Brancheninsider erklären, wie man eine sichere Lithium-Batterie-Schutzschaltung aufbaut

Laut Statistik hat die weltweite Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien 1,3 Milliarden erreicht, und mit der kontinuierlichen Erweiterung des Anwendungsbereichs steigen diese Daten von Jahr zu Jahr. Aus diesem Grund ist mit der raschen Zunahme der Menge an Lithium-Ionen-Batterien, die in verschiedenen Industrien verwendet werden, die Sicherheitsleistung von Batterien immer wichtiger geworden. Nicht nur Lithium-Ionen-Batterien müssen eine hervorragende Lade- und Entladeleistung aufweisen, sondern auch eine höhere Sicherheitsleistung. Warum hat dann die Lithium-Ionen-Batterie Feuer gefangen oder ist sogar explodiert, und gibt es Maßnahmen zum Schutz und zur Vorbeugung?

Die Explosion eines Notebook-Akkus hängt nicht nur mit der Verarbeitungstechnologie der darin verwendeten Lithium-Ionen-Akkuzellen zusammen, sondern auch mit der im Akku verpackten Akkuschutzplatine, der Lade- und Entlademanagementschaltung des Notebook-Computers und der Wärmeableitungsdesign des Notebooks. Das unangemessene Wärmeableitungsdesign und das Lade- und Entlademanagement von Notebook-Computern überhitzen die Batteriezellen, was die Aktivität der Batteriezellen stark erhöht und die Wahrscheinlichkeit einer Explosion und Verbrennung erhöht.

Materialzusammensetzung und Leistungsanalyse von Lithium-Ionen-Batterien

Werfen wir zunächst einen Blick auf die Materialzusammensetzung von Lithium-Ionen-Batterien. Die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien hängt von der Struktur und Leistung der in der Batterie verwendeten internen Materialien ab. Diese batterieinternen Materialien umfassen negative Elektrodenmaterialien, Elektrolyte, Separatoren und positive Elektrodenmaterialien. Unter anderem bestimmen die Auswahl und Qualität der positiven und negativen Elektrodenmaterialien direkt die Leistung und den Preis von Lithium-Ionen-Batterien. Daher stand die Erforschung billiger und leistungsfähiger positiver und negativer Elektrodenmaterialien schon immer im Fokus der Entwicklung der Lithium-Ionen-Batterieindustrie.

Das negative Elektrodenmaterial besteht im Allgemeinen aus Kohlenstoffmaterial, und die aktuelle Entwicklung ist relativ ausgereift. Die Entwicklung von Kathodenmaterialien ist zu einem wichtigen Faktor geworden, der die weitere Verbesserung der Leistung von Lithium-Ionen-Batterien und die weitere Reduzierung des Preises einschränkt. Bei den gegenwärtig kommerzialisierten Lithium-Ionen-Batterien machen die Kosten des Kathodenmaterials etwa 40 % der gesamten Batteriekosten aus, und die Reduzierung des Preises des Kathodenmaterials bestimmt direkt die Reduzierung des Preises der Lithium-Ionen-Batterie. Dies gilt insbesondere für Lithium-Ionen-Power-Lithium-Ionen-Batterien. Beispielsweise benötigt ein kleiner Lithium-Ionen-Akku für ein Mobiltelefon nur etwa 5 Gramm positives Elektrodenmaterial,

Obwohl es viele Arten von Kathodenmaterialien gibt, die theoretisch für Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden können, ist der Hauptbestandteil gängiger Kathodenmaterialien LiCoO2. Beim Laden zwingt das an die beiden Pole der Batterie angelegte Potential die Verbindungen der Kathode, Lithium-Ionen freizusetzen, und die Moleküle der eingebetteten Anode ordnen sich in einer Lamellenstruktur an. in Kohlenstoff. Beim Entladen werden Lithium-Ionen aus dem Kohlenstoff in der Lamellenstruktur ausgefällt und rekombinieren mit der Verbindung der positiven Elektrode. Die Bewegung von Lithium-Ionen erzeugt einen elektrischen Strom. So funktionieren Lithium-Ionen-Akkus.

