वर्तमान में, लिथियम-आयन बैटरियों की अधिकांश सुरक्षा दुर्घटनाएँ सुरक्षा सर्किट की विफलता के कारण होती हैं, जिससे बैटरी थर्मल रनवे का कारण बनती है और परिणामस्वरूप आग और विस्फोट होता है। इसलिए, लिथियम बैटरी के सुरक्षित उपयोग को साकार करने के लिए, सुरक्षा सर्किट का डिज़ाइन विशेष रूप से महत्वपूर्ण है, और लिथियम बैटरी की विफलता के सभी प्रकार के कारकों को ध्यान में रखा जाना चाहिए। उत्पादन प्रक्रिया के अलावा, विफलताएं मूल रूप से बाहरी चरम स्थितियों, जैसे ओवर-चार्ज, ओवर-डिस्चार्ज और उच्च तापमान में बदलाव के कारण होती हैं। यदि इन मापदंडों की वास्तविक समय में निगरानी की जाती है और जब वे बदलते हैं तो संबंधित सुरक्षात्मक उपाय किए जाएंगे, तो थर्मल पलायन की घटना से बचा जा सकता है। लिथियम बैटरी के सुरक्षा डिज़ाइन में कई पहलू शामिल हैं: सेल चयन, संरचनात्मक डिज़ाइन और बीएमएस की कार्यात्मक सुरक्षा डिज़ाइन।

सेल चयन

कोशिका सुरक्षा को प्रभावित करने वाले कई कारक हैं जिनमें कोशिका सामग्री का चुनाव आधार है। विभिन्न रासायनिक गुणों के कारण, लिथियम बैटरी की विभिन्न कैथोड सामग्री में सुरक्षा भिन्न होती है। उदाहरण के लिए, लिथियम आयरन फॉस्फेट ओलिवाइन के आकार का होता है, जो अपेक्षाकृत स्थिर होता है और ढहना आसान नहीं होता है। हालाँकि, लिथियम कोबाल्टेट और लिथियम टर्नेरी, स्तरित संरचनाएँ हैं जिन्हें ढहना आसान है। विभाजक का चयन भी बहुत महत्वपूर्ण है, क्योंकि इसका प्रदर्शन सीधे सेल की सुरक्षा से संबंधित है। इसलिए सेल के चयन में न केवल डिटेक्शन रिपोर्ट बल्कि निर्माता की उत्पादन प्रक्रिया, सामग्री और उनके मापदंडों पर भी विचार किया जाएगा।

संरचना डिजाइन

बैटरी की संरचना डिजाइन मुख्य रूप से इन्सुलेशन और गर्मी अपव्यय की आवश्यकताओं पर विचार करती है।

• इन्सुलेशन आवश्यकताओं में आम तौर पर निम्नलिखित पहलू शामिल होते हैं: सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोड के बीच इन्सुलेशन; सेल और बाड़े के बीच इन्सुलेशन; पोल टैब और बाड़े के बीच इन्सुलेशन; पीसीबी विद्युत रिक्ति और क्रीपेज दूरी, आंतरिक वायरिंग डिजाइन, ग्राउंडिंग डिजाइन, आदि।
• ऊष्मा अपव्यय मुख्य रूप से कुछ बड़े ऊर्जा भंडारण या ट्रैक्शन बैटरियों के लिए होता है। इन बैटरियों की उच्च ऊर्जा के कारण, चार्जिंग और डिस्चार्जिंग के दौरान उत्पन्न गर्मी बहुत अधिक होती है। यदि गर्मी को समय पर नष्ट नहीं किया जा सका, तो गर्मी जमा हो जाएगी और परिणामस्वरूप दुर्घटनाएँ होंगी। इसलिए, बाड़े की सामग्री का चयन और डिज़ाइन (इसमें कुछ यांत्रिक शक्ति और धूलरोधी और जलरोधी आवश्यकताएं होनी चाहिए), शीतलन प्रणाली और अन्य आंतरिक थर्मल इन्सुलेशन, गर्मी अपव्यय और आग बुझाने की प्रणाली का चयन सभी को ध्यान में रखा जाना चाहिए।

