في الوقت الحالي، تحدث معظم حوادث سلامة بطاريات الليثيوم أيون بسبب عطل دائرة الحماية، مما يتسبب في انفلات حرارة البطارية ويؤدي إلى نشوب حريق وانفجار. ولذلك، من أجل تحقيق الاستخدام الآمن لبطارية الليثيوم، فإن تصميم دائرة الحماية مهم بشكل خاص، ويجب أن تؤخذ في الاعتبار جميع أنواع العوامل المسببة لفشل بطارية الليثيوم. بالإضافة إلى عملية الإنتاج، فإن الأعطال تحدث أساسًا بسبب التغيرات في الظروف الخارجية القاسية، مثل الشحن الزائد والإفراط في التفريغ وارتفاع درجة الحرارة. إذا تمت مراقبة هذه المعلمات في الوقت الحقيقي وسيتم اتخاذ تدابير الحماية المقابلة عند تغييرها، فيمكن تجنب حدوث الانفلات الحراري. يتضمن تصميم السلامة لبطارية الليثيوم عدة جوانب: اختيار الخلايا والتصميم الهيكلي وتصميم السلامة الوظيفية لنظام إدارة المباني.

اختيار الخلية

هناك العديد من العوامل التي تؤثر على سلامة الخلية والتي يكون اختيار مادة الخلية هو الأساس فيها. بسبب الخصائص الكيميائية المختلفة، تختلف السلامة في مواد الكاثود المختلفة لبطارية الليثيوم. على سبيل المثال، فوسفات حديد الليثيوم على شكل أوليفين، وهو مستقر نسبيًا وليس من السهل الانهيار. ومع ذلك، فإن كوبالتات الليثيوم والليثيوم الثلاثي عبارة عن هيكل متعدد الطبقات يسهل انهياره. يعد اختيار الفاصل أيضًا مهمًا جدًا، حيث يرتبط أدائه بشكل مباشر بسلامة الخلية. لذلك، عند اختيار الخلية، يجب ألا تؤخذ في الاعتبار تقارير الكشف فحسب، بل يجب أيضًا مراعاة عملية إنتاج الشركة المصنعة والمواد ومعلماتها.

تصميم الهيكل

يأخذ تصميم هيكل البطارية بشكل أساسي متطلبات العزل وتبديد الحرارة.

• تتضمن متطلبات العزل عمومًا الجوانب التالية: العزل بين القطب الموجب والسالب؛ العزل بين الخلية والعلبة. العزل بين علامات التبويب القطب والعلبة. التباعد الكهربائي لثنائي الفينيل متعدد الكلور ومسافة الزحف، وتصميم الأسلاك الداخلية، وتصميم التأريض، وما إلى ذلك.
• يتم تبديد الحرارة بشكل أساسي لبعض بطاريات الجر أو تخزين الطاقة الكبيرة. ونظرًا للطاقة العالية لهذه البطاريات، فإن الحرارة المتولدة عند الشحن والتفريغ تكون ضخمة. إذا لم يكن من الممكن تبديد الحرارة في الوقت المناسب، فسوف تتراكم الحرارة ويؤدي إلى وقوع حوادث. لذلك، يجب أن يؤخذ في الاعتبار اختيار وتصميم مواد العلبة (يجب أن يكون لها قوة ميكانيكية معينة ومتطلبات مقاومة الغبار والماء)، واختيار نظام التبريد وغيره من العزل الحراري الداخلي، وتبديد الحرارة ونظام إطفاء الحرائق.

لاختيار نظام تبريد البطارية وتطبيقه، يرجى الرجوع إلى الإصدار السابق.

تصميم السلامة الوظيفية

تحدد الخصائص الفيزيائية والكيميائية أن المادة لا يمكن أن تحد من جهد الشحن والتفريغ. بمجرد أن يتجاوز جهد الشحن والتفريغ النطاق المقنن، فسوف يتسبب ذلك في تلف لا يمكن إصلاحه لبطارية الليثيوم. ولذلك فمن الضروري إضافة دائرة الحماية للحفاظ على الجهد والتيار للخلية الداخلية في حالة طبيعية عندما تعمل بطارية الليثيوم. بالنسبة لأنظمة إدارة البطاريات (BMS) للبطاريات، تكون الوظائف التالية مطلوبة:

