À l'heure actuelle, la plupart des accidents liés à la sécurité des batteries lithium-ion se produisent en raison d'une défaillance du circuit de protection, ce qui provoque un emballement thermique de la batterie et entraîne un incendie et une explosion. Par conséquent, afin de garantir une utilisation sûre de la batterie au lithium, la conception du circuit de protection est particulièrement importante et toutes sortes de facteurs provoquant la défaillance de la batterie au lithium doivent être pris en compte. Outre le processus de production, les défaillances sont essentiellement causées par des changements dans les conditions externes extrêmes, telles qu'une surcharge, une décharge excessive et une température élevée. Si ces paramètres sont surveillés en temps réel et que des mesures de protection correspondantes sont prises lorsqu'ils changent, l'apparition d'un emballement thermique peut être évitée. La conception de sécurité de la batterie au lithium comprend plusieurs aspects : la sélection des cellules, la conception structurelle et la conception de sécurité fonctionnelle du BMS.

Sélection de cellules

Il existe de nombreux facteurs affectant la sécurité des cellules, pour lesquels le choix du matériau cellulaire constitue le fondement. En raison des différentes propriétés chimiques, la sécurité varie selon les différents matériaux cathodiques de la batterie au lithium. Par exemple, le phosphate de fer et de lithium a la forme d'une olivine, qui est relativement stable et difficile à effondrer. Le cobaltate de lithium et le lithium ternaire, cependant, sont une structure en couches facile à effondrer. Le choix du séparateur est également très important, car ses performances sont directement liées à la sécurité de la cellule. Par conséquent, lors de la sélection de la cellule, non seulement les rapports de détection, mais également le processus de production du fabricant, les matériaux et leurs paramètres doivent être pris en compte.

Conception des structures

La conception de la structure de la batterie prend principalement en compte les exigences d’isolation et de dissipation thermique.

• Les exigences en matière d'isolation concernent généralement les aspects suivants : Isolation entre les électrodes positive et négative ; Isolation entre cellule et enceinte ; Isolation entre les languettes des poteaux et le boîtier ; Espacement électrique des PCB et ligne de fuite, conception du câblage interne, conception de la mise à la terre, etc.
• La dissipation thermique concerne principalement certaines grandes batteries de stockage d’énergie ou de traction. En raison de la grande énergie de ces batteries, la chaleur générée lors de la charge et de la décharge est énorme. Si la chaleur ne peut pas être dissipée à temps, elle s’accumulera et entraînera des accidents. Par conséquent, la sélection et la conception des matériaux du boîtier (il doit avoir certaines exigences en matière de résistance mécanique et d'étanchéité à la poussière et à l'eau), la sélection du système de refroidissement et d'autres systèmes d'isolation thermique interne, de dissipation thermique et d'extinction d'incendie doivent tous être pris en compte.

Pour la sélection et l'application du système de refroidissement de la batterie, veuillez vous référer à l'édition précédente.

Conception de sécurité fonctionnelle

Les propriétés physiques et chimiques déterminent que le matériau ne peut pas limiter la tension de charge et de décharge. Une fois que la tension de charge et de décharge dépasse la plage nominale, cela provoquera des dommages irréversibles à la batterie au lithium. Par conséquent, il est nécessaire d’ajouter un circuit de protection pour maintenir la tension et le courant de la cellule interne dans un état normal lorsque la batterie au lithium fonctionne. Pour le BMS des batteries, les fonctions suivantes sont requises :

