Người trong ngành giải thích cách thiết lập mạch bảo vệ pin lithium an toàn

Theo thống kê, nhu cầu sử dụng pin lithium-ion trên toàn cầu đã lên tới 1,3 tỷ chiếc, và với việc không ngừng mở rộng phạm vi sử dụng, số liệu này đang tăng lên qua từng năm. Vì lý do này, với sự gia tăng nhanh chóng số lượng pin lithium-ion được sử dụng trong các ngành công nghiệp khác nhau, hiệu suất an toàn của pin ngày càng trở nên nổi bật. Không chỉ pin lithium-ion được yêu cầu để có hiệu suất sạc và xả tuyệt vời mà còn phải có hiệu suất an toàn cao hơn. Vậy tại sao pin lithium-ion lại bốc cháy hoặc thậm chí phát nổ, và có biện pháp nào để bảo vệ và ngăn chặn nó không?

Vụ nổ của pin máy tính xách tay không chỉ liên quan đến công nghệ xử lý của các tế bào pin lithium-ion được sử dụng trong đó, mà còn liên quan đến bảng bảo vệ pin được đóng gói trong pin, mạch quản lý sạc và xả của máy tính xách tay và thiết kế tản nhiệt của máy tính xách tay. Việc thiết kế tản nhiệt và quản lý sạc, xả không hợp lý của máy tính xách tay sẽ làm các cell pin quá nóng, làm tăng hoạt động của các cell pin và tăng khả năng cháy nổ.

Phân tích hiệu suất và thành phần vật liệu pin Lithium-ion

Đầu tiên, chúng ta hãy xem xét thành phần vật chất của pin lithium-ion. Hiệu suất của pin lithium-ion phụ thuộc vào cấu trúc và hiệu suất của các vật liệu bên trong được sử dụng trong pin. Các vật liệu bên trong pin này bao gồm vật liệu điện cực âm, chất điện phân, vật liệu phân tách và vật liệu điện cực dương. Trong số đó, việc lựa chọn và chất lượng vật liệu điện cực âm và dương quyết định trực tiếp đến hiệu suất và giá cả của pin lithium-ion. Vì vậy, việc nghiên cứu vật liệu làm điện cực âm dương giá rẻ và hiệu suất cao luôn là trọng tâm trong quá trình phát triển của ngành sản xuất pin lithium-ion.

Vật liệu làm điện cực âm nói chung được làm bằng vật liệu carbon, và sự phát triển hiện nay đã tương đối thuần thục. Sự phát triển của vật liệu catốt đã trở thành một yếu tố quan trọng hạn chế việc cải thiện hơn nữa hiệu suất của pin lithium-ion và giảm giá hơn nữa. Trong các loại pin lithium-ion thương mại hóa hiện nay, chi phí vật liệu làm catốt chiếm khoảng 40% giá thành toàn bộ pin và việc giảm giá vật liệu catốt quyết định trực tiếp đến việc giảm giá thành của pin lithium-ion. Điều này đặc biệt đúng đối với pin lithium-ion điện lithium-ion. Ví dụ, một pin lithium-ion nhỏ cho điện thoại di động chỉ cần khoảng 5 gam vật liệu làm điện cực dương,

Mặc dù về mặt lý thuyết, có nhiều loại vật liệu catốt có thể được sử dụng cho pin lithium-ion, nhưng thành phần chính của vật liệu catốt phổ biến là LiCoO2. Khi sạc, điện thế đặt vào hai cực của pin buộc các hợp chất của cực âm giải phóng các ion liti, và các phân tử của cực dương nhúng được sắp xếp theo cấu trúc hình phiến. bằng carbon. Trong quá trình phóng điện, các ion liti được kết tủa từ cacbon trong cấu trúc phiến và tái kết hợp với hợp chất của điện cực dương. Sự chuyển động của các ion liti tạo ra dòng điện. Đây là cách hoạt động của pin lithium-ion.

