่มวงจรป้องกันเพื่อรักษาแรงดันและกระแสของเซลล์ภายในให้อยู่ในสถานะปกติเมื่อแบตเตอรี่ลิเธียมทำงาน สำหรับ BMS ของแบตเตอรี่ จำเป็นต้องมีฟังก์ชันต่อไปนี้:

• การชาร์จไฟเกินการป้องกันแรงดันไฟฟ้า: การชาร์จไฟเกินเป็นหนึ่งในสาเหตุหลักที่ทำให้ระบายความร้อนไม่อยู่ หลังจากประจุมากเกินไป วัสดุแคโทดจะยุบตัวเนื่องจากมีการปล่อยลิเธียมไอออนมากเกินไป และอิเล็กโทรดลบก็จะมีการตกตะกอนของลิเธียมด้วย ซึ่งส่งผลให้เสถียรภาพทางความร้อนลดลงและเกิดปฏิกิริยาข้างเคียงเพิ่มขึ้น ซึ่งมีความเสี่ยงที่อาจเกิดการหนีความร้อน ดังนั้นจึงเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งที่จะต้องตัดกระแสไฟฟ้าให้ตรงเวลาหลังจากที่การชาร์จถึงแรงดันไฟฟ้าขีดจำกัดบนของเซลล์ สิ่งนี้ต้องการให้ BMS มีฟังก์ชันการชาร์จเกินการป้องกันแรงดันไฟฟ้า เพื่อให้แรงดันไฟฟ้าของเซลล์อยู่ในขีดจำกัดการทำงานเสมอ จะดีกว่าถ้าแรงดันไฟฟ้าป้องกันไม่ใช่ค่าช่วงและแปรผันอย่างมาก เนื่องจากอาจทำให้แบตเตอรี่ไม่สามารถตัดกระแสไฟได้ทันเวลาเมื่อชาร์จจนเต็ม ส่งผลให้เกิดการชาร์จไฟเกิน แรงดันไฟฟ้าป้องกันของ BMS มักจะได้รับการออกแบบให้เท่ากันหรือต่ำกว่าแรงดันไฟฟ้าบนของเซลล์เล็กน้อย
• การชาร์จเกินการป้องกันกระแสไฟ: การชาร์จแบตเตอรี่ด้วยกระแสไฟเกินขีดจำกัดการชาร์จหรือการคายประจุอาจทำให้เกิดความร้อนสะสมได้ เมื่อความร้อนสะสมมากพอที่จะละลายไดอะแฟรมก็อาจทำให้เกิดไฟฟ้าลัดวงจรภายในได้ ดังนั้นการชาร์จการป้องกันกระแสไฟให้ทันเวลาจึงเป็นสิ่งจำเป็นเช่นกัน เราควรให้ความสนใจว่าการป้องกันกระแสเกินต้องไม่สูงกว่าความทนทานต่อกระแสของเซลล์ในการออกแบบ
• การคายประจุภายใต้การป้องกันแรงดันไฟฟ้า: แรงดันไฟฟ้าที่มากเกินไปหรือน้อยเกินไปจะทำให้ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่เสียหาย การคายประจุอย่างต่อเนื่องภายใต้แรงดันไฟฟ้าจะทำให้ทองแดงตกตะกอนและขั้วลบพังทลาย ดังนั้นโดยทั่วไปแบตเตอรี่จะมีการคายประจุภายใต้ฟังก์ชันป้องกันแรงดันไฟฟ้า