• حماية الشحن الزائد من الجهد: يعد الشحن الزائد أحد الأسباب الرئيسية للهروب الحراري. بعد الشحن الزائد، سوف تنهار مادة الكاثود بسبب الإفراط في إطلاق أيون الليثيوم، وسيحدث أيضًا هطول لليثيوم على القطب السالب، مما يؤدي إلى انخفاض الاستقرار الحراري وزيادة التفاعلات الجانبية، والتي تنطوي على خطر محتمل للانفلات الحراري. لذلك، من المهم بشكل خاص قطع التيار في الوقت المناسب بعد أن يصل الشحن إلى الحد الأعلى لجهد الخلية. وهذا يتطلب أن يكون لدى BMS وظيفة الشحن عبر حماية الجهد، بحيث يتم الحفاظ على جهد الخلية دائمًا ضمن حدود العمل. سيكون من الأفضل ألا يكون جهد الحماية قيمة نطاق وأن يتغير بشكل كبير، لأنه يمكن أن يتسبب في فشل البطارية في قطع التيار في الوقت المناسب عندما تكون مشحونة بالكامل، مما يؤدي إلى الشحن الزائد. عادةً ما يتم تصميم جهد الحماية الخاص بـ BMS ليكون هو نفسه أو أقل قليلاً من الجهد العلوي للخلية.
• الشحن الزائد عن مستوى الحماية الحالية: قد يؤدي شحن البطارية بتيار أكبر من حد الشحن أو التفريغ إلى تراكم الحرارة. عندما تتراكم الحرارة بما يكفي لإذابة الحجاب الحاجز، يمكن أن يتسبب ذلك في حدوث ماس كهربائي داخلي. لذلك يعد فرض رسوم على الحماية الحالية في الوقت المناسب أمرًا ضروريًا أيضًا. يجب أن ننتبه إلى أن الحماية الحالية الزائدة لا يمكن أن تكون أعلى من التسامح الحالي للخلية في التصميم.
• التفريغ تحت حماية الجهد: الجهد الكبير جدًا أو الصغير جدًا سيضر بأداء البطارية. سيؤدي التفريغ المستمر تحت الجهد إلى ترسيب النحاس وانهيار القطب السالب، لذلك بشكل عام، سيتم تفريغ البطارية تحت وظيفة حماية الجهد.
• التفريغ فوق الحماية الحالية: يتم شحن وتفريغ معظم ثنائي الفينيل متعدد الكلور من خلال نفس الواجهة، وفي هذه الحالة يكون تيار حماية الشحن والتفريغ ثابتًا. لكن بعض البطاريات، وخاصة بطاريات الأدوات الكهربائية والشحن السريع وأنواع البطاريات الأخرى، تحتاج إلى استخدام تفريغ أو شحن تيار كبير، والتيار غير متناسق في هذا الوقت، لذلك من الأفضل الشحن والتفريغ في حلقتين للتحكم.
• حماية ماس كهربائى: يعد ماس كهربائى للبطارية أيضًا أحد أكثر الأخطاء شيوعًا. بعض الاصطدامات، وسوء الاستخدام، والضغط، والوخز، ودخول الماء، وما إلى ذلك، من السهل إحداث ماس كهربائي. ستؤدي الدائرة القصيرة إلى توليد تيار تفريغ كبير على الفور، مما يؤدي إلى ارتفاع حاد في درجة حرارة البطارية. وفي الوقت نفسه، عادة ما تحدث سلسلة من التفاعلات الكهروكيميائية في الخلية بعد حدوث ماس كهربائي خارجي، مما يؤدي إلى سلسلة من التفاعلات الطاردة للحرارة. حماية الدائرة القصيرة هي أيضًا نوع من الحماية الحالية. لكن تيار الدائرة القصيرة سيكون لا نهائيًا، كما أن الحرارة والضرر لا نهائيين أيضًا، لذا يجب أن تكون الحماية حساسة للغاية ويمكن تشغيلها تلقائيًا. تشمل إجراءات حماية الدائرة القصيرة الشائعة الموصلات والصمامات والموس وما إلى ذلك.
• الحماية من درجة الحرارة الزائدة: البطارية حساسة لدرجة الحرارة المحيطة. ستؤثر درجة الحرارة المرتفعة جدًا أو المنخفضة جدًا على أدائها. لذلك، من المهم الحفاظ على تشغيل البطارية ضمن درجة الحرارة المسموح بها. يجب أن يكون لدى BMS وظيفة حماية درجة الحرارة لإيقاف البطارية عندما تكون درجة الحرارة مرتفعة جدًا أو منخفضة جدًا. ويمكن أيضًا تقسيمها إلى حماية درجة حرارة الشحن وحماية درجة حرارة التفريغ، وما إلى ذلك.
• وظيفة التوازن: بالنسبة لبطاريات الكمبيوتر المحمول وغيرها من البطاريات متعددة السلاسل، يوجد عدم تناسق بين الخلايا بسبب الاختلافات في عملية الإنتاج. على سبيل المثال، تكون المقاومة الداخلية لبعض الخلايا أكبر من غيرها. وهذا التناقض سوف يتفاقم تدريجياً تحت تأثير البيئة الخارجية. ولذلك، فمن الضروري أن يكون هناك وظيفة إدارة التوازن لتنفيذ توازن الخلية. بشكل عام هناك نوعان من التوازن:

1. التوازن السلبي: استخدم الأجهزة، مثل مقارنة الجهد، ثم استخدم تبديد الحرارة المقاوم لتحرير الطاقة الزائدة للبطارية ذات السعة العالية. لكن استهلاك الطاقة كبير، وسرعة المعادلة بطيئة، والكفاءة منخفضة.

2. التوازن النشط: استخدم المكثفات لتخزين طاقة الخلايا ذات الجهد العالي وإطلاقها إلى الخلية ذات الجهد المنخفض. ومع ذلك، عندما يكون فرق الضغط بين الخلايا المجاورة صغيرًا، يكون وقت المعادلة طويلًا، ويمكن ضبط عتبة جهد المعادلة بشكل أكثر مرونة.

التحقق من صحة القياسية

أخيرًا، إذا كنت تريد أن تدخل بطارياتك إلى السوق الدولية أو المحلية بنجاح، فإنها تحتاج أيضًا إلى تلبية المعايير ذات الصلة لضمان سلامة بطارية ليثيوم أيون. من الخلايا إلى البطاريات والمنتجات المضيفة يجب أن تستوفي معايير الاختبار المقابلة. ستركز هذه المقالة على متطلبات حماية البطارية المحلية لمنتجات تكنولوجيا المعلومات الإلكترونية.

غيغابايت 31241-2022

هذه المواصفة القياسية مخصصة لبطاريات الأجهزة الإلكترونية المحمولة. وهو يأخذ في الاعتبار بشكل أساسي المصطلح 5.2 معلمات العمل الآمن، و10.1 إلى 10.5 متطلبات السلامة لـ PCM، و11.1 إلى 11.5 متطلبات السلامة على دائرة حماية النظام (عندما تكون البطارية نفسها بدون حماية)، و12.1 و12.2 متطلبات الاتساق، والملحق أ (للمستندات) .

u يتطلب المصطلح 5.2 مطابقة معلمات الخلية والبطارية، وهو ما يمكن فهمه على أنه يجب ألا تتجاوز معلمات عمل البطارية نطاق الخلايا. ومع ذلك، هل يجب التأكد من معلمات حماية البطارية بحيث لا تتجاوز معلمات عمل البطارية نطاق الخلايا؟ هناك مفاهيم مختلفة، ولكن من منظور سلامة تصميم البطارية، فإن الإجابة هي نعم. على سبيل المثال، الحد الأقصى لتيار الشحن للخلية (أو كتلة الخلية) هو 3000 مللي أمبير، ويجب ألا يتجاوز الحد الأقصى لتيار عمل البطارية 3000 مللي أمبير، ويجب أن يضمن تيار حماية البطارية أيضًا عدم تجاوز التيار في عملية الشحن 3000 مللي أمبير. بهذه الطريقة فقط يمكننا حماية المخاطر وتجنبها بشكل فعال. لتصميم معلمات الحماية، يرجى الرجوع إلى الملحق أ. فهو يأخذ في الاعتبار تصميم معلمات الخلية - البطارية - المضيف المستخدم، وهو شامل نسبيًا.

