Защитные механизмы и безопасность литий-ионных аккумуляторов

Аккумуляторные блоки, использующие литий-ионные аккумуляторы, требуют обязательной защитной схемы для обеспечения безопасности при (почти) любых обстоятельствах. Согласно стандарту IEC 62133, безопасность литий-ионных элементов или блоков начинается с включения некоторых или всех следующих мер предосторожности.

BMS для литиевых АКБ

Защищает батареи от перезаряда, глубокого разряда, перегрева и сверхвысокого тока

Victron VE.Bus BMS V2 – система управления литиевыми аккумуляторами LiFePO4 Smart

Умная система управления батареями LiFePO4 Smart от Victron

Купить

SmallBMS – BMS для LiFePO4 Smart аккумуляторов Victron

 Компактная система управления батареями Victron Lithium Smart (LiFePO4), обеспечивающая базовую защиту аккумуляторов от глубокого разряда, чрезмерного заряда и перегрева.

Купить

Smart BMS CL 12/100 – интеллектуальная защита LiFePO4 батарей в 12В системах от Victron Energy

Совмещает ограничение тока от генератора, Bluetooth-мониторинг, аварийные выходы и модульное взаимодействие с другими устройствами Victron – всё в одном устройстве!

Купить

Посмотреть больше

PTC и CID хорошо работают в меньших 2- или 3-элементных батареях с последовательной и параллельной конфигурацией, однако эти предохранительные устройства часто не используются в больших многоэлементных батареях, таких как те, что используются для электроинструментов, поскольку отключение может происходить в каскадном формате. Хотя некоторые элементы могут преждевременно выйти из строя, ток нагрузки вызывает избыточный ток на остальных элементах. Такая перегрузка может привести к тепловому выходу из строя до того, как сработают другие предохранительные устройства.

Внешние защитные схемы

Кроме внутренних защитных механизмов элементов, внешняя электронная схема защиты предотвращает превышение напряжения 4,30 В на любом элементе во время зарядки. Кроме того, предохранитель отключает ток, если температура поверхности любого элемента приближается к 90°C (194°F). Чтобы предотвратить чрезмерный разряд аккумулятора, схема управления отключает путь тока примерно на 2,20 В/элемент.

Каждая ячейка в цепи требует независимого контроля напряжения. Чем больше количество ячеек, тем сложнее становится схема защиты. Четыре ячейки последовательно были практическим пределом для потребительских применений. Сегодня готовые микросхемы также вмещают 5–7, 7–10 и 13 ячеек последовательно. Для специализированных применений, таких как гибридные или электрические транспортные средства, обеспечивающие напряжение в несколько сотен вольт, создаются специальные схемы защиты. Контроль двух или более ячеек, соединенных параллельно, для получения большего тока менее критичен, чем контроль напряжения в конфигурации цепочки.

Ограничения защиты

Защитные схемы могут защитить только от внешних повреждений, таких как короткое замыкание или неисправное зарядное устройство. Однако, если внутри элемента возникает дефект, например, загрязнение микроскопическими металлическими частицами, внешняя защитная схема имеет незначительный эффект и не может остановить реакцию. Для элементов, используемых в электрических силовых агрегатах, разрабатываются усиленные и самовосстанавливающиеся сепараторы, но это делает аккумуляторы большими и дорогими.

Рабочее напряжение и спящий режим

Литий-ионный аккумулятор обычно разряжается до 3,0 В/элемент. Самое низкое разрешенное значение «низкого напряжения» отключения питания составляет 2,5 В/элемент. Не рекомендуется держать аккумулятор на этом уровне, поскольку саморазряд может привести к снижению напряжения отключения элемента, что приведет к переходу аккумулятора в спящий режим. Большинство зарядных устройств игнорируют литий-ионные аккумуляторы, которые перешли в спящий режим, и зарядка больше невозможна. В положении «ВКЛ.» внутренняя схема защиты имеет сопротивление 50–100 мОм, а на блоках питания — меньше. Схема обычно состоит из двух переключателей, соединенных последовательно; один отвечает за высокий уровень отсечки, а другой — за низкий. Большие блоки питания требуют более тщательного проектирования, чем меньшие батареи, а одноэлементные блоки для мобильных телефонов и планшетов имеют ограничения по напряжению и току в дополнение к некоторой внутренней защите элементов.