Thiết kế quản lý sạc và xả pin Li-ion

Khi pin lithium-ion được sạc, điện thế đặt vào hai cực của pin buộc hợp chất của điện cực dương giải phóng các ion lithium, các ion này được nhúng trong carbon mà các phân tử của điện cực âm được sắp xếp theo cấu trúc hình phiến. Trong quá trình phóng điện, các ion liti được kết tủa từ cacbon trong cấu trúc phiến và tái kết hợp với hợp chất của điện cực dương. Sự chuyển động của các ion liti tạo ra dòng điện. Mặc dù nguyên lý rất đơn giản, trong thực tế chế biến công nghiệp, có nhiều vấn đề thực tế hơn cần được xem xét: vật liệu điện cực dương cần phụ gia để duy trì hoạt động của nhiều lần sạc và phóng điện,

Mặc dù pin lithium-ion có những ưu điểm nêu trên, nhưng nó có yêu cầu tương đối cao về mạch bảo vệ. Trong quá trình sử dụng, cần đề phòng quá tải và phóng điện quá mức, dòng phóng điện không được quá lớn. Nói chung, tốc độ phóng điện không được lớn hơn 0,2C. Quá trình sạc của pin lithium-ion được thể hiện trong hình. Trong một chu kỳ sạc, pin lithium-ion nên kiểm tra điện áp và nhiệt độ của pin trước khi sạc để xác định xem nó có thể sạc lại được hay không. Việc sạc pin bị cấm nếu điện áp hoặc nhiệt độ của pin nằm ngoài phạm vi được nhà sản xuất phê duyệt. Dải điện áp cho phép để sạc là: 2,5V ~ 4,2V trên mỗi cell.

Theo thống kê, nhu cầu sử dụng pin lithium-ion trên toàn cầu đã lên tới 1,3 tỷ và với việc không ngừng mở rộng phạm vi sử dụng, số liệu này đang tăng dần qua từng năm. Vì lý do này, với sự gia tăng nhanh chóng số lượng pin lithium-ion được sử dụng trong các ngành công nghiệp khác nhau, hiệu suất an toàn của pin ngày càng trở nên nổi bật. Không chỉ pin lithium-ion được yêu cầu để có hiệu suất sạc và xả tuyệt vời mà còn phải có hiệu suất an toàn cao hơn. Vậy tại sao pin lithium-ion lại bốc cháy hoặc thậm chí phát nổ, và có biện pháp nào để bảo vệ và ngăn chặn nó không?

Vụ nổ của pin máy tính xách tay không chỉ liên quan đến công nghệ xử lý của các tế bào pin lithium-ion được sử dụng trong đó, mà còn liên quan đến bảng bảo vệ pin được đóng gói trong pin, mạch quản lý sạc và xả của máy tính xách tay và thiết kế tản nhiệt của máy tính xách tay. Việc thiết kế tản nhiệt và quản lý sạc, xả không hợp lý của máy tính xách tay sẽ làm các cell pin quá nóng, làm tăng hoạt động của các cell pin và tăng khả năng cháy nổ.

Phân tích hiệu suất và thành phần vật liệu pin Lithium-ion

Đầu tiên, chúng ta hãy xem xét thành phần vật chất của pin lithium-ion. Hiệu suất của pin lithium-ion phụ thuộc vào cấu trúc và hiệu suất của các vật liệu bên trong được sử dụng trong pin. Các vật liệu bên trong pin này bao gồm vật liệu điện cực âm, chất điện phân, vật liệu phân tách và vật liệu điện cực dương. Trong số đó, việc lựa chọn và chất lượng vật liệu điện cực âm và dương quyết định trực tiếp đến hiệu suất và giá cả của pin lithium-ion. Vì vậy, việc nghiên cứu vật liệu làm điện cực âm dương giá rẻ và hiệu suất cao luôn là trọng tâm trong quá trình phát triển của ngành sản xuất pin lithium-ion.