Lade- und Entlademanagement für Lithium-Ionen-Akkus

Beim Laden der Lithium-Ionen-Batterie zwingt das an die beiden Pole der Batterie angelegte Potential die Verbindung der positiven Elektrode zur Freisetzung von Lithium-Ionen, die in den Kohlenstoff eingebettet sind, dessen Moleküle der negativen Elektrode in einer Lamellenstruktur angeordnet sind. Beim Entladen werden Lithium-Ionen aus dem Kohlenstoff in der Lamellenstruktur ausgefällt und rekombinieren mit der Verbindung der positiven Elektrode. Die Bewegung von Lithium-Ionen erzeugt einen elektrischen Strom. Obwohl das Prinzip sehr einfach ist, gibt es in der tatsächlichen industriellen Verarbeitung viele weitere praktische Probleme zu berücksichtigen: Das Material der positiven Elektrode benötigt Additive, um die Aktivität des mehrfachen Ladens und Entladens aufrechtzuerhalten,

Obwohl die Lithium-Ionen-Batterie die oben genannten Vorteile hat, stellt sie relativ hohe Anforderungen an die Schutzschaltung. Während des Gebrauchs sollte es streng vor Überladung und Tiefentladung geschützt werden, und der Entladestrom sollte nicht zu groß sein. Im Allgemeinen sollte die Entladungsrate nicht größer als 0,2 ° C sein. Der Ladevorgang eines Lithium-Ionen-Akkus ist in der Abbildung dargestellt. In einem Ladezyklus sollte der Lithium-Ionen-Akku vor dem Laden die Spannung und Temperatur des Akkus testen, um festzustellen, ob er wiederaufladbar ist. Das Aufladen ist verboten, wenn die Batteriespannung oder -temperatur außerhalb des vom Hersteller genehmigten Bereichs liegt. Der zum Laden zulässige Spannungsbereich beträgt: 2,5 V bis 4,2 V pro Zelle.

Laut Statistik hat die weltweite Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien 1,3 Milliarden erreicht, und mit der kontinuierlichen Erweiterung des Anwendungsbereichs steigen diese Daten von Jahr zu Jahr. Aus diesem Grund ist mit der raschen Zunahme der Menge an Lithium-Ionen-Batterien, die in verschiedenen Industrien verwendet werden, die Sicherheitsleistung von Batterien immer wichtiger geworden. Nicht nur Lithium-Ionen-Batterien müssen eine hervorragende Lade- und Entladeleistung aufweisen, sondern auch eine höhere Sicherheitsleistung. Warum hat dann die Lithium-Ionen-Batterie Feuer gefangen oder ist sogar explodiert, und gibt es Maßnahmen zum Schutz und zur Vorbeugung?

Die Explosion eines Notebook-Akkus hängt nicht nur mit der Verarbeitungstechnologie der darin verwendeten Lithium-Ionen-Akkuzellen zusammen, sondern auch mit der im Akku verpackten Akkuschutzplatine, der Lade- und Entlademanagementschaltung des Notebook-Computers und der Wärmeableitungsdesign des Notebooks. Das unangemessene Wärmeableitungsdesign und das Lade- und Entlademanagement von Notebook-Computern überhitzen die Batteriezellen, was die Aktivität der Batteriezellen stark erhöht und die Wahrscheinlichkeit einer Explosion und Verbrennung erhöht.

Materialzusammensetzung und Leistungsanalyse von Lithium-Ionen-Batterien

Werfen wir zunächst einen Blick auf die Materialzusammensetzung von Lithium-Ionen-Batterien. Die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien hängt von der Struktur und Leistung der in der Batterie verwendeten internen Materialien ab. Diese batterieinternen Materialien umfassen negative Elektrodenmaterialien, Elektrolyte, Separatoren und positive Elektrodenmaterialien. Unter anderem bestimmen die Auswahl und Qualität der positiven und negativen Elektrodenmaterialien direkt die Leistung und den Preis von Lithium-Ionen-Batterien. Daher stand die Erforschung billiger und leistungsfähiger positiver und negativer Elektrodenmaterialien schon immer im Fokus der Entwicklung der Lithium-Ionen-Batterieindustrie.

