Saat ini, sebagian besar kecelakaan keselamatan baterai lithium-ion terjadi karena kegagalan sirkuit proteksi, yang menyebabkan pelepasan panas baterai dan mengakibatkan kebakaran dan ledakan. Oleh karena itu, untuk mewujudkan penggunaan baterai litium yang aman, desain sirkuit proteksi sangatlah penting, dan segala macam faktor yang menyebabkan kegagalan baterai litium harus diperhitungkan. Selain proses produksi, kegagalan pada dasarnya disebabkan oleh perubahan kondisi ekstrim eksternal, seperti over-charge, over-discharge, dan temperatur tinggi. Jika parameter ini dipantau secara real time dan tindakan perlindungan yang sesuai akan diambil ketika parameter tersebut berubah, terjadinya thermal runaway dapat dihindari. Desain keselamatan baterai lithium mencakup beberapa aspek: pemilihan sel, desain struktural dan desain keselamatan fungsional BMS.

Pemilihan sel

Ada banyak faktor yang mempengaruhi keamanan sel dan pemilihan bahan sel adalah fondasinya. Karena sifat kimia yang berbeda, keamanan bervariasi pada bahan katoda baterai litium yang berbeda. Misalnya litium besi fosfat berbentuk olivin yang relatif stabil dan tidak mudah hancur. Namun, litium kobaltat dan litium terner merupakan struktur berlapis yang mudah runtuh. Pemilihan separator juga sangat penting, karena kinerjanya berhubungan langsung dengan keamanan sel. Oleh karena itu, dalam pemilihan sel, tidak hanya laporan deteksi tetapi juga proses produksi pabrikan, bahan dan parameternya harus dipertimbangkan.

Desain struktur

Desain struktur baterai terutama mempertimbangkan persyaratan isolasi dan pembuangan panas.

• Persyaratan isolasi umumnya melibatkan aspek-aspek berikut: Isolasi antara elektroda positif dan negatif; Isolasi antara sel dan selungkup; Isolasi antara tab tiang dan penutup; Jarak kelistrikan PCB dan jarak rambat, desain kabel internal, desain grounding, dll.
• Pembuangan panas terutama untuk beberapa baterai penyimpan energi atau traksi yang besar. Karena tingginya energi baterai ini, panas yang dihasilkan saat pengisian dan pengosongan sangat besar. Jika panas tidak dapat dihilangkan tepat waktu, panas akan menumpuk dan mengakibatkan kecelakaan. Oleh karena itu, pemilihan dan desain bahan penutup (Harus memiliki kekuatan mekanik tertentu dan persyaratan tahan debu dan tahan air), pemilihan sistem pendingin dan isolasi termal internal lainnya, pembuangan panas dan sistem pemadam kebakaran semuanya harus diperhitungkan.

Untuk pemilihan dan penerapan sistem pendingin baterai, silakan merujuk pada edisi sebelumnya.

Desain keamanan fungsional

Sifat fisik dan kimia menentukan bahwa material tidak dapat membatasi tegangan pengisian dan pengosongan. Setelah tegangan pengisian dan pengosongan melebihi kisaran pengenal, hal ini akan menyebabkan kerusakan permanen pada baterai litium. Oleh karena itu, perlu dilakukan penambahan rangkaian proteksi untuk menjaga tegangan dan arus sel internal dalam keadaan normal saat baterai lithium bekerja. Untuk baterai BMS, diperlukan fungsi berikut:

• Perlindungan pengisian daya berlebih: pengisian berlebih adalah salah satu alasan utama pelarian termal. Setelah pengisian berlebih, bahan katoda akan runtuh karena pelepasan ion litium yang berlebihan, dan elektroda negatif juga akan mengalami pengendapan litium, yang menyebabkan penurunan stabilitas termal dan peningkatan reaksi samping, yang berpotensi menimbulkan risiko pelarian termal. Oleh karena itu, sangat penting untuk memutus arus tepat waktu setelah pengisian mencapai tegangan batas atas sel. Hal ini mengharuskan BMS memiliki fungsi proteksi tegangan lebih pengisian, sehingga tegangan sel selalu dijaga dalam batas kerja. Akan lebih baik jika tegangan proteksi tidak berupa nilai kisaran dan sangat bervariasi, karena dapat menyebabkan baterai gagal memutus arus pada saat baterai terisi penuh, sehingga mengakibatkan pengisian daya berlebih. Tegangan proteksi BMS biasanya dirancang sama atau sedikit lebih rendah dari tegangan atas sel.
• Mengisi daya melalui perlindungan arus: Mengisi daya baterai dengan arus lebih dari batas pengisian atau pengosongan dapat menyebabkan penumpukan panas. Ketika panas terakumulasi cukup untuk melelehkan diafragma, hal ini dapat menyebabkan korsleting internal. Oleh karena itu, pengisian daya yang tepat waktu atas perlindungan arus juga penting. Kita harus memperhatikan bahwa proteksi arus lebih tidak boleh lebih tinggi dari toleransi arus sel dalam desain.
• Pengosongan di bawah perlindungan tegangan: Tegangan yang terlalu besar atau terlalu kecil akan merusak kinerja baterai. Pengosongan terus menerus di bawah tegangan akan menyebabkan pengendapan tembaga dan elektroda negatif runtuh, sehingga umumnya baterai akan mengalami pengosongan di bawah fungsi perlindungan tegangan.
• Perlindungan pelepasan arus: Sebagian besar pengisian dan pengosongan PCB melalui antarmuka yang sama, dalam hal ini arus perlindungan pengisian dan pengosongan konsisten. Namun beberapa baterai, terutama baterai untuk peralatan listrik, pengisian cepat dan jenis baterai lainnya perlu menggunakan pengosongan atau pengisian arus yang besar, arusnya tidak konsisten saat ini, jadi yang terbaik adalah pengisian dan pengosongan dalam kontrol dua loop.
• Perlindungan hubung singkat: Korsleting baterai juga merupakan salah satu kesalahan paling umum. Beberapa tabrakan, penyalahgunaan, terjepit, tertusuk jarum, masuknya air, dll., mudah menyebabkan korsleting. Hubungan pendek akan segera menghasilkan arus pelepasan yang besar, yang mengakibatkan peningkatan tajam pada suhu baterai. Pada saat yang sama, serangkaian reaksi elektrokimia biasanya terjadi di dalam sel setelah hubungan pendek eksternal, yang mengarah pada serangkaian reaksi eksotermik. Proteksi hubung singkat juga merupakan jenis proteksi arus berlebih. Namun arus hubung singkatnya tidak terbatas, dan panas serta bahayanya juga tidak terbatas, sehingga proteksinya harus sangat sensitif dan dapat terpicu secara otomatis. Tindakan perlindungan hubung singkat yang umum meliputi kontaktor, sekering, mos, dll.
• Perlindungan suhu berlebih: Baterai sensitif terhadap suhu sekitar. Suhu yang terlalu tinggi atau terlalu rendah akan mempengaruhi kinerjanya. Oleh karena itu, penting untuk menjaga baterai tetap beroperasi dalam batas suhu. BMS harus memiliki fungsi perlindungan suhu untuk menghentikan baterai ketika suhu terlalu tinggi atau terlalu rendah. Ia bahkan dapat dibagi lagi menjadi perlindungan suhu pengisian dan perlindungan suhu pengosongan, dll.
• Fungsi penyeimbang: Untuk notebook dan baterai multi-seri lainnya, terdapat ketidakkonsistenan antar sel karena perbedaan proses produksi. Misalnya, resistansi internal beberapa sel lebih besar dibandingkan yang lain. Inkonsistensi ini lambat laun akan semakin memburuk akibat pengaruh lingkungan eksternal. Oleh karena itu, diperlukan adanya fungsi manajemen keseimbangan untuk melaksanakan keseimbangan sel. Secara umum ada dua jenis keseimbangan:

1. Penyeimbangan pasif: Gunakan perangkat keras, seperti pembanding tegangan, lalu gunakan pembuangan panas resistansi untuk melepaskan kelebihan daya baterai berkapasitas tinggi. Namun konsumsi energinya besar, kecepatan pemerataannya lambat, dan efisiensinya rendah.

2. Penyeimbangan aktif: gunakan kapasitor untuk menyimpan daya sel dengan tegangan lebih tinggi dan melepaskannya ke sel dengan tegangan lebih rendah. Namun, ketika perbedaan tekanan antara sel yang berdekatan kecil, waktu pemerataan menjadi lama, dan ambang tegangan pemerataan dapat diatur lebih fleksibel.

Validasi standar

Terakhir, jika Anda ingin baterai Anda berhasil memasuki pasar internasional atau domestik, baterai tersebut juga harus memenuhi standar terkait untuk menjamin keamanan baterai lithium-ion. Dari sel hingga baterai dan produk inang harus memenuhi standar pengujian yang sesuai. Artikel ini akan fokus pada persyaratan perlindungan baterai dalam negeri untuk produk IT elektronik.

