Какие тепловые ограничения и механизмы защиты необходимы для предотвращения теплового разгона в литий-ионных аккумуляторных элементах? Рассмотрим основные меры безопасности.

Литий-ионные аккумуляторные элементы требуют многоуровневой защиты, поскольку одного температурного ограничения недостаточно для предотвращения теплового разгона. В качестве общей проектной цели следует поддерживать внутреннюю температуру элемента ниже 60°C при продолжительной эксплуатации и ниже приблизительно 75°C в кратковременных режимах, чтобы ограничить деградацию и необратимые повреждения. Тепловые отсекатели обычно прерывают работу около отметки 70°C, а одноразовые термопредохранители могут иметь номинал около 104°C; эти пороги необходимо выбирать с учетом конкретной химии, конструкции и области применения элемента, поскольку тепловой разгон может начаться примерно при 130°C, после чего температура элемента может значительно превысить это значение.

Основной принцип защиты заключается в раннем обнаружении аномальных напряжения, тока и температуры с последующим прерыванием подачи энергии до того, как элемент достигнет режима самонагрева. Тепловую защиту необходимо сочетать с электрическими средствами управления, мониторингом на уровне отдельных элементов, механическими мерами безопасности и средствами, ограничивающими распространение аварии между элементами.

Почему тепловые ограничения должны быть многоуровневыми

Температура при продолжительной эксплуатации

Продолжительная эксплуатация или испытания при температуре выше приблизительно 60°C могут значительно ускорить потерю емкости и другие процессы деградации. Элемент может выдержать кратковременное воздействие температуры около 70°C, однако это не следует рассматривать как нормальный рабочий режим.

Поддержание температуры элемента ниже приблизительно 75°C обеспечивает практическую верхнюю границу, позволяющую избежать необратимых повреждений и снизить вероятность того, что электрическая неисправность перерастет в опасное тепловое событие.

Температура теплового отключения

Восстанавливаемый тепловой отсекатель, например термостат или переключатель, управляемый термистором, обычно настраивается на прерывание зарядки или разрядки около 70°C.

Это устройство предназначено для прекращения дальнейшей подачи энергии при перегреве. Его точка срабатывания должна учитывать расположение датчика, тепловую инерцию, погрешность измерения, температуру окружающей среды и ограничения, установленные производителем элемента.

Номинал термопредохранителя

Одноразовый термопредохранитель может иметь номинал около 104°C и использоваться как последний уровень защиты.

Поскольку он навсегда размыкает цепь, его не следует применять в качестве штатного механизма регулирования температуры. Он обеспечивает отказоустойчивое отключение, если электронные системы управления или восстанавливаемая защита не остановили неисправность.

Начало теплового разгона

Тепловой разгон может начаться при температуре всего около 130°C в зависимости от химического состава, степени заряда, конструкции элемента и условий, вызвавших аварийный режим.

Это не безопасный рабочий предел. Это приблизительный порог опасности, при достижении которого экзотермические реакции могут ускоряться быстрее, чем система успевает отводить тепло.

Какие механизмы защиты необходимы

Непрерывный мониторинг напряжения отдельных элементов

Система управления батареей должна контролировать напряжение каждого элемента, а не только общее напряжение батарейного блока.

Мониторинг на уровне отдельных элементов выявляет перезаряд, чрезмерный разряд, разбалансировку и аномальное поведение элементов, которое может быть скрыто при измерении только общего напряжения блока. Перезаряд особенно опасен, поскольку он может усилить газообразование, внутренний нагрев и риск внутреннего короткого замыкания.

Электронная защита от сверхтока

В схемах защиты следует использовать несколько порогов тока, соответствующих обнаруживаемой неисправности.

Более низкий порог может использоваться для длительных перегрузок, а более высокий порог — для быстрой реакции на короткие замыкания или сильные переходные процессы. Система защиты должна прервать ток до того, как резистивный нагрев переведет элемент в опасный тепловой режим.

Прерывание тока с помощью MOSFET или PTC

Силовые MOSFET-переключатели обычно используются для отключения цепей зарядки или нагрузки под управлением системы управления батареей.

Устройства с положительным температурным коэффициентом сопротивления (PTC) могут обеспечить дополнительное пассивное ограничение тока: по мере повышения их температуры сопротивление увеличивается, снижая аварийный ток. Эти устройства ограничивают энергию неисправности, но не заменяют мониторинг напряжения отдельных элементов или правильно спроектированную систему управления батареей.

