Bateriile permit ca tehnologia să devină mobilă, iar litiu-ion (Li-ion) este chimia aleasă în multe aplicații, inclusiv tablete și telefoane inteligente, unelte electrice fără fir, biciclete și scutere electrice. Caracteristicile sale permit utilizatorilor finali să se bucure de performanța pe care o așteaptă de la tehnologia lor. Cu toate acestea, există un risc cunoscut ca bateria să poată exploda dacă se lasă să se supraîncălzească sau dacă o deteriorare provoacă un scurtcircuit între electrozi în interiorul dispozitivului. În timp ce o proiectare adecvată a bateriei și a carcasei sale poate reduce riscul de incendiu, protecția circuitului electric poate preveni cu succes cauzele încălzirii excesive, cum ar fi supratensiunile, vârfurile de curent și evenimentele ESD. Înțelegerea riscurilor de siguranță primare și secundare, precum și a componentelor de protecție disponibile, ajută proiectanții să asigure siguranța și fiabilitatea aplicațiilor lor.
Puncte forte și amenințări ale bateriilor Li-ion
Printre caracteristicile remarcabile ale bateriilor Li-ion se numără densitatea energetică ridicată, greutatea redusă, încărcarea rapidă, puterea de ieșire ridicată, durata lungă de viață a ciclurilor și descărcarea automată redusă. Acestea asigură performanțe excelente, o durată de funcționare lungă între încărcări, un timp de reacție rapid, greutate redusă, manevrabilitate, precum și un nivel redus pentru întreținere în aplicații precum scule electrice fără fir și aparate de uz casnic, scutere și biciclete electrice.
Pe de altă parte, bateriile Li-ion se pot supraîncălzi și pot elibera gaze inflamabile care se pot aprinde sau chiar exploda în anumite circumstanțe. Principala cauză a supraîncălzirii este fuga termică, care rezultă de obicei dintr-un scurtcircuit atunci când stratul dielectric subțire de separare dintre electrozii pozitivi și negativi este deteriorat sau compromis. Acest lucru se poate întâmpla din cauza unor defecte de fabricație, a unor deteriorări fizice, cum ar fi perforări sau șocuri, a unei suprasolicitări electrice sau a unei supratensiuni la încărcarea bateriei. În plus, supraîncălzirea prin expunere la temperaturi ridicate poate provoca deteriorări interne, ceea ce duce la un derapaj termic. Pentru a menține siguranța bateriei, este esențial să prevenim ca aceste condiții să nu provoace o fugă termică.
Cauzele supraîncălzirii
În cazul în care separatorul devine ineficient, scurtcircuitul provoacă trecerea unui curent mare prin zona deteriorată și apare un “punct fierbinte” localizat în interiorul bateriei. Dacă temperatura atinge un prag critic, de obicei în jur de 150-200°C, bateria intră într-o stare de fugă termică. În acest moment, căldura generată depășește capacitatea bateriei de a o disipa, ceea ce duce la o creștere rapidă a temperaturii. Acest lucru poate provoca descompunerea electrolitului bateriei, eliberând gaze inflamabile. Pe lângă riscul de incendiu, eliberarea de gaze poate provoca o creștere a presiunii interne care poate cauza daune interne suplimentare și crește riscul de fisurare sau de explozie. De obicei, bateriile Li-ion sunt prevăzute cu ventilație de siguranță, care permite evacuarea gazelor și evitarea presiunii excesive. Cu toate acestea, dacă este prezentă o sursă de aprindere, cum ar fi o flacără sau o scânteie în apropiere, gazele inflamabile se pot aprinde.
Alți factori care pot cauza supraîncălzirea potențial periculoasă includ expunerea la temperaturi ridicate prin lăsarea bateriei în lumina directă a soarelui sau prin expunerea acesteia la surse de căldură, precum și utilizarea de baterii de calitate inferioară sau contrafăcute, cu caracteristici de siguranță inadecvate sau cu o construcție inferioară, care pot fi mai predispuse la defecțiuni.