Pin lithium sắt phosphate nhiệt độ thấp 3.2V 20A
Pin lithium sắt phosphate nhiệt độ thấp 3.2V 20A
-20 ℃ sạc, -40 ℃ 3C khả năng xả ≥70%
Nhiệt độ sạc: -20 ~ 45 ℃
-Nhiệt độ xả: -40 ~ + 55 ℃
-40 ℃ hỗ trợ tốc độ xả tối đa: 3C
-40 ℃ 3C tỷ lệ duy trì khả năng xả ≥ 70%

Nhấp để biết chi tiết
Vật liệu làm điện cực âm nói chung được làm bằng vật liệu carbon, và sự phát triển hiện nay đã tương đối thuần thục. Sự phát triển của vật liệu catốt đã trở thành một yếu tố quan trọng hạn chế việc cải thiện hơn nữa hiệu suất của pin lithium-ion và giảm giá hơn nữa. Trong các loại pin lithium-ion thương mại hóa hiện nay, chi phí vật liệu làm catốt chiếm khoảng 40% giá thành toàn bộ pin và việc giảm giá vật liệu catốt quyết định trực tiếp đến việc giảm giá thành của pin lithium-ion. Điều này đặc biệt đúng đối với pin lithium-ion điện lithium-ion. Ví dụ, một pin lithium-ion nhỏ cho điện thoại di động chỉ cần khoảng 5 gam vật liệu làm điện cực dương,

Mặc dù về mặt lý thuyết, có nhiều loại vật liệu catốt có thể được sử dụng cho pin lithium-ion, nhưng thành phần chính của vật liệu catốt phổ biến là LiCoO2. Khi sạc, điện thế đặt vào hai cực của pin buộc các hợp chất của cực âm giải phóng các ion liti, và các phân tử của cực dương nhúng được sắp xếp theo cấu trúc hình phiến. bằng carbon. Trong quá trình phóng điện, các ion liti được kết tủa từ cacbon trong cấu trúc phiến và tái kết hợp với hợp chất của điện cực dương. Sự chuyển động của các ion liti tạo ra dòng điện. Đây là cách hoạt động của pin lithium-ion.

Thiết kế quản lý sạc và xả pin Li-ion

Khi pin lithium-ion được sạc, điện thế đặt vào hai cực của pin buộc hợp chất của điện cực dương giải phóng các ion lithium, các ion này được nhúng trong carbon mà các phân tử của điện cực âm được sắp xếp theo cấu trúc hình phiến. Trong quá trình phóng điện, các ion liti được kết tủa từ cacbon trong cấu trúc phiến và tái kết hợp với hợp chất của điện cực dương. Sự chuyển động của các ion liti tạo ra dòng điện. Mặc dù nguyên lý rất đơn giản, trong thực tế chế biến công nghiệp, có nhiều vấn đề thực tế hơn cần được xem xét: vật liệu điện cực dương cần phụ gia để duy trì hoạt động của nhiều lần sạc và phóng điện,

Mặc dù pin lithium-ion có những ưu điểm nêu trên, nhưng nó có yêu cầu tương đối cao về mạch bảo vệ. Trong quá trình sử dụng, cần đề phòng quá tải và phóng điện quá mức, dòng phóng điện không được quá lớn. Nói chung, tốc độ phóng điện không được lớn hơn 0,2C. Quá trình sạc của pin lithium-ion được thể hiện trong hình. Trong một chu kỳ sạc, pin lithium-ion nên kiểm tra điện áp và nhiệt độ của pin trước khi sạc để xác định xem nó có thể sạc lại được hay không. Việc sạc pin bị cấm nếu điện áp hoặc nhiệt độ của pin nằm ngoài phạm vi được nhà sản xuất phê duyệt. Dải điện áp cho phép để sạc là: 2,5V ~ 4,2V trên mỗi cell.

Mật độ năng lượng cao ở nhiệt độ thấp 18650 3350mAh
Mật độ năng lượng cao ở nhiệt độ thấp 18650 3350mAh
-40 ℃ Khả năng xả 0,5C ≥ 60%
Nhiệt độ sạc: 0 ~ 45 ℃
Nhiệt độ xả: -40 ~ + 55 ℃
Năng lượng cụ thể: 240Wh / kg
-40 ℃ khả năng xả tốc độ duy trì: xả 0,5C dung lượng≥60%

