Защита литий ионных аккумуляторов: Простейшие схемы ограничения разряда Li-ion аккумуляторов (контроллеры защиты литиевых батарей от переразряда)

3S Литий-ионный модуль защитной платы литиевой батареи 3-элементная печатная плата 10,8–12,6 В: Электроника

• .Применимо для литиевых батарей и комплектов 10,8 В (3,6 В * 3S) 11,1 В (3,7 В * 3S) литиевых батарей и комплектов 12,6 В (4,2 В * 3S) литиевых батарей и комплектов
• Рабочее напряжение для литиевой батареи: 10,8 В ~ 12,6 В
• Цилиндрическая литиевая батарея (Li-ion)
• Защита: защита от короткого замыкания, защита от перезарядки, защита от перегрузки и защита от перегрузки по току
• В пакет включено: 1 x 3S литий-ионная плата защиты литиевой батареи

BU-304b: Обеспечение безопасности литий-ионных аккумуляторов — Battery University

Узнайте со всех сторон, чтобы сделать литий-ионные безопасными со всех сторон.

Аккумуляторы, использующие литий-ионные аккумуляторы, требуют обязательной схемы защиты для обеспечения безопасности (почти) при любых обстоятельствах.В соответствии со стандартом IEC 62133 безопасность литий-ионных элементов или блоков начинается с включения некоторых или всех следующих мер безопасности.

1. Встроенный PTC (положительный температурный коэффициент) защищает от скачков тока.
2. CID (устройство прерывания цепи) размыкает цепь при давлении в ячейке 1000 кПа (145 фунтов на кв. Дюйм).
3. Предохранительный клапан выпускает газы при повышении избыточного давления до 3000 кПа (450 фунтов на квадратный дюйм).
4. Сепаратор препятствует ионному потоку за счет процесса плавления при превышении определенного температурного порога.
   (См. BU-306: Какова функция разделителя?)

PTC и CID хорошо работают в меньшей 2- или 3-элементной батарее с последовательной и параллельной конфигурацией, однако эти устройства безопасности часто не используются. многоэлементные батареи большего размера, например, для электроинструментов, поскольку отключение может происходить в каскадном формате. (См. BU-302: последовательные и параллельные конфигурации батарей). Хотя некоторые элементы могут рано отключиться, ток нагрузки вызывает избыточный ток на оставшихся элементах. Такое состояние перегрузки может привести к тепловому разгоне до срабатывания остальных предохранительных устройств.

В дополнение к внутренним средствам защиты ячеек, внешняя электронная схема защиты предотвращает превышение в любой ячейке 4,30 В при заряде. Кроме того, предохранитель отключает ток, если температура кожи любого элемента приближается к 90 ° C (194 ° F). Чтобы предотвратить чрезмерную разрядку аккумулятора, схема управления перекрывает путь тока примерно при 2,20 В / элемент.

Каждая ячейка в цепочке требует независимого контроля напряжения. Чем больше количество ячеек, тем сложнее становится схема защиты.Четыре последовательно соединенных элемента были практическим пределом для потребительских приложений. Сегодня стандартные микросхемы также вмещают 5–7, 7–10 и 13 ячеек последовательно. Для специальных применений, таких как гибридные или электромобили, вырабатывающие несколько сотен вольт, созданы специальные схемы защиты. Мониторинг двух или более ячеек параллельно для получения более высокого тока менее критичен, чем контроль напряжения в конфигурации цепочки.

Цепи защиты могут защитить только от злоупотреблений извне, таких как короткое замыкание или неисправное зарядное устройство.Однако если внутри ячейки возникает дефект, например, загрязнение микроскопическими металлическими частицами, внешняя схема защиты малоэффективна и не может остановить реакцию. Для элементов, используемых в электрических трансмиссиях, разрабатываются усиленные и самовосстанавливающиеся сепараторы, но это делает батареи большими и дорогими.

Литий-ионный аккумулятор обычно разряжается до 3,0 В на элемент. Наименьшее допустимое значение отключения при низком напряжении составляет 2,5 В на элемент. Не рекомендуется держать аккумулятор на этом уровне, так как саморазряд может привести к тому, что аккумулятор достигнет напряжения отключения, что приведет к переходу аккумулятора в спящий режим.Большинство зарядных устройств игнорируют литий-ионные блоки, которые перешли в спящий режим, и зарядка больше невозможна. (См. BU-808a: Как разбудить литий-ионный аккумулятор.)

В положении ВКЛ. Внутренняя цепь защиты имеет сопротивление 50–100 мОм, ниже, чем у блоков питания. Схема обычно состоит из двух переключателей, соединенных последовательно; один отвечает за верхнюю отсечку, а другой за нижнюю отсечку. Батареи большего размера требуют более тщательного проектирования, чем батареи меньшего размера, а блоки одиночных ячеек для мобильных телефонов и планшетов обходятся без ограничения по напряжению и току в дополнение к некоторой внутренней защите ячеек.(См. BU-802a: Как повышение внутреннего сопротивления влияет на производительность?)

Некоторые недорогие потребительские зарядные устройства могут полагаться исключительно на схему защиты аккумулятора для прекращения заряда. Резервирование имеет первостепенное значение для безопасности, и, не зная об этом, покупателю могут быть предложены недорогие потребительские зарядные устройства, не имеющие должным образом функционирующих алгоритмов зарядки. Это может быть автомобильное зарядное устройство для мобильного телефона или электронной сигареты.

Еще одна проблема возникает, если статическое электричество разрушило схему защиты батареи.Закороченный твердотельный переключатель постоянно плавится в положении ON без ведома пользователя. Аккумулятор с неисправной схемой защиты работает нормально, но не обеспечивает защиты. Напряжение элемента может превысить безопасный уровень и перезарядить аккумулятор. Накопление тепла и вздутие — ранние признаки неисправности, но некоторые батареи взрываются без предупреждения.

Низкие цены делают товары из Азии привлекательными, но стандарты безопасности не могут сравниться с марками. Мудрый покупатель тратит немного больше денег и покупает известные бренды.(См. BU-809a: Что каждый должен знать об аккумуляторах вторичного рынка.)

На рисунке 1 показаны аккумуляторы в оборудовании, которые разложились в пассажирском самолете перед взлетом.

Производители литий-ионных батарей не упоминают слово «взрыв», но ссылаются на «выброс пламени» или «быструю разборку».«Хотя процесс считается более медленным и контролируемым, чем взрыв, выброс пламени или быстрая разборка, тем не менее, могут быть насильственными и причинить вред тем, кто находится в непосредственной близости.

• Соблюдайте осторожность при обращении с литий-ионными аккумуляторами и их проверке.
• Не допускайте короткого замыкания, перезарядки, раздавливания, падения, повреждения, проникновения посторонних предметов, обратной полярности, воздействия высоких температур и разборки блоков и элементов.
• Используйте только литий-ионные элементы с обозначенной схемой защиты и утвержденным зарядным устройством.
• Прекратите использование аккумулятора и / или зарядного устройства, если температура аккумулятора поднимается более чем на 10 ° C (18 ° F) при обычной зарядке.
• Электролит легко воспламеняется, и разрыв аккумулятора может привести к травмам.
• Используйте пенный огнетушитель, CO2, сухой химикат, порошкообразный графит, медный порошок или соду (карбонат натрия) для тушения литий-ионного пожара. Лить воду только во избежание распространения огня.
• Если возгорание горящей литий-ионной батареи не удается потушить, дайте батарее сгореть самостоятельно контролируемым и безопасным образом.