Восстанавливаемые и невосстанавливаемые тепловые устройства

Надежная конструкция обычно сочетает:

• Датчик температуры или термостат для мониторинга и управляемого отключения.
• Восстанавливаемое устройство защиты от перегрева для временных неисправностей.
• Одноразовый термопредохранитель для окончательного отключения, если температура продолжает повышаться.

Уровни защиты должны быть согласованы электрически и термически таким образом, чтобы электронное отключение срабатывало первым, а постоянный предохранитель оставался резервным средством.

Сепараторы с функцией отключения

В некоторых элементах используется микропористый полиолефиновый сепаратор, который закрывает поры примерно при 125°C.

Это может уменьшить перенос ионов и подавить ток при повышении температуры, связанном с коротким замыканием. Однако отключение сепаратора является внутренней защитой элемента и не заменяет внешнюю защиту от сверхтока, поскольку сепаратор может потерять эффективность при продолжении нагрева или механическом повреждении элемента.

Сброс давления и отвод газов

Элементы и модули должны иметь контролируемые предохранительные клапаны для сброса давления и, где применимо, специальные каналы для отвода газов.

Эти элементы направляют горячие газы и пары электролита от соседних элементов и критически важных компонентов. Сброс давления снижает риск разрыва корпуса, однако выбрасываемые газы могут быть воспламеняемыми, поэтому нельзя допускать их накопления внутри корпуса.

Предотвращение распространения теплового разгона

Тепловая изоляция между элементами

Расстояние между элементами, тепловые барьеры и локальная изоляция могут ограничить передачу тепла от отказавшего элемента к соседним.

Изоляцию необходимо проектировать с учетом ожидаемого выделения тепла, направления выхода газов, геометрии корпуса и системы охлаждения. Барьер, выдерживающий обычные температуры, может оказаться недостаточным при прямом воздействии пламени или высокотемпературных газов.

Огнестойкий корпус

Корпуса модулей и батарейных блоков должны изготавливаться из огнестойких материалов и сохранять конструктивную целостность при отказе элемента.

Корпус также должен предусматривать сброс давления и отвод газов. Герметичный корпус без специально спроектированного пути сброса может превратить выход газов в источник опасного повышения давления.

Конструкция с локализацией неисправности

Защита должна учитывать как событие, вызвавшее неисправность, так и его последствия.

Внутренние короткие замыкания, повреждения при сжатии, проколы гвоздем, перезаряд и внешние короткие замыкания могут вызвать локальный нагрев. Защита на уровне отдельных элементов уменьшает начальную энергию неисправности, а локализация на уровне модуля снижает вероятность того, что отказавший элемент воспламенит или перегреет окружающие элементы.

Стандарты и испытания в аварийных режимах

Критически важные для безопасности батарейные системы требуют проверки на соответствие применимым стандартам, включая авиационные рекомендации, такие как RTCA DO-311A, где это актуально.

Испытания должны включать электрические перегрузки, тепловое воздействие, сжатие, прокол гвоздем, короткое замыкание, перезаряд, выход газов и сценарии распространения аварии. Применимый стандарт зависит от продукта, способа транспортировки, условий установки и нормативной юрисдикции.

Как проверять тепловую защиту

Измеряйте не только температуру поверхности

Датчик на поверхности может не определить наиболее горячую область внутри элемента.

При проверке следует сопоставлять измерения температуры с напряжением элемента, током, внутренним сопротивлением, газообразованием и поведением при самонагреве. Испытательные системы должны записывать эти сигналы с достаточно высокой частотой дискретизации, чтобы выявлять быстрое нарастание параметров.

Характеризуйте самонагрев

Калориметрические методы, такие как калориметрия ускоряющегося разгона, позволяют определить температуру, при которой элемент начинает самонагреваться, а также скорость ускорения этой реакции.

Дифференциальная сканирующая калориметрия помогает охарактеризовать тепловые переходы и экзотермические реакции в материалах элемента. Эти измерения помогают выбрать пороги защиты, но не исключают необходимость полномасштабных испытаний элемента в аварийных режимах.

Проверяйте реальные условия неисправности

Конструкция защиты является неполной, если ее испытывают только в условиях контролируемого перегрева.