Standarde de siguranță și măsuri aplicabile
Pentru a reduce aceste riscuri, sunt încorporate diverse elemente de siguranță. Acestea includ utilizarea de materiale ignifuge, precum și circuite electronice de protecție și siguranțe termice. Respectarea directivelor de utilizare corespunzătoare este, de asemenea, extrem de importantă.
Standardele și reglementările aplicabile bateriilor Li-ion specifică măsurile de siguranță și de reducere a riscurilor necesare. Printre acestea se numără IEC 62133 în Europa, pentru celule și baterii secundare cu litiu, care acoperă considerațiile generale de siguranță în ceea ce privește proiectarea mecanică, rezistența la șocuri și riscurile electrice; inclusiv cele care pot duce la supraîncălzire sau la o fugă termică. De asemenea, IEC 61000-4-2 pentru protecția ESD și IEC 61000-4-4-4 standard de testare a imunității pentru fenomene electrice tranzitorii rapide (EFT). Pentru SUA, există UL 2054, care acoperă bateriile de uz casnic și comercial și UL 1642, care se aplică în special la celulele Li-ion. Aceste standarde se referă în special la reducerea riscului de rănire din cauza unui incendiu sau a unei explozii.
Figura 1: Amenințări la adresa siguranței bateriilor Li-ion și ierarhizarea protecției. (Sursa: Littelfuse)
De asemenea, subsecțiunea 38.3 din Manualul de teste și criterii al Organizației Națiunilor Unite (UN/DOT 38.3) prezintă cerințele pentru transportul în siguranță al bateriilor Li-ion, inclusiv ambalarea, etichetarea și procedurile de testare.
Siguranța primară și secundară
În general, diverse caracteristici de siguranță și de reducere a riscurilor sunt implementate ca parte a sistemului de gestionare a bateriei (BMS), inclusiv circuite integrate de măsurare a nivelului energiei și MOSFET-uri de control al încărcării/descărcării. Acestea pot fi considerate caracteristici de siguranță primară, care previn apariția unor condiții periculoase. Cu ajutorul unor circuite încorporate, de exemplu, regulatoare de tensiune pentru a se asigura că tensiunea aplicată bateriei rămâne în limite de siguranță, precum și a unor circuite de limitare a curentului și a unor siguranțe, BMS poate preveni o tensiune de încărcare excesivă, scurtcircuitele datorate unor defecte de fabricație, supratemperatura, curentul de descărcare excesiv și descărcarea la un nivel periculos de scăzut.
Circuitele BMS se axează pe prevenirea apariției amenințărilor cunoscute. Cu toate acestea, sunt necesare, totodată, dispozitive de protecție secundară care să intervină pentru a proteja celulele împotriva condițiilor periculoase atunci când acestea apar. Asemenea dispozitive sunt necesare la nivelul celulelor, al pachetului de baterii și al portului de încărcare (figura 1).
La nivelul celulei, protecția împotriva supracurentului și a supraîncărcării poate fi implementată cu ajutorul unui mini întrerupător de circuit pentru baterie, cum ar fi MHP-TAT18 de la Littlefuse, sau a unui dispozitiv PPTC, precum PPTC LSP. Acestea pot fi adăugate ca “siguranță” pentru a proteja circuitele integrate pentru managementul bateriei și indicatoarele de energie. Pentru a proteja interfața de comunicații împotriva supracurenților și a evenimentelor ESD, dispozitivul compact zeptoSMDC PPTC de la Littelfuse poate fi combinat cu o arie de diode TVS.
La nivelul pachetului de baterii, dispozitive precum circuitele de protecție a bateriilor ITV de la Littelfuse sunt utilizate pentru a proteja împotriva supracurenților și supraîncărcării. Aceste dispozitive cu trei terminale care pot fi montate pe suprafață conțin un element de siguranță încorporat care întrerupe circuitul în cazul unei condiții de supracurent. Protectoarele ITV integrează, de asemenea, un element de încălzire direct sub elementul de siguranță pentru a “arde” siguranța în cazul în care circuitul de măsurare a energiei sau dacă un MOSFET de încărcare/descărcare funcționează defectuos.