• การคายประจุมากกว่าการป้องกันกระแส: การชาร์จและการคายประจุ PCB ส่วนใหญ่ผ่านอินเทอร์เฟซเดียวกัน ในกรณีนี้ กระแสไฟการป้องกันการชาร์จและการคายประจุจะสอดคล้องกัน แต่แบตเตอรี่บางชนิดโดยเฉพาะแบตเตอรี่สำหรับเครื่องมือไฟฟ้า การชาร์จอย่างรวดเร็วและแบตเตอรี่ประเภทอื่นๆ จำเป็นต้องใช้การคายประจุหรือการชาร์จกระแสไฟขนาดใหญ่ กระแสไฟจึงไม่สอดคล้องกันในเวลานี้ ดังนั้นจึงควรชาร์จและคายประจุด้วยการควบคุมแบบสองวงดีที่สุด
• การป้องกันการลัดวงจร: การลัดวงจรของแบตเตอรี่ถือเป็นข้อผิดพลาดที่พบบ่อยที่สุดประการหนึ่ง การชนกัน การใช้ในทางที่ผิด การบีบ การแทงเข็ม น้ำเข้า ฯลฯ ทำให้เกิดการลัดวงจรได้ง่าย การลัดวงจรจะสร้างกระแสคายประจุขนาดใหญ่ทันที ส่งผลให้อุณหภูมิของแบตเตอรี่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ในเวลาเดียวกัน ชุดของปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้ามักจะเกิดขึ้นในเซลล์หลังจากการลัดวงจรภายนอก ซึ่งนำไปสู่ชุดของปฏิกิริยาคายความร้อน การป้องกันการลัดวงจรก็เป็นการป้องกันกระแสเกินชนิดหนึ่งเช่นกัน แต่กระแสไฟฟ้าลัดวงจรจะไม่มีที่สิ้นสุด และความร้อนและอันตรายก็ไม่มีที่สิ้นสุด ดังนั้นการป้องกันจะต้องมีความไวสูงและสามารถกระตุ้นได้โดยอัตโนมัติ มาตรการป้องกันการลัดวงจรทั่วไป ได้แก่ คอนแทคเตอร์ ฟิวส์ มอส ฯลฯ
• การป้องกันอุณหภูมิเกิน: แบตเตอรี่ไวต่ออุณหภูมิแวดล้อม อุณหภูมิที่สูงหรือต่ำเกินไปจะส่งผลต่อประสิทธิภาพการทำงาน ดังนั้นจึงเป็นเรื่องสำคัญที่จะต้องรักษาแบตเตอรี่ให้ทำงานภายในอุณหภูมิที่จำกัด BMS ควรมีฟังก์ชั่นป้องกันอุณหภูมิเพื่อหยุดแบตเตอรี่เมื่ออุณหภูมิสูงหรือต่ำเกินไป มันสามารถแบ่งย่อยออกเป็นการป้องกันอุณหภูมิการชาร์จและการป้องกันอุณหภูมิการปล่อย ฯลฯ
• ฟังก์ชั่นการปรับสมดุล: สำหรับแบตเตอรี่โน้ตบุ๊กและแบตเตอรี่หลายซีรีส์อื่นๆ มีความไม่สอดคล้องกันระหว่างเซลล์เนื่องจากความแตกต่างในกระบวนการผลิต ตัวอย่างเช่น ความต้านทานภายในของเซลล์บางเซลล์มีขนาดใหญ่กว่าเซลล์อื่นๆ ความไม่สอดคล้องกันนี้จะค่อยๆ แย่ลงภายใต้อิทธิพลของสภาพแวดล้อมภายนอก ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีฟังก์ชันการจัดการความสมดุลเพื่อดำเนินการสมดุลของเซลล์ โดยทั่วไปมีความสมดุลอยู่สองประเภท:

1. การปรับสมดุลแบบพาสซีฟ: ใช้ฮาร์ดแวร์ เช่น เครื่องเปรียบเทียบแรงดันไฟฟ้า จากนั้นใช้การกระจายความร้อนแบบต้านทานเพื่อปล่อยพลังงานส่วนเกินของแบตเตอรี่ความจุสูง แต่การใช้พลังงานมีขนาดใหญ่ ความเร็วการปรับสมดุลช้า และประสิทธิภาพต่ำ

2.การปรับสมดุลแบบแอคทีฟ: ใช้ตัวเก็บประจุเพื่อเก็บพลังงานของเซลล์ที่มีแรงดันไฟฟ้าสูงกว่าและปล่อยไปยังเซลล์ที่มีแรงดันไฟฟ้าต่ำกว่า อย่างไรก็ตาม เมื่อความแตกต่างของความดันระหว่างเซลล์ที่อยู่ติดกันมีน้อย เวลาการปรับสมดุลจะยาวนาน และสามารถตั้งค่าเกณฑ์แรงดันการปรับสมดุลได้อย่างยืดหยุ่นมากขึ้น

การตรวจสอบมาตรฐาน

สุดท้ายนี้ หากคุณต้องการให้แบตเตอรี่ของคุณเข้าสู่ตลาดต่างประเทศหรือในประเทศได้สำเร็จ แบตเตอรี่เหล่านั้นยังต้องเป็นไปตามมาตรฐานที่เกี่ยวข้องเพื่อความปลอดภัยของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ตั้งแต่เซลล์ไปจนถึงแบตเตอรี่และผลิตภัณฑ์โฮสต์ควรเป็นไปตามมาตรฐานการทดสอบที่เกี่ยวข้อง บทความนี้จะเน้นที่ข้อกำหนดการป้องกันแบตเตอรี่ภายในประเทศสำหรับผลิตภัณฑ์ไอทีอิเล็กทรอนิกส์

กิกะไบต์ 31241-2022

มาตรฐานนี้ใช้กับแบตเตอรี่ของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพา ส่วนใหญ่จะพิจารณาพารามิเตอร์การทำงานที่ปลอดภัยของคำศัพท์ 5.2 ข้อกำหนดด้านความปลอดภัย 10.1 ถึง 10.5 สำหรับ PCM ข้อกำหนดด้านความปลอดภัย 11.1 ถึง 11.5 บนวงจรป้องกันระบบ (เมื่อแบตเตอรี่ไม่มีการป้องกัน) ข้อกำหนด 12.1 และ 12.2 เพื่อความสอดคล้อง และภาคผนวก A (สำหรับเอกสาร) .

ความต้องการข้อกำหนด 5.2 ของพารามิเตอร์เซลล์และแบตเตอรี่ควรตรงกัน ซึ่งสามารถเข้าใจได้เนื่องจากพารามิเตอร์การทำงานของแบตเตอรี่ไม่ควรเกินช่วงของเซลล์ อย่างไรก็ตาม จำเป็นต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าพารามิเตอร์การทำงานของแบตเตอรี่ไม่เกินช่วงของเซลล์หรือไม่ มีความเข้าใจที่แตกต่างกัน แต่จากมุมมองของความปลอดภัยในการออกแบบแบตเตอรี่ คำตอบคือใช่ ตัวอย่างเช่น กระแสไฟชาร์จสูงสุดของเซลล์ (หรือบล็อกเซลล์) คือ 3000mA กระแสไฟทำงานสูงสุดของแบตเตอรี่ไม่ควรเกิน 3000mA และกระแสการป้องกันของแบตเตอรี่ควรตรวจสอบให้แน่ใจด้วยว่ากระแสในกระบวนการชาร์จไม่ควรเกิน 3000mA ด้วยวิธีนี้เท่านั้นที่เราสามารถป้องกันและหลีกเลี่ยงอันตรายได้อย่างมีประสิทธิภาพ สำหรับการออกแบบพารามิเตอร์การป้องกัน โปรดดูภาคผนวก A โดยจะพิจารณาการออกแบบพารามิเตอร์ของเซลล์ – แบตเตอรี่ – โฮสต์ที่ใช้งานอยู่ ซึ่งค่อนข้างครอบคลุม

สำหรับแบตเตอรี่ที่มีวงจรป้องกัน ต้องทำการทดสอบความปลอดภัยของวงจรป้องกันแบตเตอรี่ 10.1~10.5 บทนี้ส่วนใหญ่ศึกษาการชาร์จเกินการป้องกันแรงดันไฟฟ้า การชาร์จเกินการป้องกันกระแส การคายประจุภายใต้การป้องกันแรงดันไฟฟ้า การคายประจุเกินการป้องกันกระแส และการป้องกันไฟฟ้าลัดวงจร สิ่งเหล่านี้ถูกกล่าวถึงในข้างต้นการออกแบบความปลอดภัยด้านการทำงานและข้อกำหนดพื้นฐาน GB 31241 ต้องมีการตรวจสอบ 500 ครั้ง

หากแบตเตอรี่ที่ไม่มีวงจรป้องกันได้รับการปกป้องโดยเครื่องชาร์จหรืออุปกรณ์ปลายทาง การทดสอบความปลอดภัยของวงจรป้องกันระบบ 11.1~11.5 จะต้องดำเนินการกับอุปกรณ์ป้องกันภายนอก การควบคุมแรงดัน กระแส และอุณหภูมิของประจุและการคายประจุส่วนใหญ่จะตรวจสอบ เป็นที่น่าสังเกตว่าเมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ที่มีวงจรป้องกัน แบตเตอรี่ที่ไม่มีวงจรป้องกันสามารถพึ่งพาการป้องกันของอุปกรณ์ในการใช้งานจริงเท่านั้น ความเสี่ยงนั้นสูงกว่า ดังนั้นการทำงานปกติและสภาวะข้อบกพร่องเดี่ยวจะได้รับการทดสอบแยกกัน สิ่งนี้บังคับให้อุปกรณ์ปลายทางต้องมีการป้องกันแบบคู่ มิฉะนั้นจะผ่านการทดสอบตามบทที่ 11 ไม่ได้

