Hiện nay, hầu hết các tai nạn an toàn của pin lithium-ion đều xảy ra do mạch bảo vệ bị hỏng, khiến pin mất nhiệt và dẫn đến cháy nổ. Do đó, để thực hiện việc sử dụng pin lithium một cách an toàn, việc thiết kế mạch bảo vệ là đặc biệt quan trọng và cần tính đến tất cả các yếu tố gây ra hỏng hóc cho pin lithium. Ngoài quá trình sản xuất, các hư hỏng về cơ bản còn do thay đổi các điều kiện khắc nghiệt bên ngoài, chẳng hạn như sạc quá mức, xả quá mức và nhiệt độ cao. Nếu các thông số này được theo dõi trong thời gian thực và các biện pháp bảo vệ tương ứng sẽ được thực hiện khi chúng thay đổi thì có thể tránh được sự cố thoát nhiệt. Thiết kế an toàn của pin lithium bao gồm một số khía cạnh: lựa chọn tế bào, thiết kế cấu trúc và thiết kế an toàn chức năng của BMS.

Lựa chọn ô

Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sự an toàn của pin trong đó việc lựa chọn vật liệu pin là nền tảng. Do tính chất hóa học khác nhau, độ an toàn khác nhau ở các vật liệu cực âm khác nhau của pin lithium. Ví dụ, lithium iron phosphate có hình dạng olivin, tương đối ổn định và không dễ bị sụp đổ. Tuy nhiên, lithium cobaltate và lithium ternary là cấu trúc phân lớp dễ bị sụp đổ. Việc lựa chọn thiết bị phân tách cũng rất quan trọng vì hiệu suất của nó liên quan trực tiếp đến sự an toàn của tế bào. Do đó, khi lựa chọn tế bào, không chỉ các báo cáo phát hiện mà cả quy trình sản xuất của nhà sản xuất, vật liệu và các thông số của chúng cũng phải được xem xét.

Thiết kế kết cấu

Thiết kế cấu trúc của pin chủ yếu xem xét các yêu cầu về cách nhiệt và tản nhiệt.

• Yêu cầu cách điện thường liên quan đến các khía cạnh sau: Cách điện giữa điện cực dương và điện cực âm; Cách nhiệt giữa tế bào và vỏ bọc; Cách nhiệt giữa các tab cực và vỏ; Khoảng cách điện và khoảng cách đường dây PCB, thiết kế hệ thống dây điện bên trong, thiết kế nối đất, v.v.
• Tản nhiệt chủ yếu dành cho một số loại pin lưu trữ năng lượng lớn hoặc pin kéo. Do năng lượng cao của các loại pin này nên nhiệt sinh ra khi sạc và xả là rất lớn. Nếu nhiệt lượng không được tiêu tán kịp thời, nhiệt sẽ tích tụ và gây ra tai nạn. Do đó, việc lựa chọn và thiết kế vật liệu vỏ bọc (cần có độ bền cơ học nhất định, yêu cầu chống bụi và chống thấm nước), việc lựa chọn hệ thống làm mát và hệ thống cách nhiệt, tản nhiệt và chữa cháy bên trong khác đều phải được tính đến.

Để lựa chọn và ứng dụng hệ thống làm mát pin, vui lòng tham khảo ấn bản trước.

Thiết kế an toàn chức năng

Các tính chất vật lý và hóa học xác định rằng vật liệu không thể giới hạn điện áp sạc và xả. Khi điện áp sạc và xả vượt quá phạm vi định mức, nó sẽ gây ra hư hỏng không thể phục hồi cho pin lithium. Vì vậy, cần bổ sung thêm mạch bảo vệ để duy trì điện áp và dòng điện của tế bào bên trong ở trạng thái bình thường khi pin lithium hoạt động. Đối với BMS của pin, cần có các chức năng sau:

• Bảo vệ quá áp khi sạc: sạc quá mức là một trong những nguyên nhân chính dẫn đến hiện tượng thoát nhiệt. Sau khi sạc quá mức, vật liệu catốt sẽ sụp đổ do giải phóng ion lithium quá mức và điện cực âm cũng sẽ xảy ra hiện tượng kết tủa lithium, dẫn đến giảm độ ổn định nhiệt và tăng phản ứng phụ, có nguy cơ thoát nhiệt. Do đó, điều đặc biệt quan trọng là phải cắt dòng điện kịp thời sau khi quá trình sạc đạt đến điện áp giới hạn trên của tế bào. Điều này đòi hỏi BMS phải có chức năng bảo vệ quá áp khi sạc, để điện áp của cell luôn được giữ trong giới hạn làm việc. Sẽ tốt hơn nếu điện áp bảo vệ không phải là một giá trị phạm vi và thay đổi rộng rãi, vì nó có thể khiến pin không cắt dòng điện kịp thời khi được sạc đầy, dẫn đến sạc quá mức. Điện áp bảo vệ của BMS thường được thiết kế bằng hoặc thấp hơn một chút so với điện áp trên của tế bào.
• Bảo vệ quá dòng sạc: Sạc pin với dòng điện lớn hơn giới hạn sạc hoặc xả có thể gây tích tụ nhiệt. Khi nhiệt tích tụ đủ để làm nóng chảy màng ngăn, nó có thể gây đoản mạch bên trong. Vì vậy việc sạc kịp thời để bảo vệ quá dòng cũng rất cần thiết. Chúng ta nên chú ý rằng khả năng bảo vệ quá dòng không được cao hơn dung sai dòng điện của tế bào trong thiết kế.
• Xả dưới bảo vệ điện áp: Điện áp quá lớn hoặc quá nhỏ sẽ làm hỏng hiệu suất của pin. Việc phóng điện liên tục dưới điện áp sẽ làm cho đồng kết tủa và điện cực âm bị sập, do đó, nhìn chung pin sẽ có chức năng bảo vệ điện áp phóng điện.
• Bảo vệ quá dòng xả: Hầu hết quá trình sạc và xả PCB thông qua cùng một giao diện, trong trường hợp này dòng bảo vệ sạc và xả là nhất quán. Nhưng một số loại pin, đặc biệt là pin dùng cho dụng cụ điện, sạc nhanh và các loại pin khác cần sử dụng dòng điện xả hoặc sạc lớn, dòng điện lúc này không ổn định nên tốt nhất nên sạc và xả theo điều khiển hai vòng.
• Bảo vệ ngắn mạch: Đoản mạch pin cũng là một trong những lỗi thường gặp nhất. Một số va chạm, sử dụng sai, bóp, kim, thấm nước, v.v., rất dễ gây ra đoản mạch. Đoản mạch sẽ ngay lập tức tạo ra dòng điện phóng lớn, khiến nhiệt độ của pin tăng mạnh. Đồng thời, một loạt các phản ứng điện hóa thường diễn ra trong tế bào sau khi bị đoản mạch bên ngoài, dẫn đến một loạt phản ứng tỏa nhiệt. Bảo vệ ngắn mạch cũng là một loại bảo vệ quá dòng. Nhưng dòng điện ngắn mạch sẽ là vô hạn, nhiệt lượng và tác hại cũng là vô hạn nên khả năng bảo vệ phải rất nhạy và có thể tự động kích hoạt. Các biện pháp bảo vệ ngắn mạch phổ biến bao gồm công tắc tơ, cầu chì, mos, v.v.
• Bảo vệ quá nhiệt: Pin nhạy cảm với nhiệt độ môi trường. Nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất của nó. Vì vậy, điều quan trọng là phải giữ cho pin hoạt động ở nhiệt độ giới hạn. BMS phải có chức năng bảo vệ nhiệt độ để dừng pin khi nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp. Nó thậm chí có thể được chia thành bảo vệ nhiệt độ sạc và bảo vệ nhiệt độ xả, v.v.
• Chức năng cân bằng: Đối với máy tính xách tay và các loại pin nhiều dòng khác, có sự không nhất quán giữa các ô do sự khác biệt trong quy trình sản xuất. Ví dụ, điện trở trong của một số tế bào lớn hơn các tế bào khác. Sự mâu thuẫn này sẽ dần trở nên trầm trọng hơn dưới tác động của môi trường bên ngoài. Vì vậy, cần phải có chức năng quản lý cân bằng để thực hiện sự cân bằng của tế bào. Nhìn chung có hai loại cân bằng:

1. Cân bằng thụ động: Sử dụng phần cứng, chẳng hạn như bộ so sánh điện áp, sau đó sử dụng tản nhiệt điện trở để giải phóng năng lượng dư thừa của pin dung lượng cao. Nhưng mức tiêu thụ năng lượng lớn, tốc độ cân bằng chậm và hiệu quả thấp.

2.Cân bằng chủ động: sử dụng tụ điện để lưu trữ năng lượng của các tế bào có điện áp cao hơn và giải phóng năng lượng cho các tế bào có điện áp thấp hơn. Tuy nhiên, khi chênh lệch áp suất giữa các ô lân cận nhỏ thì thời gian cân bằng dài và ngưỡng điện áp cân bằng có thể được đặt linh hoạt hơn.

Xác nhận tiêu chuẩn

Cuối cùng, nếu bạn muốn pin của mình thâm nhập thành công vào thị trường quốc tế hoặc nội địa, chúng cũng cần phải đáp ứng các tiêu chuẩn liên quan để đảm bảo an toàn cho pin lithium-ion. Từ tế bào đến pin và sản phẩm chủ đều phải đáp ứng các tiêu chuẩn kiểm tra tương ứng. Bài viết này sẽ tập trung vào các yêu cầu bảo vệ pin trong nước đối với các sản phẩm CNTT điện tử.

GB 31241-2022

Tiêu chuẩn này áp dụng cho pin của thiết bị điện tử cầm tay. Nó chủ yếu xem xét các thông số làm việc an toàn theo thuật ngữ 5.2, yêu cầu an toàn 10.1 đến 10.5 đối với PCM, yêu cầu an toàn 11.1 đến 11.5 đối với mạch bảo vệ hệ thống (khi bản thân pin không có lớp bảo vệ), yêu cầu 12.1 và 12.2 về tính nhất quán và Phụ lục A (đối với tài liệu) .

u Điều khoản 5.2 yêu cầu các thông số của cell và pin phải phù hợp, có thể hiểu là các thông số làm việc của pin không được vượt quá phạm vi của cell. Tuy nhiên, có cần đảm bảo các thông số bảo vệ pin để các thông số làm việc của pin không vượt quá phạm vi của cell? Có nhiều cách hiểu khác nhau, nhưng xét từ góc độ an toàn trong thiết kế pin thì câu trả lời là có. Ví dụ: dòng sạc tối đa của một cell (hoặc khối cell) là 3000mA, dòng điện làm việc tối đa của pin không được vượt quá 3000mA và dòng bảo vệ của pin cũng phải đảm bảo dòng điện trong quá trình sạc không được vượt quá 3000mA. Chỉ bằng cách này chúng ta mới có thể bảo vệ và tránh được các mối nguy hiểm một cách hiệu quả. Để thiết kế các tham số bảo vệ, vui lòng tham khảo Phụ lục A. Nó xem xét thiết kế tham số của cell – pin – máy chủ đang sử dụng, tương đối toàn diện.

u Đối với pin có mạch bảo vệ, cần phải kiểm tra độ an toàn của mạch bảo vệ pin ở mức 10,1 ~ 10,5. Chương này chủ yếu nghiên cứu về bảo vệ sạc quá điện áp, bảo vệ sạc quá dòng, xả dưới mức bảo vệ điện áp, xả bảo vệ quá dòng và bảo vệ ngắn mạch. Những điều này đã được đề cập ở trênThiết kế an toàn chức năngvà những yêu cầu cơ bản. GB 31241 yêu cầu kiểm tra 500 lần.