Батареи в портативном мире

Материал по Battery UIniversity основан на незаменимом новом 4-м издании « Batteries in a Portable World — A Handbook on Battery for Non-Engineers », которое доступно для заказа через Amazon.com.

Защита литиевых аккумуляторов — Zeus Battery

Перед проектированием устройства, требующего перезаряжаемых литий-ионных батарей, необходимо учесть различные соображения. Соблюдайте особые параметры производителя элементов, поскольку они являются важными элементами, обеспечивающими безопасность, производительность и долговечность аккумулятора.

«Защита перезаряжаемых литиевых батарей»

Поскольку технология аккумуляторов и форм-факторы для электронных устройств выходят за рамки традиционных цилиндрических элементов, литиевые батареи пользуются повышенным спросом из-за их высокой плотности энергии, малых форм-факторов и гибкости конструкции.Хотя некоторые литий-ионные цилиндрические элементы содержат PTC в качестве базовой защиты от скачков тока, популярные литиево-полимерные (карманные и призматические) элементы не содержат PTC, и поэтому необходимо учитывать дополнительные меры, чтобы предотвратить преждевременный выход из строя, вызванный неправильное использование и / или неправильное обращение.

Потребность в защите аккумулятора

Батарейные блоки, содержащие литий-ионные элементы, требуют обязательной схемы защиты или CID (устройства прерывания цепи) для обеспечения безопасности.В дополнение к мерам безопасности на уровне ячеек, на аккумуляторных блоках часто используется внешняя схема защиты или то, что обычно известно как PCM (модуль схемы защиты) для предотвращения теплового разгона в результате перезаряда, переразряда, перенапряжения, перегрузки по току и т. Д. и состояние короткого замыкания. Поскольку литиевые батареи содержат очень высокую удельную энергию на единицу объема, незащищенный элемент или аккумуляторная батарея потенциально могут привести к дорогостоящим и необратимым повреждениям.

Условия завышения цены

Аккумуляторы различного химического состава требуют определенных профилей зарядки для оптимизации производительности и предотвращения проблем с безопасностью во время зарядки.Как правило, почти все зарядные устройства для литий-ионных аккумуляторов используют алгоритм зарядки постоянного тока / постоянного напряжения. Как только зарядное устройство переходит в режим постоянного напряжения, важно убедиться, что заряд не превышает максимально допустимый уровень, чтобы не подвергать их условиям перезаряда, поскольку это может вызвать чрезмерное повышение внутренней температуры и привести к преждевременному выходу из строя.

Причины перезаряда элемента / аккумулятора:

• Неисправное зарядное устройство : Зарядное устройство не может остановить или ограничить ток питания после полной зарядки
• Неправильное использование : Элемент или батарея заряжаются с помощью несовместимого зарядного устройства

Условия перегрузки по току (заряд или разряд)

Условия перегрузки по току возникают, когда литий-ионный элемент или аккумуляторная батарея заряжается или разряжается при токе, намного превышающем номинальный ток, установленный производителем элемента.Например, если производитель заявляет, что литий-ионный аккумулятор 18650 рассчитан только на максимальный непрерывный ток разряда 2,0 А, но пользователь решает пренебречь этим предупреждением и применяет постоянную нагрузку 4,0 А. Элемент перешел в так называемое состояние перегрузки по току и может вызвать повышение внутренней температуры в результате химической реакции, что может привести к набуханию или разрушению элементов и риску повреждения аккумулятора. Чтобы предотвратить это состояние, конечный пользователь всегда должен придерживаться технических требований производителя к элементам или батареям.

Условия короткого замыкания

Случайное короткое замыкание может произойти, когда открытые положительные и отрицательные клеммы вступают в контакт с металлическими предметами, такими как брелок или плохо обращающиеся подводящие провода, что приведет к быстрому повышению внутренней температуры элемента и приведет к снижению производительности, а также к набуханию элементов. . Результаты испытаний незащищенных литиевых элементов, проведенные испытательными лабораториями, такими как UL и Intertek, показали, что во время событий такого типа температура может достигать более 600⁰C или 1112⁰F и может привести к выбросу токсичных и легковоспламеняющихся газов.После воспламенения он может распространиться на другие клетки или легковоспламеняющиеся объекты и привести к необратимым повреждениям.

Причины короткого замыкания:

• Открытые положительные и отрицательные клеммы соприкасаются с металлическими предметами
• Обратная полярность
• Плохое изготовление или сборка

До и после теплового разгона

Условия избыточного разряда

Типичные перезаряжаемые литиевые элементы могут безопасно работать до 2.75 В / ячейка. Однако, когда незащищенный литиевый элемент разряжается выше минимального уровня напряжения, вы рискуете повредить элемент и в конечном итоге привести к ухудшению срока службы, нестабильным характеристикам напряжения и разбуханию элементов из-за внутренней химической реакции. Как правило, схема защиты проектируется с некоторым дополнительным буфером, обычно в диапазоне + 0,25 ~ 0,40 В от минимального напряжения производителя элемента, чтобы предотвратить преждевременное срабатывание напряжения отсечки разряда.

Литий-ионный аккумулятор в набухшем состоянии

Распространенные причины условий чрезмерного разряда:

• Минимальное рабочее напряжение хост-устройства ниже напряжения отключения разряда элемента
• Неправильно настроенное напряжение отключения разряда
• Плохо реализованный модуль схемы защиты

Характеристики напряжения при различных нагрузках.Напряжение отключения = 3,0 В

Ключевые элементы модуля схемы защиты

• Превышение заряда: защищает от состояния избыточного заряда
• Перегрузка по току: защита от перегрузки по току
• Короткое замыкание: защищает от внешнего короткого замыкания
• Чрезмерный разряд: защищает от чрезмерного разряда
• Температура: защищает от высоких температур
• Балансировка ячеек: Балансировка ячеек в аккумуляторных блоках, содержащих несколько ячеек, соединенных последовательно

Различные типы ПКМ

PCM для конфигурации 1S и приложения 3S / 4S

Приложение 14S

Распространенные признаки повреждения литий-ионных / полимерных элементов

• Нестабильная характеристика напряжения при заряде / разряде
• Видимое набухание или деформация
  
• Значительно уменьшенное время работы
• Утечка электролита — неприятный запах
• Пожар от теплового разгона

Резюме

Перед проектированием устройства, требующего перезаряжаемых литий-ионных батарей, необходимо учесть различные соображения.Всегда рекомендуется соблюдать конкретные электрические параметры производителя элементов, такие как максимальный ток разряда / заряда, рабочее напряжение, а также рабочая температура, поскольку они являются одними из важнейших элементов конструкции, обеспечивающих безопасность, производительность и долговечность аккумулятора.

Benzo Energy / Как работает плата защиты литиевой батареи?

Плата защиты литиевой батареи в основном состоит из защитной ИС (защита от перенапряжения) и трубки MOS (защита от перегрузки по току) и представляет собой устройство, используемое для защиты элементов литиевой батареи.Литиевые батареи широко используются людьми из-за их большого тока разряда, низкого внутреннего сопротивления, длительного срока службы и отсутствия эффекта памяти. Строго запрещается перезарядка, переразрядка и короткое замыкание литий-ионных аккумуляторов во время использования, в противном случае это может привести к возгоранию и взрыву аккумулятора. Следовательно, при использовании перезаряжаемых литиевых батарей будет защитная печатная плата для защиты безопасности батарей.