Niedertemperatur-Lithium-Eisen-Phosphat-Batterie 3,2 V 20 A
Niedertemperatur-Lithium-Eisen-Phosphat-Batterie 3,2 V 20 A
-20℃ Ladung, -40℃ 3C Entladekapazität≥70% Ladetemperatur
: -20~45℃
-Entladetemperatur: -40~+55℃
-40℃ unterstützt maximale Entladerate: 3C
-40℃ 3C Entladekapazität Retention Rate≥ 70%

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Das negative Elektrodenmaterial besteht im Allgemeinen aus Kohlenstoffmaterial, und die aktuelle Entwicklung ist relativ ausgereift. Die Entwicklung von Kathodenmaterialien ist zu einem wichtigen Faktor geworden, der die weitere Verbesserung der Leistung von Lithium-Ionen-Batterien und die weitere Reduzierung des Preises einschränkt. Bei den gegenwärtig kommerzialisierten Lithium-Ionen-Batterien machen die Kosten des Kathodenmaterials etwa 40 % der gesamten Batteriekosten aus, und die Reduzierung des Preises des Kathodenmaterials bestimmt direkt die Reduzierung des Preises der Lithium-Ionen-Batterie. Dies gilt insbesondere für Lithium-Ionen-Power-Lithium-Ionen-Batterien. Beispielsweise benötigt ein kleiner Lithium-Ionen-Akku für ein Mobiltelefon nur etwa 5 Gramm positives Elektrodenmaterial,

Obwohl es viele Arten von Kathodenmaterialien gibt, die theoretisch für Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden können, ist der Hauptbestandteil gängiger Kathodenmaterialien LiCoO2. Beim Laden zwingt das an die beiden Pole der Batterie angelegte Potential die Verbindungen der Kathode, Lithium-Ionen freizusetzen, und die Moleküle der eingebetteten Anode ordnen sich in einer Lamellenstruktur an. in Kohlenstoff. Beim Entladen werden Lithium-Ionen aus dem Kohlenstoff in der Lamellenstruktur ausgefällt und rekombinieren mit der Verbindung der positiven Elektrode. Die Bewegung von Lithium-Ionen erzeugt einen elektrischen Strom. So funktionieren Lithium-Ionen-Akkus.

Lade- und Entlademanagement für Lithium-Ionen-Akkus

Beim Laden der Lithium-Ionen-Batterie zwingt das an die beiden Pole der Batterie angelegte Potential die Verbindung der positiven Elektrode zur Freisetzung von Lithium-Ionen, die in den Kohlenstoff eingebettet sind, dessen Moleküle der negativen Elektrode in einer Lamellenstruktur angeordnet sind. Beim Entladen werden Lithium-Ionen aus dem Kohlenstoff in der Lamellenstruktur ausgefällt und rekombinieren mit der Verbindung der positiven Elektrode. Die Bewegung von Lithium-Ionen erzeugt einen elektrischen Strom. Obwohl das Prinzip sehr einfach ist, gibt es in der tatsächlichen industriellen Verarbeitung viele weitere praktische Probleme zu berücksichtigen: Das Material der positiven Elektrode benötigt Additive, um die Aktivität des mehrfachen Ladens und Entladens aufrechtzuerhalten,

Obwohl die Lithium-Ionen-Batterie die oben genannten Vorteile hat, stellt sie relativ hohe Anforderungen an die Schutzschaltung. Während des Gebrauchs sollte es streng vor Überladung und Tiefentladung geschützt werden, und der Entladestrom sollte nicht zu groß sein. Im Allgemeinen sollte die Entladungsrate nicht größer als 0,2 ° C sein. Der Ladevorgang eines Lithium-Ionen-Akkus ist in der Abbildung dargestellt. In einem Ladezyklus sollte der Lithium-Ionen-Akku vor dem Laden die Spannung und Temperatur des Akkus testen, um festzustellen, ob er wiederaufladbar ist. Das Aufladen ist verboten, wenn die Batteriespannung oder -temperatur außerhalb des vom Hersteller genehmigten Bereichs liegt. Der zum Laden zulässige Spannungsbereich beträgt: 2,5 V bis 4,2 V pro Zelle.