Механические повреждения и внутренние короткие замыкания могут вызвать локальный нагрев до того, как на него отреагирует внешний датчик. Испытания на сжатие и прокол гвоздем помогают определить, обеспечивают ли сепаратор элемента, устройства прерывания тока, предохранительный клапан и корпус эффективную защиту при реалистичных сценариях отказа.

Понимание компромиссов

Более низкие пороги повышают безопасность, но уменьшают доступную производительность

Более низкий порог теплового отключения обеспечивает больший запас до достижения условий теплового разгона, но может вызвать ложные отключения при работе с высокой мощностью или высокой температуре окружающей среды.

Порог должен быть достаточно высоким для обеспечения предусмотренного рабочего цикла и одновременно находиться значительно ниже границ деградации и самонагрева элемента.

Термопредохранители надежны, но являются одноразовыми

Термопредохранитель обеспечивает независимый последний барьер, но после его срабатывания батарея требует замены или обслуживания квалифицированным специалистом.

Использовать предохранитель в качестве основного средства управления не рекомендуется, поскольку это позволяет элементу нагреться до существенно более высокой температуры, чем при нормальном электронном отключении.

PTC-устройства ограничивают ток, но не устраняют нагрев

PTC снижает ток по мере нагрева, однако продолжает рассеивать энергию и может срабатывать недостаточно быстро при некоторых неисправностях.

Необходимо оценивать его сопротивление, расположение, условия окружающей среды и характеристики восстановления при фактических условиях короткого замыкания и импульсной нагрузки.

Одной температуры недостаточно

Литий-ионные элементы не обеспечивают надежно линейного температурного сигнала перед отказом, а локальная внутренняя неисправность может не сразу проявиться на датчике.

Поэтому напряжение, ток, температура, степень заряда и разбалансировка элементов должны оцениваться совместно. Электрическая защита часто является наиболее ранним практическим способом остановить событие до того, как тепловое развитие станет самоподдерживающимся.

Химический состав и конструкция изменяют предельные значения

Значения 60°C, 70°C, 75°C, 104°C и 130°C являются полезными инженерными ориентирами, но не универсальными гарантиями.

Применимые пределы зависят от химического состава катода и анода, электролита, сепаратора, степени заряда, формата элемента, расположения датчика, конструкции системы охлаждения и квалификационных данных производителя. Окончательные пороги должны основываться на спецификациях поставщика элементов и результатах подтвержденных испытаний в аварийных режимах.

Как применить это к вашему проекту

Используйте температурные значения в качестве проектных границ, а затем проверьте всю цепочку защиты на фактическом элементе и при реальных условиях неисправности.

• Если основное внимание уделяется нормальной эксплуатации батареи: поддерживайте продолжительную температуру элементов ниже приблизительно 60°C, используйте приблизительно 75°C как жесткую верхнюю рабочую границу и убедитесь, что охлаждение и ограничения тока предотвращают повторяющиеся превышения температуры.
• Если основное внимание уделяется электронной защите: непрерывно контролируйте напряжение и температуру каждого элемента и сочетайте отключение MOSFET под управлением системы управления батареей с многоуровневой защитой от сверхтока.
• Если основное внимание уделяется отказоустойчивому отключению: добавьте восстанавливаемый тепловой отсекатель около подтвержденного предела перегрева и одноразовый термопредохранитель, потенциально рассчитанный примерно на 104°C, в качестве независимого резервного средства.
• Если основное внимание уделяется безопасности модуля или батарейного блока: предусмотрите огнестойкий корпус, контролируемые пути выхода газов или дегазации, тепловую изоляцию между элементами и локализацию, ограничивающую распространение аварии.
• Если основное внимание уделяется квалификации продукта: проводите испытания на перезаряд, короткое замыкание, сжатие, прокол гвоздем, тепловое воздействие, выход газов и распространение аварии, регистрируя напряжение, ток, температуру, давление и поведение при самонагреве.

Безопасная литий-ионная конструкция предотвращает приближение элементов к условиям теплового разгона за счет согласованного электрического отключения, тепловых ограничений, механических средств защиты и проверенной локализации аварии.

Сводная таблица:

Обеспечьте соответствие ваших исследований и разработок в области батарей самым высоким стандартам безопасности. KINTEK предлагает комплексное лабораторное оборудование для изготовления и испытаний элементов, включая высокоточные инструменты для проверки теплового разгона. Свяжитесь с нашими экспертами сегодня, чтобы обсудить ваши требования и повысить эффективность протоколов безопасности батарей. Связаться с нами!