Sicherheitsüberlegungen beim Design von Lithium-Ionen-Batterien

Die Verwendung der falschen Batterie unter den falschen Bedingungen kann zu Problemen und Explosionen führen. Durch sorgfältiges Design können Unfälle wie Batteriebruch und Explosion vermieden und das Risiko schädlicher elektrochemischer Reaktionen und Fehler verringert werden.

Lithium-Ionen-Batterien bieten gegenüber anderen wiederaufladbaren Batterien viele Vorteile, darunter hohe Energiedichte, geringes Gewicht, lange Lebensdauer, gute Eigenschaften bei der Aufrechterhaltung der Kapazität, großer Umgebungstemperaturbereich und Strombeständigkeit usw. Lithium-Ionen-Batterien sind anpassungsfähiger an die Umwelt als andere chemische Batterien, aber aufgrund ihrer großen Kapazität müssen sie sicherer ausgelegt sein.

Sicherheitsdesign kann viele Unfälle vermeiden

Verwenden Sie die Situation

Ein wichtiger Schritt bei der Auswahl eines lithium-ionen-akkus besteht darin, ein "wahres Bild" des Geräts zu vermitteln. Beispielsweise können die Temperaturgrenzen verschiedener Geräte dazu führen, dass sich dieselbe Batterie unterschiedlich verhält. Das Batterieverbrauchsprofil enthält die folgenden Parameter wie Betriebsspannungsbereich, Stromverhältnis, Umgebung und Betriebstemperatur, periodisches Verhalten, Lade- und Betriebszeit, Frequenz und Anzahl der Lade- und Entladezyklen. Die Spezifikationen der Batteriehersteller enthalten solche Details während des Entwurfs- und Entwicklungsprozesses nicht. Nur wenn alle Parameter bekannt sind, kann der Akku nahtlos in ein tragbares Gerät integriert werden.

Das beste Batteriedesign sollte eine redundante Schutzschaltung enthalten, damit die Hilfsschaltung auch dann funktionieren kann, wenn die Hauptschaltung ausfällt. Auf diese Weise fällt die Batterie nur in einem Fall aus, dh alle Stromkreise fallen gleichzeitig aus.

Komponenten eines Akkus

Neben mehreren Schutzschaltungen und Wärmesensoren verfügt der Smart Battery Pack auch über fortschrittliche intelligente Funktionen. Der Akku enthält normalerweise eine Kommunikationskomponente, die die Anzahl der Lade- und Entladevorgänge misst, sowie einen Kraftstoffzähler, um den Rest jedes Zyklus zu verfolgen und über die Sicherheit des Akkus zu berichten.

Spannungsbasierte Kraftstoffzähler stützen sich stark auf regelmäßige Spannungsmessungen, um die Batteriekapazität zu verstehen. Dieser Ansatz hat seine Grenzen, da er nur die relative Kapazität abschätzen und Informationen zum Überschwingen liefern kann. Die lineare Methode berechnet die Batteriekapazität durch Messen des gesamten Eingangsstroms. Dieses Verfahren erfordert die Zusammenarbeit des Mikroprozessors, um den Spannungsabfall durch den Induktionswiderstand zu überwachen, der zwischen dem Minuspol der Batterie und der Erde angeschlossen ist, um die Lade- und Entladeaktivitäten der Batterie zu bestimmen. Die Zweidraht- oder Coulomb-Messung kann verwendet werden, um die absolute Kapazität der Batterie zu bewerten. Die gebräuchlichsten Protokolle im Zweidrahtansatz sind I2C und SMBus.

Sobald der Akku zusammengebaut ist, schließen die meisten Kraftstoffzähler eine "Lernschleife" ab, damit sich die Batterie merken kann, welche Teile leer und welche voll sind, und richten Sie dann den Kraftstoffzähler richtig ein. Die fortschrittlichsten Kraftstoffanzeigen, die auch ohne Lernzeit eine Genauigkeit von 99 Prozent erreichen können, werden jedoch häufig in kritischen Anwendungen eingesetzt.

Intelligente Batteriesysteme sind eine wichtige Wahl für viele fortschrittliche Handheld-Geräte. Dank ihrer erweiterten Funktionen können Endbenutzer Geräte intelligent verwalten und Ausfälle oder Herunterfahren vermeiden.

Abbildung 2 Ladezustand vom Mikroprozessor gesteuert

Schutzmessung

Sicherheitsmessungen in einer Lithiumbatterie hängen von einem thermischen Abschaltisolator ab, der Anoden- und Kathodenmaterial trennt und ein Material verwendet, um sicherzustellen, dass der Innenwiderstand zunimmt, wenn die Batterietemperatur den Abschaltpunkt überschreitet.

Darüber hinaus ist der Batteriezertifizierungsprozess sehr nützlich. Wenn eine Batterie mit einem winzigen Controller mit dem im Hauptgerät eingebetteten Prozessor kommuniziert, startet der Akku den Authentifizierungsprozess. Diese Zertifizierung schützt nicht nur vor Fehlfunktionen, die durch unsachgemäße Verwendung von Akkus verursacht werden, sondern verhindert auch die Verwendung von Reverse-System-Programmen zum Diebstahl von Batteriepatenten.

Die in Batterien verwendeten Materialien werden ebenfalls überwacht, da die Schwermetalle im Batteriepack begrenzt werden müssen. Die europäische RoHS-Richtlinie gilt derzeit nicht für Batterien, und einige Geräte werden derzeit über die europäische Batterierichtlinie 91/157 / EWG verwaltet, die die Verpflichtung zum Recycling von Batterien enthält.

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