สุดท้ายนี้ หากมีเซลล์หลายชุดในแบตเตอรี่ คุณต้องพิจารณาปรากฏการณ์การชาร์จที่ไม่สมดุล จำเป็นต้องมีการทดสอบความสอดคล้องของบทที่ 12 ฟังก์ชันการป้องกันสมดุลและความแตกต่างของแรงดันของ PCB จะได้รับการตรวจสอบที่นี่เป็นหลัก ฟังก์ชันนี้ไม่จำเป็นสำหรับแบตเตอรี่เซลล์เดียว

กิกะไบต์ 4943.1-2022

มาตรฐานนี้ใช้กับผลิตภัณฑ์ AV ด้วยการใช้ผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่เพิ่มมากขึ้น GB 4943.1-2022 เวอร์ชันใหม่จึงให้ข้อกำหนดเฉพาะสำหรับแบตเตอรี่ในภาคผนวก M โดยประเมินอุปกรณ์ที่มีแบตเตอรี่และวงจรป้องกัน จากการประเมินวงจรป้องกันแบตเตอรี่ ได้มีการเพิ่มข้อกำหนดด้านความปลอดภัยเพิ่มเติมสำหรับอุปกรณ์ที่มีแบตเตอรี่ลิเธียมสำรองด้วย

วงจรป้องกันแบตเตอรี่ลิเธียมทุติยภูมิส่วนใหญ่จะตรวจสอบการชาร์จเกิน การคายประจุเกิน การชาร์จแบบย้อนกลับ การป้องกันความปลอดภัยในการชาร์จ (อุณหภูมิ) การป้องกันการลัดวงจร ฯลฯ ควรสังเกตว่าการทดสอบเหล่านี้ทั้งหมดจำเป็นต้องมีข้อผิดพลาดเดียวในวงจรป้องกัน ข้อกำหนดนี้ไม่ได้ระบุไว้ในมาตรฐานแบตเตอรี่ GB 31241 ดังนั้นในการออกแบบฟังก์ชันการป้องกันแบตเตอรี่ เราจำเป็นต้องรวมข้อกำหนดมาตรฐานของแบตเตอรี่และโฮสต์เข้าด้วยกัน ถ้าแบตเตอรี่มีการป้องกันเพียงอย่างเดียวและไม่มีส่วนประกอบซ้ำซ้อน หรือแบตเตอรี่ไม่มีวงจรป้องกันและเจ้าบ้านจัดเตรียมวงจรป้องกันไว้เท่านั้น ควรรวมเจ้าบ้านไว้สำหรับการทดสอบส่วนนี้ด้วย

บทสรุป

โดยสรุป การออกแบบแบตเตอรี่ที่ปลอดภัย นอกเหนือจากการเลือกใช้วัสดุแล้ว การออกแบบโครงสร้างที่ตามมาและการออกแบบด้านความปลอดภัยในการใช้งานก็มีความสำคัญไม่แพ้กัน แม้ว่ามาตรฐานที่แตกต่างกันจะมีข้อกำหนดที่แตกต่างกันสำหรับผลิตภัณฑ์ แต่ถ้าสามารถพิจารณาความปลอดภัยของการออกแบบแบตเตอรี่อย่างเต็มที่เพื่อให้ตรงตามความต้องการของตลาดที่แตกต่างกัน ระยะเวลาในการผลิตจะลดลงอย่างมาก และผลิตภัณฑ์ก็สามารถเร่งออกสู่ตลาดได้ นอกเหนือจากการรวมกฎหมาย ข้อบังคับ และมาตรฐานของประเทศและภูมิภาคต่างๆ แล้ว ยังจำเป็นต้องออกแบบผลิตภัณฑ์ตามการใช้งานจริงของแบตเตอรี่ในผลิตภัณฑ์ปลายทางอีกด้วย