Литий-ионные аккумуляторы считаются энергоэффективными, долговечными и надежными источниками питания для широкого спектра электрической техники: от мобильных телефонов до мощных вилочных электропогрузчиков. Однако без надлежащей защиты они могут выйти из-под контроля. Новости про чрезвычайные происшествия периодически напоминают потребителям, что Li—Ion аккумуляторы способны загореться или взорваться. Чтобы такого не произошло, производители применяют:
- электронные защитные модули (РСМ) и платы (PCB);
- блоки защиты аккумулятора (BPU);
- системы управления батареей (BMS).
Наибольшей функциональностью отличается BMS, поскольку содержит микроконтроллер с интегрированным программным обеспечением. По сути она становится «мозгом» литиевой батареи, который контролирует широкий спектр рабочих параметров, связывается с зарядными и потребляющими устройствами.
Актуальные защитные функции
Производители промышленных литий-ионных аккумуляторов стремятся защитить их от:
- короткого замыкания;
- зарядки при переразряде;
- разбалансировки ячеек;
- повышенной, пониженной температуры при заряде, разряде;
- повышенного, пониженного напряжения ячеек;
- неправильного соединения или подключения.
Давайте глубже познакомимся с некоторыми защитными функциями и посмотрим, зачем они нужны.
Защита от внутреннего короткого замыкания
Внутреннее короткое замыкание в литиевом элементе обычно происходит из-за проникновения волокон металлического лития (дендритов) в структуру сепаратора. Такое случается по вине низких температур или быстрой зарядки. Короткое замыкание между электродами вызывает глубокую разрядку элементов, выделение тепла. При перегреве внутренняя структура аккумулятора (особенно сепаратор) может повредиться. В результате случаются выбросы токсичных паров, пожары, даже взрывы. Защитная плата быстро реагирует на большой ток разряда и почти мгновенно отключает аккумулятор.
Защита при переразряде
Литий-ионную батарею в состоянии внутреннего короткого замыкания заряжать крайне опасно. Поскольку переразряд может быть вызван коротким замыканием, то защитная плата запрещает зарядку, если напряжение ячейки опустилось до критического порога. Однако такая функция мешает заряжать исправные, но глубоко разряженные аккумуляторы. Например, если они сильно разрядились из-за неправильного длительного хранения или нахождения на холоде.
Предотвращение разбалансировки
Баланс между аккумуляторными элементами нарушается из-за индивидуальных различий в их емкости и токов утечки. Функция балансировки выравнивает напряжение всех элементов, точечно распределяя зарядный ток или отдельно разряжая элементы с повышенным вольтажом. Это позволяет поддерживать фактическую емкость многоэлементной литий-ионной батареи, продлевает срок службы.
Контроль температуры, напряжения
Эффективность, работоспособность, безопасность литиевой батареи зависят от температуры и напряжения ячеек. Из-за высокой плотности энергии, перегрев ячеек может привести к тепловому разгону. Переохлаждение тоже опасно, поскольку способствует образованию дендритов, быстрому старению аккумулятора. Кроме того, температура влияет на емкость: на холоде подвижность электронов падает, на жаре – увеличивается.
Напряжение Li-Ion элементов напрямую влияет на состояние заряда батареи. Превышение вольтажа может привести к перезарядке, тепловому разгону или быстрой деградации. Непрерывный мониторинг температуры и вольтажа каждой ячейки позволяет предотвратить превышение предельных параметров.