बैटरी कूलिंग सिस्टम के चयन और अनुप्रयोग के लिए, कृपया पिछले अंक को देखें।

कार्यात्मक सुरक्षा डिज़ाइन

भौतिक और रासायनिक गुण यह निर्धारित करते हैं कि सामग्री चार्जिंग और डिस्चार्जिंग वोल्टेज को सीमित नहीं कर सकती है। एक बार जब चार्जिंग और डिस्चार्जिंग वोल्टेज रेटेड सीमा से अधिक हो जाता है, तो इससे लिथियम बैटरी को अपरिवर्तनीय क्षति होगी। इसलिए, जब लिथियम बैटरी काम कर रही हो तो आंतरिक सेल के वोल्टेज और करंट को सामान्य स्थिति में बनाए रखने के लिए सुरक्षा सर्किट जोड़ना आवश्यक है। बैटरियों के बीएमएस के लिए, निम्नलिखित कार्यों की आवश्यकता होती है:

• ओवर वोल्टेज सुरक्षा के लिए चार्जिंग: ओवरचार्ज थर्मल रनवे का एक मुख्य कारण है। ओवरचार्ज के बाद, अत्यधिक लिथियम आयन रिलीज के कारण कैथोड सामग्री ढह जाएगी, और नकारात्मक इलेक्ट्रोड में लिथियम वर्षा भी होगी, जिससे थर्मल स्थिरता में कमी आएगी और साइड प्रतिक्रियाओं में वृद्धि होगी, जिससे थर्मल पलायन का संभावित खतरा होगा। इसलिए, चार्जिंग सेल की ऊपरी सीमा वोल्टेज तक पहुंचने के बाद समय पर करंट को काटना विशेष रूप से महत्वपूर्ण है। इसके लिए बीएमएस में ओवर वोल्टेज सुरक्षा को चार्ज करने का कार्य होना आवश्यक है, ताकि सेल का वोल्टेज हमेशा कार्यशील सीमा के भीतर रखा जा सके। यह बेहतर होगा कि सुरक्षा वोल्टेज कोई सीमा मान न हो और व्यापक रूप से भिन्न हो, क्योंकि इससे बैटरी पूरी तरह चार्ज होने पर समय पर करंट को काटने में विफल हो सकती है, जिसके परिणामस्वरूप ओवरचार्ज हो सकता है। बीएमएस का सुरक्षा वोल्टेज आमतौर पर सेल के ऊपरी वोल्टेज के समान या थोड़ा कम डिज़ाइन किया गया है।
• करंट सुरक्षा से अधिक चार्ज करना: चार्ज या डिस्चार्ज सीमा से अधिक करंट वाली बैटरी को चार्ज करने से गर्मी जमा हो सकती है। जब डायाफ्राम को पिघलाने के लिए पर्याप्त गर्मी जमा हो जाती है, तो यह आंतरिक शॉर्ट सर्किट का कारण बन सकता है। इसलिए वर्तमान सुरक्षा पर समय पर चार्ज करना भी आवश्यक है। हमें इस बात पर ध्यान देना चाहिए कि डिज़ाइन में ओवर करंट सुरक्षा सेल करंट टॉलरेंस से अधिक नहीं हो सकती।
• वोल्टेज सुरक्षा के तहत डिस्चार्ज: बहुत बड़ा या बहुत छोटा वोल्टेज बैटरी के प्रदर्शन को नुकसान पहुंचाएगा। वोल्टेज के तहत लगातार डिस्चार्ज से कॉपर अवक्षेपित हो जाएगा और नकारात्मक इलेक्ट्रोड ढह जाएगा, इसलिए आम तौर पर बैटरी में वोल्टेज संरक्षण फ़ंक्शन के तहत डिस्चार्ज होगा।
• करंट सुरक्षा पर डिस्चार्ज: अधिकांश पीसीबी एक ही इंटरफ़ेस के माध्यम से चार्ज और डिस्चार्ज करते हैं, इस मामले में चार्ज और डिस्चार्ज प्रोटेक्शन करंट सुसंगत है। लेकिन कुछ बैटरियों, विशेष रूप से बिजली के उपकरणों के लिए बैटरियों, फास्ट चार्जिंग और अन्य प्रकार की बैटरियों को बड़े करंट डिस्चार्ज या चार्जिंग का उपयोग करने की आवश्यकता होती है, इस समय करंट असंगत है, इसलिए दो लूप नियंत्रण में चार्ज और डिस्चार्ज करना सबसे अच्छा है।