GB 31241-2022

Standar ini ditujukan untuk baterai perangkat elektronik portabel. Ini terutama mempertimbangkan istilah 5.2 parameter kerja aman, 10.1 hingga 10.5 persyaratan keselamatan untuk PCM, 11.1 hingga 11.5 persyaratan keselamatan pada sirkuit perlindungan sistem (bila baterai itu sendiri tanpa perlindungan), 12.1 dan 12.2 persyaratan untuk konsistensi, dan Lampiran A (untuk dokumen) .

u Istilah 5.2 mensyaratkan parameter sel dan baterai harus cocok, yang dapat dipahami sebagai parameter kerja baterai tidak boleh melebihi rentang sel. Namun, apakah parameter perlindungan baterai perlu dipastikan bahwa parameter kerja baterai tidak melebihi rentang sel? Ada pemahaman yang berbeda, namun dari sudut pandang keamanan desain baterai, jawabannya adalah ya. Misalnya, arus pengisian maksimum sebuah sel (atau blok sel) adalah 3000mA, arus kerja maksimum baterai tidak boleh melebihi 3000mA, dan arus perlindungan baterai juga harus memastikan bahwa arus dalam proses pengisian tidak boleh melebihi 3000mA. Hanya dengan cara inilah kita dapat secara efektif melindungi dan menghindari bahaya. Untuk desain parameter proteksi, silakan lihat Lampiran A. Lampiran ini membahas desain parameter sel – baterai – host yang digunakan, yang relatif komprehensif.

u Untuk baterai dengan sirkuit proteksi, diperlukan uji keamanan sirkuit proteksi baterai 10,1~10,5. Bab ini terutama menyelidiki pengisian proteksi tegangan berlebih, pengisian proteksi arus berlebih, pemakaian proteksi tegangan, pemakaian proteksi arus berlebih, dan proteksi hubung singkat. Ini disebutkan di atasDesain Keamanan Fungsionaldan persyaratan dasar. GB 31241 memerlukan pengecekan sebanyak 500 kali.

u Jika baterai tanpa sirkuit proteksi dilindungi oleh pengisi daya atau perangkat ujungnya, uji keselamatan sirkuit proteksi sistem 11.1~11.5 harus dilakukan dengan perangkat proteksi eksternal. Kontrol tegangan, arus dan suhu pengisian dan pengosongan terutama diselidiki. Perlu dicatat bahwa, dibandingkan dengan baterai dengan sirkuit proteksi, baterai tanpa sirkuit proteksi hanya dapat mengandalkan perlindungan peralatan dalam penggunaan sebenarnya. Risikonya lebih tinggi, sehingga pengoperasian normal dan kondisi kesalahan tunggal akan diuji secara terpisah. Hal ini memaksa perangkat akhir memiliki perlindungan ganda; jika tidak, ia tidak dapat lulus ujian di Bab 11.

u Terakhir, jika terdapat beberapa sel seri dalam sebuah baterai, Anda perlu mempertimbangkan fenomena pengisian daya yang tidak seimbang. Uji kesesuaian bab 12 diperlukan. Fungsi keseimbangan dan perlindungan tekanan diferensial dari PCB terutama diselidiki di sini. Fungsi ini tidak diperlukan untuk baterai sel tunggal.

GB 4943.1-2022

Standar ini untuk produk AV. Dengan meningkatnya penggunaan produk elektronik bertenaga baterai, versi baru GB 4943.1-2022 memberikan persyaratan khusus untuk baterai di Lampiran M, mengevaluasi peralatan dengan baterai dan sirkuit perlindungannya. Berdasarkan evaluasi sirkuit proteksi baterai, persyaratan keselamatan tambahan untuk peralatan yang mengandung baterai litium sekunder juga telah ditambahkan.

u Sirkuit perlindungan baterai lithium sekunder terutama menyelidiki pengisian berlebih, pengosongan berlebih, pengisian terbalik, perlindungan keselamatan pengisian daya (suhu), perlindungan hubung singkat, dll. Perlu dicatat bahwa semua pengujian ini memerlukan satu kesalahan dalam sirkuit perlindungan. Persyaratan ini tidak disebutkan dalam standar baterai GB 31241. Jadi dalam desain fungsi perlindungan baterai, kita perlu menggabungkan persyaratan standar baterai dan host. Jika baterai hanya memiliki satu proteksi dan tidak ada komponen redundan, atau baterai tidak memiliki sirkuit proteksi dan sirkuit proteksi hanya disediakan oleh host, host harus disertakan untuk bagian pengujian ini.

Kesimpulan

Kesimpulannya, untuk merancang baterai yang aman, selain pemilihan material itu sendiri, desain struktural dan desain keselamatan fungsional selanjutnya juga sama pentingnya. Meskipun standar yang berbeda memiliki persyaratan produk yang berbeda, jika keamanan desain baterai dapat sepenuhnya dianggap memenuhi persyaratan pasar yang berbeda, waktu tunggu dapat sangat dikurangi dan produk dapat dipercepat ke pasar. Selain menggabungkan undang-undang, peraturan, dan standar dari berbagai negara dan wilayah, perlu juga merancang produk berdasarkan penggunaan baterai sebenarnya pada produk terminal.