имеют разные схемы и параметры в зависимости от различных микросхем, напряжений и т. Д.Обычно используемые ИС защиты: 8261, DW01 +, CS213, GEM5018 и т. Д. Среди них серия Seiko 8261 имеет лучшую точность и, конечно же, дороже. Все последние производятся на Тайване. На внутреннем вторичном рынке в основном используются DW01 + и CS213. Ниже приводится объяснение DW01 + с трубкой MOS 8205A (8pin):

Нормальный рабочий процесс печатной платы защиты литий-ионного аккумулятора:

Когда напряжение элемента находится в пределах 2.5 В и 4,3 В, первый и третий контакты DW01 выводят высокий уровень (равный напряжению питания), а напряжение на втором контакте равно 0 В. В это время напряжение контактов 1 и 3 DW01 будет подано на контакты 5 и 4 8205A соответственно. Два электронных переключателя в 8205A находятся в проводящем состоянии, потому что их полюса G подключены к напряжению от DW01, то есть оба электронных переключателя находятся в разомкнутом состоянии. В это время отрицательный полюс батареи напрямую подключен к клемме P платы защиты, а плата защиты имеет выход напряжения.

Печатная плата защиты Принцип управления защитой от чрезмерного разряда:

Когда элемент разряжается через внешнюю нагрузку, напряжение элемента будет медленно уменьшаться. В то же время DW01 будет контролировать напряжение ячейки в реальном времени через сопротивление R1. Когда напряжение элемента упадет примерно до 2,3 В, DW01 будет считать, что напряжение элемента находилось в состоянии чрезмерного разряда, немедленно отключите выходное напряжение первого контакта, чтобы напряжение первого контакта стало 0 В, и Трубка переключателя в 8205A замкнута, потому что на пятом контакте нет напряжения.В это время B- элемента батареи и P- платы защиты находятся в отключенном состоянии. То есть, цепь разряда элемента батареи прерывается, и элемент батареи перестает разряжаться. Плата защиты находится в чрезмерно разряженном состоянии и обслуживается. После того, как P и P платы защиты будут иметь косвенное напряжение зарядки, DW01 немедленно остановит состояние чрезмерной разрядки после того, как B- обнаружит напряжение зарядки, и снова выдает высокое напряжение на выводе 1, чтобы включить трубку управления чрезмерной разрядкой. в 8205A.То есть, B- элемента батареи и P- платы защиты повторно соединяются, и батарея заряжается непосредственно зарядным устройством.

Печатная плата защиты Принцип управления защитой от перезарядки:

Когда аккумулятор заряжается зарядным устройством, по мере увеличения времени зарядки напряжение элемента становится все выше и выше. Когда напряжение элемента повышается до 4,4 В, DW01 будет считать, что напряжение элемента находится в состоянии перезаряда. Он немедленно отключает выходное напряжение третьего контакта, так что напряжение третьего контакта становится равным 0 В, а трубка переключателя в 8205A закрывается, потому что на четвертом контакте нет напряжения.В это время B- элемента батареи и P- платы защиты находятся в отключенном состоянии. То есть цепь зарядки аккумуляторного элемента отключается, и аккумуляторный элемент перестает заряжаться. Плата защиты находится в состоянии перезарядки и обслуживается. После того, как P и P платы защиты разряжают нагрузку косвенно, хотя переключатель управления перезарядкой выключен, прямое направление внутреннего диода совпадает с направлением цепи разряда, поэтому цепь разряда может быть разряжена.Когда напряжение аккумуляторной батареи Когда напряжение ниже 4,3 В, DW01 прекращает состояние защиты от перезарядки и снова выводит высокое напряжение на вывод 3, так что трубка управления перезарядкой в ​​8205A включается, то есть B- из батарея и плата защиты P- повторно соединены, аккумуляторная батарея может заряжаться и разряжаться в обычном режиме.

Принцип управления защитой от короткого замыкания платы защиты:

В процессе внешнего разряда платы защиты два электронных переключателя в 8205A не полностью эквивалентны двум механическим переключателям, но эквивалентны два резистора с очень малым сопротивлением, которые называются внутренним сопротивлением проводимости 8205A.Сопротивление включения каждого переключателя составляет около 30 м \ U 03a9 и в целом около 60 м \ U 03a9. Напряжение, приложенное к полюсу G, фактически напрямую контролирует сопротивление каждого переключателя. Когда напряжение на полюсе G превышает 1 В, сопротивление проводимости трубки переключателя очень мало (десятки миллиомов), что эквивалентно замкнутому переключателю. Когда напряжение на полюсе G меньше 0,7 В, сопротивление проводимости трубки переключателя очень велико (несколько МОм), что эквивалентно выключению переключателя.Напряжение UA — это напряжение между сопротивлением в открытом состоянии 8205 А и током разряда. Когда ток нагрузки увеличивается, UA неизбежно увеличивается. Поскольку UA0.006L × IUA также называется падением напряжения на лампе 8205A, UA может быть сокращено, чтобы указать величину разрядного тока. . Когда оно возрастает до 0,2 В, считается, что ток нагрузки достиг предельного значения, поэтому выходное напряжение на контакте 1 останавливается, так что напряжение на контакте 1 становится 0 В, трубка управления разрядом в 8205A закрывается, и цепь разряда ячейки отключена.Трубка управления разрядом. Другими словами, максимально допустимый выходной ток DW01 составляет 3,3 А, что обеспечивает защиту от перегрузки по току.

Процесс управления защитой от короткого замыкания:

Защита от короткого замыкания является предельной формой защиты от перегрузки по току. Процесс и принцип управления такие же, как и у защиты от перегрузки по току. Короткое замыкание эквивалентно только добавлению небольшого сопротивления (около 0 Ом) между P P- для создания платы защиты. Когда ток нагрузки мгновенно достигает более 10 А, плата защиты немедленно выполняет защиту от перегрузки по току.

Причина, по которой литиевая батарея (аккумуляторная) нуждается в защите, определяется ее характеристиками. Поскольку материал литий-ионной полимерной батареи сам по себе определяет, что она не может быть перезаряжена, переразряжена, перегрузка по току, короткое замыкание и сверхвысокотемпературная зарядка и разрядка, компоненты литиевой батареи всегда соответствуют деликатной защитной плате.

Указания по технике безопасности для литий-ионных батарей | GlobTek

Покупатель продуктов для аккумуляторных блоков GlobTek (Заказчик) соглашается с тем, что они являются «опытными пользователями», которые разбираются в технологии аккумуляторов, и что это их исключительная ответственность за определение пригодности описанного продукта для их применения и примите меры для защиты от любых опасностей, связанных с обращением с продуктом и его использованием.Продукты GlobTek предназначены только для профессионального использования и интеграции компаниями в свои продукты и не могут использоваться потребителями напрямую. GlobTek предлагает аккумуляторы и аккумуляторные блоки как компонент конечной системы.

Принятие спецификаций GlobTek, информация на этой странице и использование продуктов, описанных в этом или других документах GlobTek, указывают на то, что продукт был квалифицирован для использования (протестирован и / или подписан образец отказа от прав), а также принятие и привязка клиента к условиям и положениям GlobTek, которые заменяют собой все другие соглашения, положения и условия (http: // en.globtek.com/terms-and-conditions/).