• Protection contre les surtensions de charge : la surcharge est l'une des principales raisons de l'emballement thermique. Après une surcharge, le matériau de la cathode s'effondrera en raison d'une libération excessive d'ions lithium, et l'électrode négative provoquera également une précipitation du lithium, ce qui entraînera une diminution de la stabilité thermique et une augmentation des réactions secondaires, qui présentent un risque potentiel d'emballement thermique. Par conséquent, il est particulièrement important de couper le courant à temps après que la charge ait atteint la tension limite supérieure de la cellule. Cela nécessite que le BMS ait la fonction de protection contre les surtensions de charge, de sorte que la tension de la cellule soit toujours maintenue dans la limite de fonctionnement. Il serait préférable que la tension de protection ne soit pas une valeur de plage et varie considérablement, car cela peut empêcher la batterie de couper le courant à temps lorsqu'elle est complètement chargée, ce qui entraînerait une surcharge. La tension de protection du BMS est généralement conçue pour être identique ou légèrement inférieure à la tension supérieure de la cellule.
• Protection contre les surintensités de charge : Charger une batterie avec un courant supérieur à la limite de charge ou de décharge peut provoquer une accumulation de chaleur. Lorsque la chaleur s’accumule suffisamment pour faire fondre le diaphragme, cela peut provoquer un court-circuit interne. Par conséquent, une protection contre les surintensités de charge en temps opportun est également essentielle. Nous devons faire attention au fait que la protection contre les surintensités ne peut pas être supérieure à la tolérance de courant de cellule dans la conception.
• Protection contre les décharges sous tension : une tension trop élevée ou trop faible endommagera les performances de la batterie. Une décharge continue sous tension provoquera la précipitation du cuivre et l'effondrement de l'électrode négative, donc généralement la batterie aura une fonction de protection contre la décharge sous tension.
• Protection contre les surintensités de décharge : la plupart des cartes PCB se chargent et se déchargent via la même interface, dans ce cas, le courant de protection de charge et de décharge est cohérent. Mais certaines batteries, en particulier les batteries pour outils électriques, à charge rapide et d'autres types de batteries, doivent utiliser une décharge ou une charge de courant important, le courant est incohérent à ce moment-là, il est donc préférable de charger et de décharger dans un contrôle à deux boucles.
• Protection contre les courts-circuits : Les courts-circuits de la batterie sont également l’un des défauts les plus courants. Certaines collisions, mauvaises utilisations, compressions, aiguilletages, infiltrations d'eau, etc. sont faciles à provoquer un court-circuit. Un court-circuit générera immédiatement un courant de décharge important, entraînant une forte augmentation de la température de la batterie. Dans le même temps, une série de réactions électrochimiques ont généralement lieu dans la cellule après un court-circuit externe, ce qui conduit à une série de réactions exothermiques. La protection contre les courts-circuits est également une sorte de protection contre les surintensités. Mais le courant de court-circuit sera infini, ainsi que la chaleur et les dommages, donc la protection doit être très sensible et peut être déclenchée automatiquement. Les mesures courantes de protection contre les courts-circuits incluent les contacteurs, les fusibles, le mos, etc.
• Protection contre la surchauffe : La batterie est sensible à la température ambiante. Une température trop élevée ou trop basse affectera ses performances. Il est donc important de maintenir la batterie en fonctionnement dans les limites de température. Le BMS doit avoir une fonction de protection contre la température pour arrêter la batterie lorsque la température est trop élevée ou trop basse. Elle peut même être subdivisée en protection contre la température de charge et protection contre la température de décharge, etc.
• Fonction d'équilibrage : pour les batteries d'ordinateurs portables et autres batteries multi-séries, il existe une incohérence entre les cellules en raison des différences dans le processus de production. Par exemple, la résistance interne de certaines cellules est plus grande que d’autres. Cette incohérence va progressivement s’aggraver sous l’influence de l’environnement extérieur. Il est donc nécessaire de disposer d’une fonction de gestion d’équilibre pour mettre en œuvre l’équilibre de la cellule. Il existe généralement deux types d’équilibre :

1. Équilibrage passif : utilisez du matériel, tel qu'un comparateur de tension, puis utilisez la dissipation thermique par résistance pour libérer la puissance excédentaire de la batterie haute capacité. Mais la consommation d'énergie est importante, la vitesse d'égalisation est lente et le rendement est faible.

2. Équilibrage actif : utilisez des condensateurs pour stocker l’énergie des cellules avec une tension plus élevée et la restituer à la cellule avec une tension plus basse. Cependant, lorsque la différence de pression entre des cellules adjacentes est faible, le temps d'égalisation est long et le seuil de tension d'égalisation peut être réglé de manière plus flexible.

Validation standard

Enfin, si vous souhaitez que vos batteries entrent avec succès sur le marché international ou national, elles doivent également répondre aux normes connexes pour garantir la sécurité des batteries lithium-ion. Des cellules aux batteries et aux produits hôtes doivent répondre aux normes de test correspondantes. Cet article se concentrera sur les exigences nationales en matière de protection des batteries pour les produits informatiques électroniques.