• शॉर्ट सर्किट सुरक्षा: बैटरी शॉर्ट सर्किट भी सबसे आम दोषों में से एक है। कुछ टकराव, दुरुपयोग, निचोड़, सुई चुभाना, पानी का प्रवेश आदि शॉर्ट सर्किट को प्रेरित करना आसान है। शॉर्ट सर्किट तुरंत एक बड़ा डिस्चार्ज करंट उत्पन्न करेगा, जिसके परिणामस्वरूप बैटरी का तापमान तेजी से बढ़ेगा। साथ ही, बाहरी शॉर्ट सर्किट के बाद आमतौर पर कोशिका में इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिक्रियाओं की एक श्रृंखला होती है, जिससे एक्सोथर्मिक प्रतिक्रियाओं की एक श्रृंखला होती है। शॉर्ट सर्किट प्रोटेक्शन भी एक तरह का ओवर करंट प्रोटेक्शन है। लेकिन शॉर्ट सर्किट करंट अनंत होगा, और गर्मी और नुकसान भी अनंत है, इसलिए सुरक्षा बहुत संवेदनशील होनी चाहिए और स्वचालित रूप से चालू हो सकती है। सामान्य शॉर्ट सर्किट सुरक्षा उपायों में कॉन्टैक्टर, फ़्यूज़, एमओएस आदि शामिल हैं।
• अधिक तापमान से सुरक्षा: बैटरी परिवेश के तापमान के प्रति संवेदनशील है। बहुत अधिक या बहुत कम तापमान इसके प्रदर्शन को प्रभावित करेगा। इसलिए, बैटरी को सीमित तापमान के भीतर चालू रखना महत्वपूर्ण है। तापमान बहुत अधिक या बहुत कम होने पर बैटरी को रोकने के लिए बीएमएस में तापमान संरक्षण फ़ंक्शन होना चाहिए। इसे चार्ज तापमान संरक्षण और डिस्चार्ज तापमान संरक्षण आदि में भी विभाजित किया जा सकता है।
• संतुलन कार्य: नोटबुक और अन्य बहु-श्रृंखला बैटरियों के लिए, उत्पादन प्रक्रिया में अंतर के कारण कोशिकाओं के बीच असंगतता होती है। उदाहरण के लिए, कुछ कोशिकाओं का आंतरिक प्रतिरोध दूसरों की तुलना में बड़ा होता है। बाहरी वातावरण के प्रभाव में यह असंगति धीरे-धीरे बदतर होती जाएगी। इसलिए, सेल के संतुलन को लागू करने के लिए एक संतुलन प्रबंधन फ़ंक्शन का होना आवश्यक है। सामान्यतः संतुलन दो प्रकार के होते हैं:

1.निष्क्रिय संतुलन: वोल्टेज तुलनित्र जैसे हार्डवेयर का उपयोग करें, और फिर उच्च क्षमता वाली बैटरी की अतिरिक्त शक्ति को मुक्त करने के लिए प्रतिरोध ताप अपव्यय का उपयोग करें। लेकिन ऊर्जा की खपत बड़ी है, समकारी गति धीमी है, और दक्षता कम है।

2. सक्रिय संतुलन: उच्च वोल्टेज वाले कोशिकाओं की शक्ति को संग्रहीत करने के लिए कैपेसिटर का उपयोग करें और इसे कम वोल्टेज वाले सेल में जारी करें। हालाँकि, जब आसन्न कोशिकाओं के बीच दबाव का अंतर छोटा होता है, तो समकारी समय लंबा होता है, और समकारी वोल्टेज सीमा को अधिक लचीले ढंग से सेट किया जा सकता है।

