Kurze Beschreibung des Primär- und Sekundärschutzes der Lithiumbatterie

Seit der Geburt von Lithium-Ionen-Batterien wurden Sicherheitsprobleme begleitet. Mit der Popularität tragbarer elektronischer Geräte wie Mobiltelefone und Tablet-Computer werden die Anforderungen an die akkukapazität immer höher, und gleichzeitig wird die Größe der akkus immer kleiner. Die Energiedichte des Batteriekerns muss hoch sein, und die Gefahr ist auch größer. Daher ist der Schutz von Lithium-Ionen-Batterien unverzichtbar. Verschiedene Hersteller haben unterschiedliche Schutzschemata für verschiedene Arten von Lithium-Ionen-Batterien vorgeschlagen.

Batterietyp und sein Schutz

Lithium-Ionen-Batterien sind in verschiedenen Kategorien erhältlich. Sie können entsprechend ihrer Form in zylindrische und quadratische Formen unterteilt werden. Sie können je nach Zustand des Elektrolyten in Lithium-Ionen- und lithium-polymer-batterien unterteilt werden. Gegenwärtig sind die meisten Zellen, die in der mobilen Stromversorgung verwendet werden, zylindrische 18650-Zellen (18 mm Durchmesser und 65 mm Länge) und quadratische Lithiumpolymerzellen. Die Sicherheit wird unten anhand der Batteriestruktur analysiert.

1. zylindrische lithium-ionen-batterie (18650)

Der Batteriekern verfügt über ein PPTC (Recoverable Safety Device) für Übertemperatur- und Überstromschutz. Wenn die Batteriekerntemperatur zu hoch oder der Strom zu groß ist, wird der PPTC zu einem hochohmigen Zustand, wodurch der Lade- und Entladestrom des Batteriekerns blockiert und das Feuer und die Explosion der Batterie vermieden werden.

2. Quadratische Lithiumbatterie

Das Design von MHP-TA und PPTC in der Nähe des Batteriekerns ermöglicht es MHP-TA und PPTC, die Batterietemperatur besser zu erfassen. Wenn die Batterietemperatur abnormal ansteigt, kann sie einen hohen Widerstand aufweisen, den Lade- und Entladestrom der Batterie behindern und die sichere Verwendung der Batterie gewährleisten. .

Die Schutzschaltung kann in zwei Teile unterteilt werden: Aktivkomponentenschutz (Schutz-IC und Mosfet), auch als Primärschutz bezeichnet, Passivkomponentenschutz (MHP, PTC, Sicherung), auch Sekundärschutz genannt. Die primäre Schutzschaltung dient hauptsächlich der Überladung, Überentladung, Überlastung und dem Kurzschluss der Batterie. Der IC erkennt die Batteriespannung und den Lade- und Entladestrom, um das Ein- und Ausschalten des Mosfet zu steuern und sicherzustellen, dass die Lithiumbatterie in einem sicheren Zustand arbeitet.

Verschiedene Batterieschutzoptionen

1. (SafetyIC + Mosfet) + Sicherung

Bei dieser Art der Freigabe gibt es drei Arten von Sicherungen: Thermosicherungen, gemeinsame Stromsicherungen und Sicherungen mit langsamen Unterbrechungen.

Die Thermosicherung kann den Batteriekern besser vor Feuer und Explosion durch Hitze schützen, und die Kosten sind gering. Aufgrund der aktuellen Größe, Umgebungstemperatur, Platinentemperatur und Zelltemperatur kann die thermische Sicherung jedoch leicht zu Fehlfunktionen führen, und ihre nicht wiederherstellbaren Eigenschaften führen dazu, dass die Anwendung einer solchen Freisetzung bestimmte Einschränkungen aufweist.

Gewöhnliche Stromsicherungen sind kostengünstig und zum Überladen von Batterien nicht wirksam, da sie die Temperatur der Batteriezellen nicht erfassen können. Der Kurzschluss der Batterie lässt die Sicherung leicht durchbrennen, ist nicht wiederherstellbar und die Batterie ist verschrottet. Daher wird dieses Schutzschema hauptsächlich auf die Low-End-Lithiumbatterie angewendet.