Химические вещества, присутствующие в литиевых батареях, являются более реактивными, чем те, которые содержатся в других технологиях батарей. Вообще говоря, это означает, что скорость химической реакции при заданном наборе входных условий (то есть температуре) выше. Без соответствующих соображений химический состав лития может столкнуться со сценариями, которые ставят под угрозу безопасность батареи (и системы).

Нижеследующий список не является исчерпывающим; Это только для справки.

1. Всегда включайте схему защиты: Литиевую батарею нельзя использовать без системы управления батареями (BMS), которая гарантирует, что батарея не будет использоваться за пределами ее безопасной рабочей зоны (SOA). Хотя GlobTek может производить незащищенные батареи, настоятельно рекомендуется выбрать / указать аккумулятор, который включает схему защиты. Отсутствие схемы защиты, будь то в батарее или в оконечной системе, чрезвычайно рискованно и увеличивает вероятность возгорания и / или травмы / смерти.Защиты включают, но не ограничиваются:
   1. Перегрузка по току (во время зарядки и разрядки)
   2. Перегрузка (пониженное напряжение)
   3. Перегрузка (повышенное напряжение)
   4. Перегрев
   5. Дисбаланс элементов ( Только для многоэлементных комплектов)
2. Предотвращение длительного высокого состояния заряда (SoC): Стандартные аккумуляторные блоки GlobTek разработаны для «типичного» случая использования, когда аккумулятор регулярно заряжается и разряжается. Длительные периоды работы при высоком уровне заряда могут привести к преждевременному выходу из строя из-за литиевого покрытия.При применении с нечастыми выделениями следует учитывать следующее. (Более подробная информация в разделе «Зарядка»).
   1. Используйте более низкое напряжение заряда, эквивалентное 70% SoC или ниже, для работы при температуре до 10 ° C [1]
   2. Используйте интеллектуальную схему для регулярного принудительного цикла разрядки ниже 40% SoC [1]
   3. Используйте альтернативную батарею химия
3. Учитывайте воспламеняемость корпуса: Рейтинг воспламеняемости корпуса конечной системы важен для общей безопасности системы.Правильное управление батареями защитит блоки от подавляющего большинства деструктивных режимов отказа. Однако редко встречающиеся дефекты ячеек и непредвиденное использование все же могут поставить под угрозу безопасность системы. Таким образом, чтобы отказ блока не подвергал опасности жизнь человека, необходимо правильно выбрать конструкцию корпуса и материал. (См. UL94-5.)
   1. Для систем с доступными для пользователя / съемными батареями, блок может быть заключен в огнестойкий литой пластиковый корпус. Самозатухающие свойства этого пластика могут добавить системе дополнительный уровень безопасности, хотя по-прежнему важно обеспечить надлежащую вентиляцию и зазор внутри корпуса.Этот пластиковый корпус также служит для предотвращения неправильного обращения / разборки упаковки конечным пользователем.
   2. Для систем с недоступными батареями упаковка обычно заключена в термоусадочную пленку. В этом случае на термоусадочную пленку, как правило, нельзя полагаться ни при каком уровне противопожарной защиты.
4. Хранить вдали от источников тепла: Батарейный блок следует размещать вдали от тепловыделяющих компонентов внутри системы или зарядного устройства. Температурный выход из строя свежих литиевых элементов обычно происходит при температуре 130–170 ° C.[2] Несмотря на то, что он находится далеко от типичной рабочей температуры 60 ° C, сочетание высокой скорости разряда (большой внутренний нагрев), высокой SoC, близости к источнику (-ам) тепла и / или стареющих элементов может привести к неожиданному термическому воздействию. побег из-под контроля.
5. Предотвращение падений и внезапных ударов: Используйте прочный фиксирующий механизм для предотвращения выброса аккумуляторной батареи при падении оборудования или при внезапном ударе.
6. Предотвращение внешних коротких замыканий и обратной полярности: Используйте такую ​​конструкцию клемм, которая исключает возможность короткого замыкания клемм посторонними металлическими предметами, такими как ожерелья, скрепки, шпильки и т. Д.Используйте механизм «ключ» (встроенный в корпус и / или соединитель с ключом), чтобы предотвратить установку аккумуляторных блоков в обратном направлении. Проверьте, имеет ли выбранный аккумуляторный блок встроенную защиту от обратной полярности. Если нет, подумайте о добавлении схемы защиты от обратной полярности.
7. Оставьте достаточно места и обеспечьте вентиляцию внутри аккумуляторного отсека: Неисправный элемент часто генерирует избыточный газ внутри корпуса элемента. Эти газы необходимо удалить, чтобы снизить внутреннее давление и температуру ячейки.Идеально герметичный батарейный отсек улавливает выбрасываемые газы и препятствует надлежащему сбросу давления в системе. В случае отказа из-за теплового разгона цилиндрические литий-ионные элементы могут также выпускать горячие снаряды сверху или снизу элемента. [3] Чтобы снизить риск распространения теплового разгона на другие ячейки, обеспечьте достаточный зазор между верхом / низом ячеек и корпусом системы или другими компонентами. [4] Литий-полимерные карманные элементы обычно расширяются примерно на 10% по оси Z в течение своего срока службы.Таким образом, батарейный отсек должен иметь как минимум 10-15% (минимум) дополнительной высоты, чтобы учесть это явление. Увеличение клеток мешочка на ~ 10% является нормальным и ожидаемым.
8. Используйте соответствующие материалы ответного разъема: Контактный материал ответного разъема должен соответствовать материалу контактов аккумулятора , чтобы избежать проблем, связанных с истиранием и гальванической коррозией. Для использования на открытом воздухе или в других суровых условиях укажите коррозионно-стойкие контактные материалы, такие как золото, золото-кобальт или золото-никель.[5]

Чтобы обеспечить безопасную реализацию системы, обязательно проконсультируйтесь с GlobTek относительно технических характеристик пакета и дополнительных данных по вашей конкретной системе.

Многоступенчатое зарядное устройство с профилем постоянного тока / постоянного напряжения (CC / CV) является наиболее популярным способом зарядки литиевых батарей. CC / CV обеспечивает быструю зарядку, сохраняя при этом состояние батареи, ограничивая ток (в режиме CC) и предотвращая перезарядку (в режиме CV). Метод зарядки CC / CV помогает избежать нежелательных электрохимических явлений в элементах.Двумя основными параметрами заряда являются ток в режиме CC и заданное напряжение в режиме CV. Эти параметры можно отрегулировать, чтобы сбалансировать емкость элемента, время зарядки и количество ожидаемых циклов зарядки / разрядки.

Следующая информация относится к батареям, в которых используются литиевые элементы с максимальным зарядным напряжением 4,20 В, указанным производителем. Сделайте соответствующие настройки для различного химического состава и напряжения ячеек. Для аккумуляторов без встроенных зарядных устройств следующая информация служит отправной точкой для правильного проектирования.

На рисунке ниже показана упрощенная схема одноэлементного понижающего литий-ионного зарядного устройства. Обратите внимание на его способность определять напряжение в ячейке и ток через нее.

На рисунке ниже показан типичный профиль зарядки разряженного литий-ионного элемента. Примечание. Некоторые зарядные устройства / блоки могут отключать зарядный ток в режиме CV при достижении определенного порогового значения тока (например, 0,05 ° C). Зарядка возобновляется, когда напряжение элемента падает ниже некоторой уставки.Другие зарядные устройства могут постоянно поддерживать полное напряжение заряда за счет непрерывной зарядки.