मानक सत्यापन

अंत में, यदि आप चाहते हैं कि आपकी बैटरियां अंतरराष्ट्रीय या घरेलू बाजार में सफलतापूर्वक प्रवेश करें, तो उन्हें लिथियम-आयन बैटरी की सुरक्षा सुनिश्चित करने के लिए संबंधित मानकों को भी पूरा करना होगा। सेल से लेकर बैटरी और होस्ट उत्पादों को संबंधित परीक्षण मानकों को पूरा करना चाहिए। यह लेख इलेक्ट्रॉनिक आईटी उत्पादों के लिए घरेलू बैटरी सुरक्षा आवश्यकताओं पर केंद्रित होगा।

जीबी 31241-2022

यह मानक पोर्टेबल इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों की बैटरियों के लिए है। यह मुख्य रूप से टर्म 5.2 सुरक्षित कामकाजी मापदंडों, पीसीएम के लिए 10.1 से 10.5 सुरक्षा आवश्यकताओं, सिस्टम सुरक्षा सर्किट पर 11.1 से 11.5 सुरक्षा आवश्यकताओं (जब बैटरी स्वयं सुरक्षा के बिना है), स्थिरता के लिए 12.1 और 12.2 आवश्यकताओं और परिशिष्ट ए (दस्तावेजों के लिए) पर विचार करता है। .

यू टर्म 5.2 में सेल और बैटरी मापदंडों का मिलान होना आवश्यक है, जिसे इस प्रकार समझा जा सकता है कि बैटरी के कामकाजी पैरामीटर सेल की सीमा से अधिक नहीं होने चाहिए। हालाँकि, क्या बैटरी सुरक्षा मापदंडों को यह सुनिश्चित करने की आवश्यकता है कि बैटरी के कामकाजी पैरामीटर कोशिकाओं की सीमा से अधिक न हों? अलग-अलग समझ हैं, लेकिन बैटरी डिज़ाइन सुरक्षा के दृष्टिकोण से, उत्तर हाँ है। उदाहरण के लिए, किसी सेल (या सेल ब्लॉक) का अधिकतम चार्जिंग करंट 3000mA है, बैटरी का अधिकतम कार्यशील करंट 3000mA से अधिक नहीं होना चाहिए, और बैटरी की सुरक्षा करंट को यह भी सुनिश्चित करना चाहिए कि चार्जिंग प्रक्रिया में करंट इससे अधिक न हो 3000mA. केवल इसी तरह से हम खतरों से प्रभावी ढंग से बचाव और बचाव कर सकते हैं। सुरक्षा मापदंडों के डिज़ाइन के लिए, कृपया परिशिष्ट ए देखें। यह उपयोग में आने वाले सेल-बैटरी-होस्ट के पैरामीटर डिज़ाइन पर विचार करता है, जो अपेक्षाकृत व्यापक है।

सुरक्षा सर्किट वाली बैटरियों के लिए, 10.1~10.5 बैटरी सुरक्षा सर्किट सुरक्षा परीक्षण आवश्यक है। यह अध्याय मुख्य रूप से ओवर वोल्टेज प्रोटेक्शन चार्जिंग, ओवर करंट प्रोटेक्शन चार्जिंग, वोल्टेज प्रोटेक्शन के तहत डिस्चार्जिंग, ओवर करंट प्रोटेक्शन डिस्चार्जिंग और शॉर्ट सर्किट प्रोटेक्शन की जांच करता है। इनका उल्लेख ऊपर किया गया हैकार्यात्मक सुरक्षा डिज़ाइनऔर बुनियादी आवश्यकताएँ। जीबी 31241 को 500 बार जांचने की आवश्यकता है।