Die langsame Stromsicherung arbeitet länger als die Überstromschutz-Schutzzeit des SafetyIC, was den Schutz des SafetyIC als aktive Komponente auf der ersten Ebene garantiert und die Sicherung nicht als sekundären Schutz auslöst. Die Batterie ist in einem sicheren Zustand. Diese Art von Schema hat eine geringe Auswirkung auf den Überladungsschutz des Batteriekerns, aber unter der Voraussetzung der Sicherheit des Batteriekerns kann ein solches Schema die Anforderungen des LPS erfüllen.

2. (SafetyIC + Mosfet) + PTC / MHP

Mögliche Gründe für die Explosion einer Lithiumbatterie:

A. Die Schutzschaltung ist aufgrund einer falschen Auslegung der Schaltungsparameter oder eines Komponentenfehlers wirksam.

B. Der Lithiumbatteriekern selbst ist nicht qualifiziert, und selbst wenn er normal geladen wird, kann er explodieren.

Aus den oben genannten Gründen schreiben die internationalen Sicherheitsstandards für Lithiumbatterien eindeutig vor, dass Lithiumbatterien bei Ausfall des Primärschutzes sicher geladen und entladen werden können. Um die Sicherheit der Anwendung von Lithiumbatterien auf der Grundlage der Primärschutzschaltung (IC / Mosfet) sicherer zu machen, wird daher ein passiver Komponentenschutz der ersten Ebene hinzugefügt, und die Temperatur des Batteriekerns wird von einem Wiederherstellbaren erfasst Sicherheitsvorrichtung (PTC oder MHP). Wenn die Temperatur abnormal ansteigt, zeigt der PTC oder MHP sofort einen hochohmigen Zustand, der das Laden und Entladen der Batterie behindert und dadurch verhindert, dass sich die Lithiumbatterie entzündet und explodiert. Das Schutzprinzip ist wie folgt. Wie aus der Figur ersichtlich ist, arbeitet der PTC, wenn die Batterietemperatur steigt, der Ladekreis hochohmig ist, der Strom nahe Null ist und die Batterietemperatur schnell abfällt.

3. Doppel (SafetyIC + Mosfet)

Der Schutz mit zwei aktiven Komponenten kann die Zuverlässigkeit der Schutzschaltung gewährleisten, die Ausfallwahrscheinlichkeit der Schutzkomponente verringern und gleichzeitig die Sicherheitsanforderungen erfüllen. Der Schutz des Batterietyps ist jedoch nicht perfekt.

Aus irgendeinem Grund scheinen Lithiumbatterien vor der Explosion einen starken Anstieg der Batterietemperatur zu haben. Wenn es keine passive Komponente PTC / MHP gibt, um die Batterietemperatur zu erfassen, verhindert selbst der doppelte Schutz nicht, dass die Batterie explodiert.

Die doppelte Schutzschaltung verringert die Wahrscheinlichkeit eines Überladens, Kurzschlusses und Rückladens der Lithiumbatteriezelle erheblich. Es gibt jedoch nichts mit dem Batteriekern zu tun, der seine eigenen Probleme hat. Laut Statistik werden etwa 85% der Batterien wegen der Batterie abgefeuert und explodiert. Das Problem des Kerns selbst ist daher der Schutz der Batterie vor der Schutzschaltung begrenzt.

Zusammenfassung

Da die Energiedichte von Lithiumbatteriezellen weiter zunimmt, wird die Sicherheit höher bewertet. Basierend auf der Analyse und dem Vergleich der oben genannten Schutzschemata für Lithiumbatterien kann das Schutzschema (SafetyIC + Mosfet) + PTC / MHP die Verwendung von Lithiumbatterien wirksam verhindern. Im Brand- und Explosionsprozess ist dieses Programm derzeit das am weitesten verbreitete und kostengünstigste.

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