Напряжение заряда

Максимальное напряжение составляет 4,20 В (± 0,05) x (количество элементов в серии). Зарядка до максимального напряжения (4,20 В) позволяет увеличить запас энергии за счет сокращения циклов зарядки / разрядки. Важно учитывать допустимое отклонение выходного напряжения зарядного устройства, поскольку небольшое превышение максимального напряжения может повлиять на срок службы и состояние элемента (-ов).GlobTek рекомендует для большинства приложений напряжение заряда 4,10 В.

В общем, поддержание SoC выше ~ 70% в течение продолжительных периодов времени увеличивает вероятность лития на аноде. [1] Литиевое покрытие снижает емкость элемента и в тяжелых случаях может привести к внутреннему короткому замыканию (ям). Для резервных или резервных приложений максимальное рекомендуемое напряжение заряда составляет 3,95 В, что соответствует примерно 70% SoC для типичных литий-ионных элементов. Если для резервных приложений требуется большее напряжение элемента или емкость, батарею следует регулярно разряжать до уровня ниже 40% SoC, чтобы удалить литий с анода, устраняя многие из неблагоприятных эффектов.Несоблюдение регулярной разрядки приведет к необратимому повреждению клеток.

Ток заряда

Максимальный уровень заряда для большинства цилиндрических (литий-ионных) и карманных (литий-полимерных) элементов составляет 0,5 ° C. GlobTek рекомендует 0,2C для некоторых ячеек. Некоторые ячейки могут допускать до 1.0C. Пожалуйста, проверьте соответствующие характеристики рассматриваемого аккумуляторного блока. Подобно напряжению заряда, ток заряда также может влиять на ожидаемый срок службы и доступную емкость аккумуляторной батареи.Кроме того, более высокий зарядный ток вызывает больший внутренний нагрев, поэтому во время зарядки важно учитывать температуру окружающей среды.

Для глубоко разряженного элемента с напряжением 3,0 В или менее настоятельно рекомендуется ток предварительной зарядки, равный или менее 0,1 С.

Свяжитесь с GlobTek для получения информации о импульсной зарядке.

Температура зарядки

Аккумуляторы следует заряжать при температуре от + 10 ° C до + 45 ° C.

Ток разряда

Установившийся ток не должен превышать 1.0C. Свяжитесь с GlobTek для приложений, требующих скорости разряда выше 1,0 ° C.

Температура разряда

Аккумуляторы следует разряжать при температуре от -10 ° C до + 60 ° C. Свяжитесь с GlobTek для приложений за пределами этого диапазона.

Напряжение прекращения разряда

Литиевые батареи не должны разряжаться ниже 3,0 В. Даже если разряд прекращается при 3,0 В, саморазряд может привести к дальнейшему падению напряжения элемента. GlobTek рекомендует постоянную защиту от сбоев, если напряжение элемента упадет до 2.50В. Чрезмерная разрядка может повлиять на работу и безопасность аккумулятора. Оборудуйте устройство механизмом для предотвращения чрезмерной разрядки, особенно в ситуациях, когда пользователь может забыть выключить оборудование.

Батареи следует хранить при комнатной температуре (номинальная 20 ° C) и заряжать до уровня SoC от 30 до 50%. Влажность часто упускают из виду, но она не менее важна. Убедитесь, что влажность поддерживается на уровне 50% или меньше. Проверьте, соответствует ли ваше хранилище этим требованиям, а если нет, подумайте о выделении места для отдельного хранилища литиевых батарей с климат-контролем.

Техническая подзарядка рекомендуется каждые 3 месяца при температуре окружающей среды от -20 до 25 ° C. Рекомендуется подзарядка с интервалом в 1 месяц для температуры окружающей среды от -20 до 60 ° C. Саморазряд увеличивается с повышением температуры. Важно предотвратить чрезмерную разрядку аккумуляторных блоков при хранении. Для каждого цикла обслуживания батареи должны восстанавливаться до SoC от 30 до 50%, как и при первоначальной зарядке перед хранением.

ЛЮБАЯ БАТАРЕЯ ИЛИ АККУМУЛЯТОРНАЯ БАТАРЕЯ, КОТОРАЯ БЫЛА ВЫПАДАНА, ИЛИ ВНЕШНИЙ УДАР ИЛИ ВИБРАЦИЯ, ДОЛЖЕН БЫТЬ ВЫВЕДЕН ИЗ ОБСЛУЖИВАНИЯ НЕМЕДЛЕННО.

Литиевые батареи и элементы могут быть повреждены в результате ударов или вибрации, которые могут быть очень простыми в результате падения на землю. Такая вибрация и удары могут вызвать повреждение внутренней конструкции аккумуляторного элемента (-ов), вызвать нежелательные химические реакции, такие как, но не ограничиваясь, рост дендритов и / или связанной с ним защитной электроники в аккумуляторном блоке, что может привести к катастрофическому отказу, например как возгорание и создают опасность для жизни и имущества. Также рекомендуется перед каждым использованием проверять и подтверждать отсутствие механических повреждений батарей.Это и очень дорого, и очень сложно определить, произошло ли внутреннее повреждение упавшей или поврежденной батареи, и, как правило, наиболее экономично просто вывести такие батареи из эксплуатации.

Всем пользователям аккумуляторов GlobTek настоятельно рекомендуется включать в свое руководство пользователя, руководство по обслуживанию или другую техническую или сервисную литературу четкие инструкции и предупреждения о том, что любая батарея, которая подверглась ЛЮБОМУ удару или вибрации, не предназначенным производителем ( Заказчик GlobTek) должен быть немедленно выведен из эксплуатации, безопасно и законно утилизирован.Также предлагается рассматривать съемные аккумуляторные блоки, такие как те, которые используются в электроинструментах, в пакете системного уровня, который предотвратит их незащищение и защиту при транспортировке (т. Е. Чемодан для переноски, включающий безопасное место для аккумулятора, может предотвратить аккумулятор от «подпрыгивания» пользовательского ящика для инструментов или ремонтной тележки).

Как отмечалось выше, производительность и ожидаемый срок службы батарей в значительной степени зависят от использования батареи.

Аккумуляторные батареи работают, выполняя серию химических реакций «вперед» (разрядить) и «назад» (зарядить). Из-за химической природы батареи количество возможных реакций ограничено. На химическую структуру влияет его использование (заряд / разряд) и различные условия окружающей среды. Если аккумуляторная батарея используется за пределами указанных номиналов, ожидаемый срок службы батареи может сократиться и / или устройство, в котором она используется, может быть повреждено.Если аккумулятор не может поддерживать заряд даже после правильного цикла зарядки, возможно, пришло время заменить аккумулятор. Конечная система может запрашивать параметры, относящиеся к состоянию батареи, используя I2C / SMBUS, для применимых батарейных блоков.

Срок службы аккумулятора можно продлить, если использовать аккумулятор в среднем состоянии заряда, от 30 до 80%. Избегайте сверхбыстрой зарядки и высоких нагрузок.

При экспорте аккумуляторов они, вероятно, будут подвергнуты судебному решению о классификации стратегических продуктов в соответствии с Постановлением о контроле за экспортной торговлей.Пожалуйста, свяжитесь с GlobTek для получения дополнительной информации.