GB 31241-2022

Cette norme concerne les batteries des appareils électroniques portables. Il prend principalement en compte les paramètres de fonctionnement sûrs du terme 5.2, les exigences de sécurité 10.1 à 10.5 pour le PCM, les exigences de sécurité 11.1 à 11.5 sur le circuit de protection du système (lorsque la batterie elle-même est sans protection), les exigences de cohérence 12.1 et 12.2 et l'annexe A (pour les documents). .

u Le terme 5.2 exige que les paramètres des cellules et de la batterie correspondent, ce qui peut être compris comme les paramètres de fonctionnement de la batterie ne doivent pas dépasser la plage des cellules. Cependant, les paramètres de protection de la batterie doivent-ils être garantis que les paramètres de fonctionnement de la batterie ne dépassent pas la plage des cellules ? Il existe différentes interprétations, mais du point de vue de la sécurité de la conception des batteries, la réponse est oui. Par exemple, le courant de charge maximum d'une cellule (ou d'un bloc de cellules) est de 3 000 mA, le courant de fonctionnement maximum de la batterie ne doit pas dépasser 3 000 mA et le courant de protection de la batterie doit également garantir que le courant dans le processus de charge ne doit pas dépasser 3000mA. Ce n’est qu’ainsi que nous pourrons protéger et éviter efficacement les dangers. Pour la conception des paramètres de protection, veuillez vous référer à l'annexe A. Elle prend en compte la conception des paramètres cellule-batterie-hôte en cours d'utilisation, qui est relativement complète.

u Pour les batteries dotées d'un circuit de protection, un test de sécurité du circuit de protection de la batterie de 10,1 à 10,5 est requis. Ce chapitre étudie principalement la protection contre les surtensions de charge, la protection contre les surintensités de charge, la protection contre les sous-tensions de décharge, la protection contre les surintensités de décharge et la protection contre les courts-circuits. Ceux-ci sont mentionnés dans ce qui précèdeConception de sécurité fonctionnelleet les exigences de base. GB 31241 nécessite une vérification 500 fois.

u Si la batterie sans circuit de protection est protégée par son chargeur ou son dispositif terminal, le test de sécurité du circuit de protection du système 11.1 ~ 11.5 doit être effectué avec le dispositif de protection externe. Le contrôle de la tension, du courant et de la température de la charge et de la décharge est principalement étudié. Il convient de noter que, par rapport aux batteries dotées de circuits de protection, les batteries sans circuits de protection ne peuvent compter que sur la protection des équipements en cours d'utilisation. Le risque est plus élevé, c'est pourquoi les conditions de fonctionnement normal et les conditions de défaut unique seront testées séparément. Cela oblige l'appareil final à bénéficier d'une double protection ; sinon, il ne peut pas réussir le test du chapitre 11.

u Enfin, s'il y a plusieurs cellules en série dans une batterie, vous devez prendre en compte le phénomène de charge déséquilibrée. Un test de conformité au chapitre 12 est requis. Les fonctions d'équilibre et de protection contre la pression différentielle des PCB sont principalement étudiées ici. Cette fonction n'est pas requise pour les batteries monocellulaires.

GB 4943.1-2022

Cette norme concerne les produits audiovisuels. Avec l'utilisation croissante de produits électroniques alimentés par batterie, la nouvelle version du GB 4943.1-2022 donne des exigences spécifiques pour les batteries dans l'annexe M, évaluant les équipements équipés de batteries et leurs circuits de protection. Sur la base de l'évaluation du circuit de protection des batteries, des exigences de sécurité supplémentaires pour les équipements contenant des batteries secondaires au lithium ont également été ajoutées.

u Le circuit de protection de la batterie secondaire au lithium étudie principalement la surcharge, la décharge excessive, la charge inversée, la protection de sécurité de charge (température), la protection contre les courts-circuits, etc. Il convient de noter que ces tests nécessitent tous un seul défaut dans le circuit de protection. Cette exigence n'est pas mentionnée dans la norme sur la batterie GB 31241. Ainsi, dans la conception de la fonction de protection de la batterie, nous devons combiner les exigences standard de la batterie et de l'hôte. Si la batterie n'a qu'une seule protection et aucun composant redondant, ou si la batterie n'a pas de circuit de protection et que le circuit de protection est fourni uniquement par l'hôte, l'hôte doit être inclus pour cette partie du test.

Conclusion

En conclusion, pour concevoir une batterie sûre, outre le choix du matériau lui-même, la conception structurelle ultérieure et la conception de la sécurité fonctionnelle sont tout aussi importantes. Bien que différentes normes aient des exigences différentes pour les produits, si la sécurité de la conception des batteries peut être pleinement prise en compte pour répondre aux exigences des différents marchés, le délai de livraison peut être considérablement réduit et la mise sur le marché du produit peut être accélérée. En plus de combiner les lois, réglementations et normes de différents pays et régions, il est également nécessaire de concevoir des produits basés sur l'utilisation réelle des batteries dans les produits terminaux.