u بالنسبة للبطاريات ذات دائرة حماية، يلزم إجراء اختبار سلامة لدائرة حماية البطارية 10.1 ~ 10.5. يتناول هذا الفصل بشكل أساسي الشحن الزائد عن حماية الجهد، والشحن الزائد عن حماية التيار، والتفريغ تحت حماية الجهد، والتفريغ الزائد عن حماية التيار، وحماية الدائرة القصيرة. وهؤلاء مذكورون في ما سبقتصميم السلامة الوظيفيةوالمتطلبات الأساسية. يتطلب GB 31241 التحقق 500 مرة.

u إذا كانت البطارية التي لا تحتوي على دائرة حماية محمية بواسطة الشاحن أو الجهاز النهائي، فيجب إجراء اختبار السلامة لدائرة حماية النظام 11.1 ~ 11.5 باستخدام جهاز الحماية الخارجي. يتم التحقيق بشكل رئيسي في التحكم في الجهد والتيار ودرجة الحرارة للشحن والتفريغ. ومن الجدير بالذكر أنه بالمقارنة مع البطاريات ذات دوائر الحماية، فإن البطاريات التي لا تحتوي على دوائر حماية يمكنها الاعتماد فقط على حماية المعدات قيد الاستخدام الفعلي. المخاطر أعلى، لذلك سيتم اختبار التشغيل العادي وظروف الخطأ الفردي بشكل منفصل. وهذا يفرض على الجهاز النهائي الحصول على حماية مزدوجة؛ وإلا فلن يتمكن من اجتياز الاختبار في الفصل 11.

u أخيرًا، إذا كانت هناك خلايا متسلسلة متعددة في البطارية، فأنت بحاجة إلى مراعاة ظاهرة الشحن غير المتوازن. مطلوب اختبار المطابقة للفصل 12. يتم هنا فحص وظائف حماية التوازن والضغط التفاضلي لثنائي الفينيل متعدد الكلور بشكل أساسي. هذه الوظيفة غير مطلوبة للبطاريات أحادية الخلية.

غيغابايت 4943.1-2022

هذا المعيار مخصص لمنتجات AV. مع الاستخدام المتزايد للمنتجات الإلكترونية التي تعمل بالبطاريات، يوفر الإصدار الجديد من GB 4943.1-2022 متطلبات محددة للبطاريات في الملحق M، حيث يقوم بتقييم المعدات المزودة بالبطاريات ودوائر الحماية الخاصة بها. واستنادًا إلى تقييم دائرة حماية البطارية، تمت أيضًا إضافة متطلبات أمان إضافية للمعدات التي تحتوي على بطاريات الليثيوم الثانوية.

u تقوم دائرة حماية بطارية الليثيوم الثانوية بشكل أساسي بالتحقق من الشحن الزائد، والإفراط في التفريغ، والشحن العكسي، وحماية سلامة الشحن (درجة الحرارة)، وحماية الدائرة القصيرة، وما إلى ذلك. وتجدر الإشارة إلى أن هذه الاختبارات كلها تتطلب خطأ واحد في دائرة الحماية. لم يتم ذكر هذا المطلب في معيار البطارية GB 31241. لذلك، في تصميم وظيفة حماية البطارية، نحتاج إلى الجمع بين المتطلبات القياسية للبطارية والمضيف. إذا كانت البطارية تحتوي على حماية واحدة فقط ولا توجد مكونات زائدة عن الحاجة، أو أن البطارية لا تحتوي على دائرة حماية ويتم توفير دائرة الحماية فقط من قبل المضيف، فيجب تضمين المضيف في هذا الجزء من الاختبار.

خاتمة

في الختام، لتصميم بطارية آمنة، بالإضافة إلى اختيار المادة نفسها، فإن التصميم الهيكلي اللاحق وتصميم السلامة الوظيفية لهما نفس القدر من الأهمية. على الرغم من أن المعايير المختلفة لها متطلبات مختلفة للمنتجات، إذا كان من الممكن مراعاة سلامة تصميم البطارية بشكل كامل لتلبية متطلبات الأسواق المختلفة، فيمكن تقليل المهلة الزمنية بشكل كبير ويمكن تسريع المنتج إلى السوق. بالإضافة إلى الجمع بين القوانين واللوائح والمعايير الخاصة بمختلف البلدان والمناطق، من الضروري أيضًا تصميم المنتجات بناءً على الاستخدام الفعلي للبطاريات في المنتجات الطرفية.