u Nếu pin không có mạch bảo vệ được bảo vệ bằng bộ sạc hoặc thiết bị đầu cuối thì việc kiểm tra an toàn của mạch bảo vệ hệ thống 11.1~11.5 phải được tiến hành với thiết bị bảo vệ bên ngoài. Điều khiển điện áp, dòng điện và nhiệt độ của quá trình nạp và phóng điện chủ yếu được nghiên cứu. Điều đáng chú ý là, so với pin có mạch bảo vệ, pin không có mạch bảo vệ chỉ có thể dựa vào khả năng bảo vệ thiết bị trong sử dụng thực tế. Rủi ro cao hơn nên hoạt động bình thường và điều kiện lỗi đơn sẽ được kiểm tra riêng. Điều này buộc thiết bị cuối phải có biện pháp bảo vệ kép; nếu không thì nó không thể vượt qua bài kiểm tra ở Chương 11.

u Cuối cùng, nếu trong một cục pin có nhiều cell, bạn cần quan tâm đến hiện tượng sạc không cân bằng. Một bài kiểm tra sự phù hợp của chương 12 là bắt buộc. Chức năng bảo vệ cân bằng và chênh lệch áp suất của PCB chủ yếu được nghiên cứu ở đây. Chức năng này không bắt buộc đối với pin một cell.

GB 4943.1-2022

Tiêu chuẩn này dành cho các sản phẩm AV. Với việc sử dụng ngày càng nhiều các sản phẩm điện tử chạy bằng pin, phiên bản mới GB 4943.1-2022 đưa ra các yêu cầu cụ thể đối với pin trong Phụ lục M, đánh giá thiết bị có pin và mạch bảo vệ của chúng. Dựa trên đánh giá về mạch bảo vệ pin, các yêu cầu an toàn bổ sung đối với thiết bị chứa pin lithium thứ cấp cũng đã được bổ sung.

u Mạch bảo vệ pin lithium thứ cấp chủ yếu kiểm tra tình trạng sạc quá mức, xả quá mức, sạc ngược, bảo vệ an toàn khi sạc (nhiệt độ), bảo vệ ngắn mạch, v.v. Cần lưu ý rằng tất cả các thử nghiệm này đều yêu cầu một lỗi duy nhất trong mạch bảo vệ. Yêu cầu này không được đề cập trong tiêu chuẩn pin GB 31241. Vì vậy trong việc thiết kế chức năng bảo vệ pin, chúng ta cần kết hợp các yêu cầu tiêu chuẩn của pin và máy chủ. Nếu pin chỉ có một bộ phận bảo vệ và không có thành phần dự phòng hoặc pin không có mạch bảo vệ và mạch bảo vệ chỉ được cung cấp bởi máy chủ thì máy chủ phải được đưa vào phần thử nghiệm này.

Phần kết luận

Tóm lại, để thiết kế một loại pin an toàn, ngoài việc lựa chọn vật liệu, thiết kế cấu trúc tiếp theo và thiết kế an toàn chức năng cũng quan trọng không kém. Mặc dù các tiêu chuẩn khác nhau có các yêu cầu khác nhau đối với sản phẩm, nhưng nếu có thể coi độ an toàn của thiết kế pin là đáp ứng đầy đủ yêu cầu của các thị trường khác nhau thì thời gian sản xuất có thể giảm đáng kể và sản phẩm có thể được đẩy nhanh ra thị trường. Ngoài việc kết hợp luật pháp, quy định và tiêu chuẩn của các quốc gia và khu vực khác nhau, cũng cần thiết kế sản phẩm dựa trên thực tế sử dụng pin trong các sản phẩm đầu cuối.