[1] A. H. Z. a. М. В. Кинцио, «Литиевое покрытие в литий-ионных элементах», 2010 г. [Интернет]. Доступно: https://www.nasa.gov/sites/default/files/atoms/files/1-lithium_plating_azimmerman.pdf.

[2] А.В. Голубков, Д. Фукс, Дж. Вагнер, Х. Вильче, К. Штангл, Г. Фаулер, А. Талер и В. Хакер, «Эксперименты по тепловому разгону потребительских литий-ионных аккумуляторов с металлическими электродами. оксидные и оливиновые катоды, RSC Adv., т. 4, 2014

[3] Д.П. Финеган, Э. Дарси, М. Кейзер, Б. Тьяден, ТММ Хин и Р. Джервис, «Определение причины разрыва литий-ионных батарей во время теплового разгона», Advanced Science, том . 5, вып. 1, 2017

[4] Федеральное управление гражданской авиации США, «Резюме исследований FAA, связанных с опасностями, создаваемыми литиевыми элементами при тепловом разгоне в грузовых отсеках самолета», 2016 г.

[5] Дж. Сонг, Л. Ван, А. Зибарт и К. Кох, «Защита от коррозии электропроводящих поверхностей», Металлы, т.2, 2012.

GlobTek не несет ответственности за проблемы, которые возникают при несоблюдении примечаний и мер предосторожности при использовании, перечисленных выше.

ОПАСНО

1. Неправильное использование аккумулятора может привести к его нагреванию, взрыву или возгоранию и причинить серьезную травму. Обязательно соблюдайте правила безопасности, перечисленные ниже:
   1. Не бросайте аккумулятор в огонь и не нагревайте аккумулятор.
   2. Не устанавливайте аккумулятор обратной полярностью.
   3. Не соединяйте положительную и отрицательную клеммы аккумулятора друг с другом металлическими предметами (например, проводом).
   4. Не переносите и не храните батареи вместе с ожерельями, заколками или другими металлическими предметами.
   5. Не протыкайте аккумулятор гвоздями, не ударяйте по аккумулятору молотком, не наступайте на аккумулятор и не подвергайте его другим ударам и сотрясениям h4.
   6. Не припаивайте непосредственно к батарее.
   7. Не подвергайте аккумулятор воздействию воды или соленой воды и не допускайте намокания аккумулятора.
2. Не разбирайте и не модифицируйте аккумулятор. Батарея содержит устройства безопасности и защиты, которые в случае повреждения могут вызвать нагрев батареи, взрыв или воспламенение.
3. Не ставьте аккумулятор на огонь, печи или другие места с высокой температурой или рядом с ними. Не помещайте аккумулятор под прямыми солнечными лучами, а также не используйте и не храните аккумулятор в автомобиле в жаркую погоду. Это может привести к перегреву, взрыву или возгоранию аккумулятора. Подобное использование аккумулятора также может привести к снижению производительности и сокращению ожидаемого срока службы.
4. Не вставляйте аккумулятор в оборудование, предназначенное для герметичного закрытия. В некоторых случаях водород или кислород могут выделяться из элемента, что может привести к разрыву, возгоранию или взрыву.

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ

1. Немедленно прекратите использование аккумулятора, если во время использования, зарядки или хранения аккумулятор издает необычный запах, становится горячим, меняет цвет, форму или выглядит ненормальным иным образом. Свяжитесь с вашим торговым представительством или в GlobTek, если возникнут какие-либо из этих проблем.
2. Не кладите батареи в микроволновые печи, емкости высокого давления или на индукционную посуду.
3. В случае протекания аккумулятора и попадания жидкости в глаза не трите глаза. Хорошо промойте водой и немедленно обратитесь за медицинской помощью. Если не лечить аккумуляторную жидкость, она может повредить глаза.

ВНИМАНИЕ

• Если устройством будут пользоваться маленькие дети, воспитатель должен объяснить детям содержание руководства.Лицо, осуществляющее уход, должно обеспечить надлежащий надзор, чтобы убедиться, что устройство используется, как описано в руководстве пользователя.
• Если батарея изношена, изолируйте клеммы липкой лентой или аналогичными материалами перед утилизацией.

ОПАСНО

Обязательно соблюдайте правила, перечисленные ниже, при зарядке аккумулятора. В противном случае аккумулятор может нагреться, взорваться или воспламениться и стать причиной серьезной травмы.

• При зарядке аккумулятора используйте указанное зарядное устройство или иным образом убедитесь, что условия зарядки аккумулятора, указанные GlobTek, соблюдены.
• Не подключайте батареи к розетке питания или непосредственно к прикуривателю автомобиля.
• Не помещайте батареи в огонь или рядом с ним, а также под прямыми солнечными лучами. Когда аккумулятор нагревается, срабатывает встроенное защитное оборудование, предотвращающее дальнейшую зарядку аккумулятора, а нагрев аккумулятора может разрушить защитное оборудование и вызвать дополнительный нагрев, поломку или возгорание аккумулятора.

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ

Не продолжайте зарядку аккумулятора, если он не заряжается в течение указанного времени зарядки.Это может привести к нагреванию, взрыву или возгоранию аккумулятора.

ВНИМАНИЕ

Диапазон температур, при котором аккумулятор может заряжаться, составляет от 10 ° C до 45 ° C. Зарядка аккумулятора при температурах за пределами этого диапазона может привести к нагреву или поломке аккумулятора. Зарядка батареи за пределами этого диапазона температур также может повлиять на работу батареи или сократить ожидаемый срок службы батареи.

ОПАСНО

Не разряжайте аккумулятор с помощью каких-либо устройств, кроме указанных.Когда аккумулятор используется в устройствах, отличных от указанного, это может привести к снижению производительности аккумулятора или сокращению срока его службы, а если устройство вызывает аномальный ток, это может привести к нагреванию аккумулятора, взрыву или воспламенению. и вызвать серьезную травму.

ВНИМАНИЕ!

Диапазон температур, при котором аккумулятор может разрядиться, составляет от -10 ° C до 60 ° C. Использование батареи за пределами этого температурного диапазона может привести к ухудшению характеристик батареи или сокращению ее срока службы.

Чтобы гарантировать безопасное использование этой батареи, свяжитесь с GlobTek при разработке устройства, которое использует эту батарею. Принятие спецификаций GlobTek и использование продукта, описанного на веб-сайте, а также в технических характеристиках или маркетинговых документах, означает принятие и обязательство клиента с условиями GlobTek, которые заменяют собой все другие соглашения, положения и условия https: // en. globtek.com/terms-and-conditions/

ПОЖАРНАЯ ОПАСНОСТЬ

Литий-ионные батареи по своей природе опасны.Непрерывное использование или зарядка без разряда аккумулятора представляют опасность. Покупатель аккумуляторного продукта (Заказчик) соглашается с тем, что он несет исключительную ответственность за определение пригодности описанного продукта для их применения и принятие мер предосторожности для защиты от любых опасностей, связанных с обращением и использованием продукта, а также ответственность за безопасность и предотвращение катастрофического отказа любой батареи, используемой с этим зарядным устройством. На аккумуляторные блоки или зарядные устройства GlobTek нельзя полагаться в качестве единственного механизма защиты в системе, в которой они используются, без проверки и письменного согласия Принципа GlobTek.