Hohe Energiedichte bei niedriger Temperatur 18650 3350mAh
Hohe Energiedichte bei niedriger Temperatur 18650 3350mAh
-40℃ 0,5C Entladekapazität≥60% Ladetemperatur
: 0~45℃ Entladetemperatur
: -40~+55℃
Spezifische Energie: 240Wh/kg
-40℃ Entladekapazität Halterate: 0,5C Entladung Kapazität≥60%

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Wenn die Batterie tiefentladen ist, muss das Ladegerät einen Vorladevorgang haben, damit die Batterie die Bedingungen des Schnellladens erfüllt; dann, entsprechend der vom Batteriehersteller empfohlenen Schnellladegeschwindigkeit, in der Regel 1C, lädt das Ladegerät die Batterie mit konstantem Strom, die Batteriespannung steigt langsam an; Sobald die Batteriespannung die eingestellte Abschlussspannung erreicht (normalerweise 4,1 V oder 4,2 V), wird das Laden mit konstantem Strom beendet, der Ladestrom fällt schnell ab und der Ladevorgang beginnt mit dem vollständigen Ladevorgang. Während des vollständigen Ladevorgangs wird der Ladestrom allmählich gedämpft, bis die Laderate unter C / 10 fällt, oder wenn die volle Ladezeit überschritten wird, schalten Sie auf die obere Abschaltladung um; Beim Top-Cut-Off-Laden ergänzt das Ladegerät die Batterie mit einem sehr kleinen Ladestrom.

Design der Schutzschaltung für Lithium-Ionen-Batterien

Aufgrund der chemischen Eigenschaften des Lithium-Ionen-Akkus wird während des normalen Gebrauchs die interne chemische Reaktion der gegenseitigen Umwandlung von elektrischer Energie und chemischer Energie durchgeführt, aber unter bestimmten Bedingungen wie Überladung, Tiefentladung und Überstrom wird der Akku beschädigt Im Inneren findet eine chemische Nebenreaktion statt. Wenn die Nebenreaktion verstärkt wird, beeinträchtigt dies die Leistung und Lebensdauer der Batterie ernsthaft, und es kann eine große Menge Gas austreten, wodurch der Innendruck der Batterie schnell ansteigt und Sicherheitsprobleme verursacht. Daher müssen alle Lithium-Ionen-Akkus eine Schutzschaltung verwenden, um den Lade- und Entladezustand der Batterie effektiv zu überwachen und die Lade- und Entladeschaltung unter bestimmten Bedingungen abzuschalten, um eine Beschädigung der Batterie zu verhindern.

Die Lithium-Ionen-Batterieschutzschaltung umfasst Überladeschutz, Überstrom-/Kurzschlussschutz und Überentladeschutz, was einen hochpräzisen Überladeschutz, einen geringen Stromverbrauch des Schutz-IC, eine hohe Spannungsfestigkeit und eine Null-Volt-Wiederaufladbarkeit erfordert. Der folgende Artikel analysiert speziell die Prinzipien, neuen Funktionen und Anforderungen an diese drei Schutzschaltungen, die für Ingenieure als Referenzwert für den Entwurf und die Entwicklung von Schutzschaltungen dienen.

Li-Ionen-Batterie-Schutzschaltung Design Case Sharing

Beim Schaltungsdesign mit Lithium-Ionen-Batterie als Stromversorgung ist es erforderlich, das immer komplexer werdende Mixed-Signal-System in einen kleinflächigen Chip zu integrieren, was zwangsläufig das Problem der niedrigen Spannung und des geringen Stromverbrauchs für digitale und analoge Schaltungen aufwirft . Unter den Einschränkungen von Stromverbrauch und Funktion ist die Frage, wie man die beste Designmethode erhält, auch ein Forschungsschwerpunkt der aktuellen Power-Management-Technologie (PowerManagement, pM). Andererseits hat die Verwendung von Lithium-Ionen-Batterien auch das Design und die Entwicklung entsprechender Batteriemanagement- und Batterieschutzschaltungen stark vorangetrieben. Lithium-Ionen-Batterien müssen komplexe Steuerschaltungen aufweisen, um effektiv vor Überladung, Tiefentladung und Überstromzuständen der Batterie zu schützen.

Aus dem Trend zur Energiewende bei Elektrofahrrädern wird die Methode zur Verwendung von extrem niedrigem Stromverbrauch und hoher Leistung MSp430F20X3 zum Entwerfen der Lade- und Entladeschutzschaltung für Lithium-Ionen-Akkus von Elektrofahrrädern diskutiert. Diese Methode diskutiert den gesamten Designprozess von jedem Detail der Systemarchitektur, Lade- und Entladeschaltung, Test- und Schutzschaltungsdesign und bietet eine umfassendere Referenz für Entwickler von Stromversorgungen für Elektrofahrräder.