यदि सुरक्षा सर्किट के बिना बैटरी उसके चार्जर या अंतिम डिवाइस द्वारा संरक्षित है, तो 11.1 ~ 11.5 सिस्टम सुरक्षा सर्किट का सुरक्षा परीक्षण बाहरी सुरक्षा उपकरण के साथ आयोजित किया जाएगा। चार्ज और डिस्चार्ज के वोल्टेज, करंट और तापमान नियंत्रण की मुख्य रूप से जांच की जाती है। यह ध्यान देने योग्य है कि, सुरक्षा सर्किट वाली बैटरियों की तुलना में, सुरक्षा सर्किट वाली बैटरियां केवल वास्तविक उपयोग में उपकरणों की सुरक्षा पर भरोसा कर सकती हैं। जोखिम अधिक है, इसलिए सामान्य संचालन और एकल दोष स्थितियों का अलग-अलग परीक्षण किया जाएगा। यह अंतिम डिवाइस को दोहरी सुरक्षा के लिए मजबूर करता है; अन्यथा यह अध्याय 11 में परीक्षा उत्तीर्ण नहीं कर सकता।

अंत में, यदि बैटरी में एकाधिक श्रृंखला सेल हैं, तो आपको असंतुलित चार्जिंग की घटना पर विचार करने की आवश्यकता है। अध्याय 12 का अनुरूपता परीक्षण आवश्यक है। यहां मुख्य रूप से पीसीबी के संतुलन और अंतर दबाव संरक्षण कार्यों की जांच की जाती है। सिंगल-सेल बैटरियों के लिए यह फ़ंक्शन आवश्यक नहीं है।

जीबी 4943.1-2022

यह मानक AV उत्पादों के लिए है. बैटरी चालित इलेक्ट्रॉनिक उत्पादों के बढ़ते उपयोग के साथ, जीबी 4943.1-2022 का नया संस्करण परिशिष्ट एम में बैटरी के लिए विशिष्ट आवश्यकताएं देता है, बैटरी और उनके सुरक्षा सर्किट वाले उपकरणों का मूल्यांकन करता है। बैटरी सुरक्षा सर्किट के मूल्यांकन के आधार पर, माध्यमिक लिथियम बैटरी वाले उपकरणों के लिए अतिरिक्त सुरक्षा आवश्यकताओं को भी जोड़ा गया है।

यू सेकेंडरी लिथियम बैटरी प्रोटेक्शन सर्किट मुख्य रूप से ओवर-चार्ज, ओवर-डिस्चार्ज, रिवर्स चार्जिंग, चार्जिंग सेफ्टी प्रोटेक्शन (तापमान), शॉर्ट सर्किट प्रोटेक्शन आदि की जांच करता है। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि इन सभी परीक्षणों के लिए प्रोटेक्शन सर्किट में एक ही गलती की आवश्यकता होती है। इस आवश्यकता का उल्लेख बैटरी मानक जीबी 31241 में नहीं किया गया है। इसलिए बैटरी सुरक्षा फ़ंक्शन के डिज़ाइन में, हमें बैटरी और होस्ट की मानक आवश्यकताओं को संयोजित करने की आवश्यकता है। यदि बैटरी में केवल एक सुरक्षा है और कोई अनावश्यक घटक नहीं है, या बैटरी में कोई सुरक्षा सर्किट नहीं है और सुरक्षा सर्किट केवल होस्ट द्वारा प्रदान किया जाता है, तो परीक्षण के इस भाग के लिए होस्ट को शामिल किया जाना चाहिए।

निष्कर्ष

निष्कर्ष में, एक सुरक्षित बैटरी डिजाइन करने के लिए, सामग्री की पसंद के अलावा, बाद के संरचनात्मक डिजाइन और कार्यात्मक सुरक्षा डिजाइन भी समान रूप से महत्वपूर्ण हैं। यद्यपि विभिन्न मानकों में उत्पादों के लिए अलग-अलग आवश्यकताएं होती हैं, अगर बैटरी डिजाइन की सुरक्षा को विभिन्न बाजारों की आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए पूरी तरह से विचार किया जा सकता है, तो लीड समय को काफी कम किया जा सकता है और उत्पाद को बाजार में तेजी से लाया जा सकता है। विभिन्न देशों और क्षेत्रों के कानूनों, विनियमों और मानकों के संयोजन के अलावा, टर्मिनल उत्पादों में बैटरी के वास्तविक उपयोग के आधार पर उत्पादों को डिजाइन करना भी आवश्यक है।