Литий-ионные батареи на заказ — Vertical Partners West LLC

Стандартные и нестандартные аккумуляторы для промышленных и OEM-приложений

являются популярным выбором из-за их надежности, стабильности и длительного срока службы. По сравнению с никелевыми или свинцово-кислотными аккумуляторами литиевые батареи предлагают гораздо более высокую плотность энергии при минимальном техническом обслуживании или его отсутствии, отчасти из-за относительно низкой скорости саморазряда этого типа химии. Благодаря способности быстро заряжаться и разряжаться, химические соединения лития также хорошо подходят для приложений с высокими требованиями к энергии и мощности.Литиевые батареи также являются отличным выбором для устройств, которые требуют приспособления к требованиям по размеру и весу, а также к заданным рабочим температурам и рабочему напряжению.

VPW предлагает широкий ассортимент стандартных литиевых элементов и батарей различных производителей для решения различных задач проекта, а также мы можем разработать элементы и аккумуляторные блоки по индивидуальному заказу в соответствии с вашими критическими проектными параметрами. Распространенные форматы включают цилиндрические ячейки, карманные ячейки и призматические ячейки, каждая из которых имеет свои уникальные преимущества.

Некоторые производные лития, которые предлагает VPW:

• Оксид лития-кобальта (LiCoO2 или LCO)
• Литий-оксид марганца (LiMn2O4)
• Оксид лития, никеля, марганца, кобальта (LiNiMnCoO ₂ или NMC)
• Литий-фосфат железа (LiFePO ₄ )

Схемы защиты и управления аккумулятором

Чтобы повысить безопасность литиевых батарей, а также продлить срок службы, требуется схема защиты для регулирования напряжения и тока в безопасных пределах для конкретного используемого химического состава лития.Цепи защиты также помогают обеспечить соответствие батареи требованиям перевозки литиевых батарей UN38.3. VPW имеет большой опыт работы как с автономными, так и со встроенными схемами защиты, включая базовые PCM (модули схем защиты), а также BMS (системы управления батареями).

PCM — Модули защитных цепей

PCM — это довольно простое и понятное устройство защиты, которое не требует интеграции программного обеспечения, что обеспечивает быструю разработку с минимальными затратами.

Некоторые из функций, доступных для модулей цепи защиты, включают:

• Балансировка ячеек
• Защита от перезарядки и разрядки
• Защита от перегрева (термистор NTC)
• Защита от перегрузки по току и короткого замыкания

BMS — Системы управления батареями
BMS обычно выполняет те же функции защиты, что и PCM, и включает микропроцессор, который позволяет осуществлять дополнительный мониторинг, управление и отчетность по широкому спектру параметров в соответствии с конкретными требованиями заказчика.Благодаря интегрированному программному обеспечению пользователи могут получить доступ в реальном времени к огромному количеству данных с помощью различных протоколов, включая общие шины I2C и CAN, а также многие другие.

В дополнение к функциям PCM, некоторые из функций, доступных для систем управления батареями, включают:

• Измерение и ограничение тока
• Контроль температуры
• Мониторинг заряда и состояния здоровья
• Контроль напряжения
• Контроль внутреннего сопротивления

Батарея Онлайн | Использование литий-ионных батарей в источниках бесперебойного питания

Майкл А.Стаут, вице-президент по техническим вопросам
Falcon Electric, Inc.

Компания Falcon Electric, Inc., занимающаяся производством ИБП, часто спрашивает, почему в отрасли не принято использовать литий-ионные (Li-Ion) батареи в большем количестве продуктов. Литий-ионные батареи имеют гораздо более высокую плотность энергии, что позволяет им быть меньше и весить менее половины эквивалентной свинцово-кислотной батареи с клапанным регулированием (VRLA), которая в настоящее время используется в системах ИБП.

(рис. 1) обеспечивают гораздо более длительное время автономной работы и могут заряжаться быстрее, чем их аналоги из VRLA. К сожалению, литий-ионные аккумуляторные батареи с высокой плотностью энергии имеют ряд проблем, которые не позволяют использовать их в типичных серийных ИБП. В настоящее время, за некоторыми исключениями, их использование ограничено заказными продуктами ИБП, специально разработанными для узкоспециализированных приложений.

При большом количестве сотовых телефонов, компьютеров и электроинструментов, которые сейчас продаются с перезаряжаемыми литий-ионными батареями, может показаться немного странным, что их использование внутри ИБП может стать проблемой.Основными вопросами являются стоимость, безопасность и федеральные нормы. Из-за того, что химический состав литий-ионных аккумуляторов имеет разные уровни опасности, Департамент транспорта (DOT) (в CFR 49, разделы 100–185) разделил уровень регулирования в зависимости от типов первичных и вторичных батарей. Нормы также основаны на уровнях плотности энергии. Другие применимые правила — ООН UN3090 и UN3091.

Первичная батарея — это батарея, которая поставляется полностью заряженной и не подлежит перезарядке.Из-за своего химического состава и высокого уровня заряда, доступного при транспортировке, литий-ионные батареи считаются наиболее опасными. Недавно возникло подозрение, что причиной крушения самолета грузового перевозчика явилось наличие на борту большого количества литиевых первичных батарей.

По имеющимся данным, литиевые первичные батареи не были объявлены опасными материалами. Если литиевые первичные батареи закорочены внутри из-за большого количества накопленной энергии и химического состава, они могут генерировать достаточно тепла, чтобы воспламенить внутренний литий.После воспламенения оставшиеся батареи в картонной коробке или на поддоне воспламеняются. Литиевый огонь тогда будет гореть при достаточно высокой температуре, чтобы прожечь алюминиевый фюзеляж самолета. Кроме того, большинство стандартных огнетушителей или противопожарных систем самолетов бесполезны при пожаре лития из-за его высокой температуры горения.

Вторичные батареи имеют разный химический состав и считаются перезаряжаемыми. Обычно они поставляются от производителя частично заряженными, чтобы сохранить как можно более низкую плотность энергии во время транспортировки.Правила DOT и UN делят вторичные батареи на две основные категории, которые определяются уровнем плотности энергии, содержащейся внутри отдельных элементов или батарей. Батареи, используемые в сотовых телефонах, компьютерах и электроинструментах, обычно относятся к категории с более низкой плотностью энергии и имеют гораздо меньше ограничений при транспортировке; поэтому им разрешено летать на коммерческих авиалайнерах с пассажирами.

Батареи, используемые в типичном ИБП, должны быть способны обеспечивать высокий ток потребления ИБП в течение длительного периода времени.Период времени может составлять от нескольких минут до нескольких часов, в зависимости от приложения. На протяжении многих десятилетий этому требованию удовлетворяли свинцово-кислотные батареи (рис. 2). Его способность обеспечивать высокие требования к току ИБП очень хороша. Однако его соотношение плотности энергии к весу оставляет желать лучшего. Системы ИБП высокой мощности, способные обеспечить несколько часов автономной работы, могут иметь блоки свинцово-кислотных аккумуляторов весом в несколько тонн. Плотность энергии свинцово-кислотных аккумуляторов колеблется от 30 до 50 Вт / час на кг, а для литий-ионных химических аккумуляторов — от 110 до 160 Вт / час на кг.Это означает снижение веса в два-три раза по сравнению с эквивалентной свинцово-кислотной батареей. Это делает литий-ионные батареи пригодными для использования в электромобилях, а также в ИБП.