Nhấp để biết chi tiết
Khi pin cạn kiệt, bộ sạc phải có quá trình sạc trước để pin đáp ứng điều kiện sạc nhanh; sau đó, theo tốc độ sạc nhanh mà nhà sản xuất pin khuyến nghị, thường là 1C, bộ sạc sẽ sạc pin với dòng điện không đổi, Điện áp pin tăng chậm; một khi điện áp pin đạt đến điện áp kết thúc đã đặt (thường là 4,1V hoặc 4,2V), quá trình sạc dòng điện liên tục sẽ bị chấm dứt, dòng điện sạc giảm nhanh chóng và quá trình sạc đi vào quá trình sạc đầy; trong quá trình sạc đầy, dòng sạc sẽ giảm dần cho đến khi tốc độ sạc giảm xuống dưới C / 10 hoặc khi thời gian sạc đầy quá giờ, hãy chuyển sang chế độ sạc cắt trên cùng; khi cắt đầu sạc, bộ sạc bổ sung cho pin một dòng sạc rất nhỏ.

Thiết kế mạch bảo vệ pin Lithium-ion

Do đặc tính hóa học của pin lithium-ion, trong quá trình sử dụng bình thường, phản ứng hóa học bên trong chuyển hóa năng lượng điện và năng lượng hóa học bên trong được thực hiện, nhưng trong một số điều kiện nhất định, chẳng hạn như sạc quá mức, xả quá mức và quá dòng sẽ gây ra pin Một phản ứng phụ hóa học xảy ra bên trong. Khi phản ứng phụ xảy ra mạnh sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu suất và tuổi thọ của pin, lượng khí lớn có thể xuất hiện làm áp suất bên trong pin tăng nhanh và gây ra các vấn đề về an toàn. Vì vậy, tất cả các pin lithium-ion phải là mạch bảo vệ A được sử dụng để theo dõi hiệu quả trạng thái sạc và xả của pin, đồng thời tắt mạch sạc và xả trong một số điều kiện nhất định để tránh làm hỏng pin.

Mạch bảo vệ pin lithium-ion bao gồm bảo vệ quá tải, bảo vệ quá dòng / ngắn mạch và bảo vệ quá tải, yêu cầu bảo vệ quá tải chính xác cao, tiêu thụ điện năng thấp của IC bảo vệ, điện áp chịu đựng cao và khả năng sạc lại bằng 0 vôn. Bài viết dưới đây sẽ phân tích cụ thể nguyên lý, chức năng mới và yêu cầu tính năng của 3 mạch bảo vệ này, có giá trị tham khảo cho các kỹ sư thiết kế và phát triển mạch bảo vệ.

Chia sẻ trường hợp thiết kế mạch bảo vệ pin Li-ion

Trong thiết kế mạch với pin lithium ion làm nguồn cung cấp điện, cần phải tích hợp hệ thống tín hiệu hỗn hợp ngày càng phức tạp hơn vào một chip diện tích nhỏ, điều này chắc chắn làm nảy sinh vấn đề điện áp thấp và tiêu thụ điện năng thấp cho các mạch kỹ thuật số và tương tự. . Trong những hạn chế về tiêu thụ điện năng và chức năng, làm thế nào để có được phương pháp thiết kế tốt nhất cũng là một trọng tâm nghiên cứu của công nghệ quản lý điện năng hiện nay (powerManagement, pM). Mặt khác, việc sử dụng pin lithium-ion cũng đã thúc đẩy rất nhiều việc thiết kế và phát triển các mạch quản lý pin và bảo vệ pin tương ứng. Pin Lithium-ion phải có mạch điều khiển phức tạp để bảo vệ hiệu quả các trạng thái quá tải, quá tải và quá dòng của pin.

Từ xu hướng chuyển đổi năng lượng của xe đạp điện, phương pháp sử dụng điện năng tiêu thụ cực thấp và hiệu suất cao MSp430F20X3 để thiết kế mạch bảo vệ sạc và xả pin lithium-ion của xe đạp điện được thảo luận. Phương pháp này thảo luận về toàn bộ quá trình thiết kế từ mọi chi tiết của kiến ​​trúc hệ thống, mạch sạc và xả, thiết kế mạch thử nghiệm và bảo vệ, đồng thời cung cấp tài liệu tham khảo toàn diện hơn cho các nhà thiết kế bộ nguồn xe đạp điện.