Рыночные риски и стандарты

Некоторые недорогие потребительские зарядные устройства могут полагаться исключительно на защитную схему аккумулятора для завершения зарядки. Избыточность имеет первостепенное значение для безопасности, и покупатель может не подозревать, что недорогие потребительские зарядные устройства не имеют должным образом функционирующих алгоритмов зарядки. Это может быть автомобильное зарядное устройство для мобильного телефона или электронной сигареты.

Еще одно беспокойство возникает, если статическое электричество разрушило защитную цепь аккумулятора. Замкнутый твердотельный выключатель постоянно находится в положении «ВКЛ.», и пользователь об этом не знает. Аккумулятор с неисправной защитной цепью функционирует нормально, но не обеспечивает защиты. Напряжение на элементе может подняться выше безопасного уровня и перезарядить аккумулятор. Нагрев и вздутие являются ранними признаками неисправности, но некоторые аккумуляторы взрываются без предупреждения.

Низкие цены делают товары из Азии привлекательными, но стандарты безопасности могут не быть равными стандартам брендовых товаров. Разумный покупатель тратит немного больше денег и покупает продукцию известных брендов.

Рисунок 1: Литий-ионный аккумулятор взорвался в грузовом отсеке пассажирского самолета. Инцидент вызван незадекларированными батареями, регулируемыми стандартом ООН 38.3.

Производители литий-ионных аккумуляторов не упоминают слово «взрыв», а говорят о «выпуске газа с пламенем» или «быстром демонтаже». Хотя это считается более медленным и контролируемым процессом, чем взрыв, выпуск газа с пламенем или быстрый демонтаж, тем не менее, могут быть сильными и нанести травмы тем, кто находится поблизости.

Аккумуляторы LiFePO4

Надежные литий-железо-фосфатные аккумуляторы для солнечных и резервных систем.

LiFePO4 Sacred Sun SCIFP1250 (12В, 50Ач)

Компактный аккумулятор с встроенным BMS для безопасной работы в солнечных и резервных системах.

Купить

 LiFePO4 Victron Lithium SuperPack 12.8В 100Аг

Современная литий-железо-фосфатная батарея (LiFePO4) со встроенным BMS и защитой от перегрузки

Купить

LiFePO4 Victron Smart Battery 12.8V/100Ah 

Высококачественный источник энергии с длительным сроком службы, высокой безопасностью и совместимостью с экосистемой Victron Energy

Купить

Посмотреть больше

🔋 Простые рекомендации по использованию литий-ионных аккумуляторов

⚠️Будьте осторожны при обращении с литий-ионными аккумуляторами и их тестировании.

🚫Не допускайте короткого замыкания, перезарядки, раздавливания, падения, повреждения, проникновения посторонних предметов, обратной полярности, воздействия высоких температур и разборки аккумуляторов и элементов.

✅Используйте только литий-ионные элементы с предназначенной для них защитной схемой и одобренным зарядным устройством.

🌡️Прекратите использование аккумулятора и/или зарядного устройства, если температура аккумулятора повышается более чем на 10°C (18°F) во время обычной зарядки.

🔥Электролит легко воспламеняется, и разрыв батареи может привести к физическим травмам.

🧯Для тушения пожара, вызванного литий-ионным аккумулятором, используйте пенный огнетушитель, CO₂, сухой химикат, порошкообразный графит, медный порошок или соду (карбонат натрия). Лейте воду только для предотвращения распространения огня.

⏳Если пожар литий-ионного аккумулятора невозможно потушить, дайте ему сгореть самостоятельно контролируемым и безопасным способом.