Protecția porturilor
În condițiile în care conexiunea USB-C este standard pentru multe sisteme de încărcare Li-Ion, protecția porturilor este esențială pentru siguranța generală a dispozitivului. În acest caz, eFuses poate întrerupe curentul la fel de eficient ca o siguranță convențională și se resetează atunci când condiția excepțională a trecut. Acestea oferă protecție împotriva unor amenințări precum supraîncărcarea, scurtcircuitele, supratensiunile de intrare și curentul de pornire excesiv. De asemenea, poate fi implementată o protecție împotriva curentului invers, uneori necesitând un MOSFET extern suplimentar. Protecția cu ajutorul unei siguranțe electronice (eFuses) oferă avantaje de performanță, inclusiv un răspuns rapid în cazul unor condiții de funcționare periculoase, precum și o funcție de diagnosticare în timp real care poate fi utilizată pentru a obține informații despre starea bateriei și a sarcinii.
De asemenea, la protecția porturilor se poate aplica și monitorizarea temperaturii cu ajutorul unor dispozitive precum indicatoarele de temperatură SetP™ de la Littelfuse. Acestea au fost proiectate pentru a proteja sistemele cu o putere nominală de 100 W sau mai mare și îndeplinesc cerințele specifice interfeței USB Type-C. Ele pot fi utilizate cu prize USB-C și încărcătoare cu cabluri captive Type-C. Indicatoarele de temperatură Littelfuse setP pot înlocui o combinație între un switch de limitare a curentului și un dispozitiv PPTC, în timp ce nu au nicio pierdere I2R în sistem.
Figura 2: Dispozitive de protecție secundară în aplicația pentru baterii Li-ion. (Sursa: Littelfuse)
O soluție completă de protecție pentru bateriile Li-ion și circuitele asociate, inclusiv conexiunile externe, cum ar fi un port de încărcare USB Type-C, ar trebui să includă, de asemenea, protecție împotriva supratensiunilor electrice și a descărcărilor electrostatice (ESD). O diodă TVS Array, cum ar fi seria SP1006 de la Littelfuse, valorifică tehnologia de avalanșă pentru protecția împotriva suprasarcinilor de mare intensitate și îndeplinește specificațiile IEC 61000 aplicabile. Protecția ESD respectă IEC 61000-4-2 până la ±30kV contact, ±30kV aer și există protecție împotriva fenomenelor tranzitorii electrice rapide de până la 40A, respectând IEC 61000-4-4-4, precum și protecție împotriva loviturilor de trăsnet respectând IEC 61000-4-5.
Figura 2 prezintă modul în care sunt implementate dispozitivele de protecție pentru a asigura protecția celulelor, a pachetului de baterii și a porturilor.
Concluzie
Bateriile Li-ion reprezintă sursa de alimentare portabilă preferată pentru aplicații populare, cum ar fi uneltele electrice fără fir și e-mobilitatea. Pentru a profita de performanțele lor de lungă durată, trebuie integrate măsuri de siguranță în pachetul de baterii și în orice porturi externe pentru a preveni supraîncălzirea celulelor, care poate duce la un derapaj termic, ceea ce poate provoca incendii sau explozii. Supraîncălzirea poate rezulta din cauza unei tensiuni de încărcare excesive, a unei descărcări excesiv de rapide sau extinse, a unor scurtcircuite sau a unui curent de sarcină excesiv.
Este necesară o combinație de dispozitive de protecție, care să funcționeze la diferite niveluri, de la protecția celulelor individuale la protecția pachetului de baterii și a circuitelor BMS, precum și a porturilor externe. Acestea pot include dispozitive familiare, cum ar fi eFuses, PPTC și diode TVS, precum și dispozitive de protecție a bateriei care combină protecția la supracurent și la supratensiune și indicatori de temperatură care combină rolurile unui limitator de curent și PPTC într-un singur dispozitiv.
Prin respectarea standardelor de siguranță, prin implementarea unor dispozitive de protecție adecvate și prin respectarea recomandărilor privind încărcarea și utilizarea, riscurile asociate bateriilor Li-ion pot fi gestionate eficient, asigurând exploatarea lor în siguranță.
Autor:
Mark Patrick
Mouser Electronics
Authorised Distributor
www.mouser.com
Urmărește-ne pe Twitter