К сожалению, все поставки ИБП, содержащих литий-ионные батареи с высокой плотностью энергии, блоки батарей или батареи, упакованные внутри ИБП, должны транспортироваться как опасные материалы класса 9 и не могут быть отправлены коммерческими авиалайнерами. Они должны отправляться только наземным транспортом. Это становится очень непрактичным и еще больше увеличивает расходы, связанные с установкой литиевых батарей.

Существуют значительные дополнительные расходы, связанные с внедрением литий-ионных батарей в ИБП. Во-первых, разница в стоимости свинцово-кислотных и литий-ионных аккумуляторов. Батареи VRLA с абсорбированным стеклянным матом (AGM) хорошего качества очень недорогие и легко доступны. Их низкая стоимость — одна из причин, по которой производители ИБП используют их в своей продукции. Стандартная батарея VRLA на 12 В и емкостью 7 Ач, рассчитанная на пятилетний срок службы, обходится производителям ИБП примерно в 9 долларов США. Та же 12-вольтовая литий-фосфатная батарея стоит более 100 долларов, что в десять раз дороже.Если бы типичный сетевой ИБП мощностью 6 кВА имел напряжение аккумуляторной шины 240 В постоянного тока, то потребовалось бы установить 20 отдельных батарей 12 В постоянного тока. Стоимость для производителя свинцово-кислотных аккумуляторов может быть всего 180 долларов, в то время как стоимость эквивалентных литий-ионных аккумуляторов составит 2000 долларов. Этот пример очень консервативен. Изготовленная на заказ система литиевых батарей для того же ИБП мощностью 6 кВА может стоить более 10 000 долларов.

Однако стоимость только литий-ионных батарей не является общей стоимостью, связанной с надлежащей реализацией.Чтобы соответствовать правилам перевозки UN и DOT, необходимо включить соответствующую защиту от перегрузки по току и правильно зарядить литий-ионные батареи. Специализированная интеллектуальная система управления батареями (BMS) должна быть включена в конструкцию ИБП. BMS обычно состоит из узла печатной платы или узлов, содержащих микропроцессорное отслеживание батареи, защиту батареи, управление перезарядкой и схемы выравнивания элементов батареи.

Основная функция BMS — защита аккумулятора от короткого замыкания.Литиевые элементы имеют очень низкое сопротивление элементов и высокую емкость хранения энергии. Короткое замыкание цепочки элементов или батарей может иметь катастрофические последствия и привести к взрыву или возгоранию лития при очень высокой температуре. Типичный процессор BMS контролирует ток батареи и имеет большую схему полупроводникового переключателя, которая может быть разомкнута для предотвращения чрезмерного перегрузки по току. Вторая функция BMS — обеспечить правильную подзарядку литиевых элементов. Элементы могут получать начальный высокоскоростной ток заряда для сокращения времени перезарядки, за которым следует длинное выравнивающее зарядное устройство для элементов, чтобы сбалансировать напряжения элементов с точностью до нескольких милливольт.За выравнивающим зарядом следует отключение напряжения заряда, чтобы предотвратить перезаряд и возможное повреждение элемента. BMS также следит за тем, чтобы напряжение зарядного устройства не снижалось до точки, вызывающей перегрев и возгорание элементов. Стоимость платы BMS значительна и должна быть добавлена ​​к стоимости литий-ионных батарей и ИБП. Поскольку рынок ИБП очень конкурентен, эти дополнительные расходы приведут к удешевлению большинства продуктов ИБП на большинстве рынков, за исключением военных и специализированных научных приложений.Стоимость добавления платы BMS к ИБП может варьироваться от 100 до более чем 1000 долларов.

Чтобы обеспечить непрерывную защиту батарей, система BMS должна быть запитана и постоянно контролировать батареи, независимо от того, включен ли ИБП, выключен, во время транспортировки и хранения. Это представляет проблемы с хранением и неиспользованием. Литий-ионные аккумуляторы имеют очень низкую скорость саморазряда. Однако, когда ИБП не питается от электросети, BMS должна питаться от батарей, которые он защищает. Это увеличивает скорость разряда, что требует более частой подзарядки батарей.В некоторых конструкциях BMS подзарядка происходит каждые несколько месяцев даже во время хранения. Как и свинцово-кислотные батареи, если литий-ионные батареи будут слишком сильно разряжены, они могут получить внутреннее повреждение, требующее их дорогостоящей замены. Их замена может стать еще более дорогостоящей из-за опасностей, связанных с обращением с литий-ионными аккумуляторами большой емкости. Обычно они должны быть заменены обученным заводским персоналом, а ИБП должен быть возвращен производителю целиком.

Федеральные правила также требуют, чтобы все оборудование, содержащее батареи с высоким содержанием лития, подвергалось тщательному тестированию перед отправкой любого оборудования.План тестирования требует, чтобы ИБП подвергались испытаниям в наихудшем случае. Эти испытания предназначены для того, чтобы убедиться, что ИБП имеет встроенные средства защиты, предназначенные для защиты литиевых батарей, а также для обеспечения надлежащих мер безопасности, предотвращающих возгорание во время транспортировки. Второй уровень тестирования проводится с ИБП, упакованным внутри транспортной коробки, включая все связанные с ним упаковочные материалы. Эти испытания включают испытания на вибрацию, удар и падение. Все результаты испытаний проверяются и, если они считаются приемлемыми, подписываются инспектором DOT.После получения этого разрешения все поставки оборудования должны быть отправлены с использованием опасных материалов класса 9 и четко обозначены как содержащие литиевые батареи. Инструкции по обращению должны быть размещены на внешней стороне транспортного контейнера вместе с номером телефона, по которому можно связаться в случае возникновения чрезвычайной ситуации. Персонал отделов отправления и получателя должен быть должным образом обучен обращению с опасными материалами и литиевыми батареями. Также должно быть на месте соответствующее оборудование для пожаротушения.

дает производителю ИБП самые лучшие надежды. Эта технология является одной из самых безопасных по химическому составу литиевых батарей из-за ее улучшенной термической и химической стабильности. В случае неправильного обращения литий-фосфатную батарею гораздо труднее зажечь. У них лучший срок службы, чем у других литий-ионных химических компонентов, и они более пригодны для вторичной переработки. Вторичный фосфат можно использовать в качестве удобрения. Кроме того, в настоящее время существует один производитель литий-фосфатных батарей, который разработал свои батареи с внутренним предохранителем, что устраняет необходимость в схемах защиты BMS.В связи с этим они получили отказ от DOT и могут отправлять батареи без декларации об опасных материалах класса 9. Однако только четыре 12-вольтовые батареи могут быть подключены последовательно без BMS для обеспечения выравнивания. Благодаря характеристикам батарей литий-фосфатного типа, зарядные устройства VRLA, входящие в состав некоторых ИБП, можно использовать без модификации.

В настоящее время затраты, транспортировка и вопросы безопасности, связанные с надлежащей реализацией литий-ионных аккумуляторов большой емкости, исключают их использование в большинстве ИБП и жизнеспособны только на вертикальных рынках, готовых оплачивать дополнительные расходы, связанные с литий-ионными батареями. Ионные батареи.В настоящее время это военные рынки и ограниченное количество научных рынков. Высокая удельная мощность литий-ионной батареи и связанное с этим уменьшение размера и веса аккумуляторной батареи имеют первостепенное значение для более высоких затрат, связанных с ИБП.

Для получения дополнительной информации посетите Falcon Electric, Inc.