Especialistas do setor explicam como configurar um circuito seguro de proteção de baterias de lítio

De acordo com as estatísticas, a demanda global por baterias de íons de lítio atingiu 1,3 bilhão e, com a contínua expansão do escopo de uso, esses dados estão aumentando ano a ano. Por esse motivo, com o rápido aumento na quantidade de baterias de íons de lítio usadas em várias indústrias, o desempenho de segurança das baterias tornou-se cada vez mais proeminente. Não apenas as baterias de íon de lítio precisam ter um excelente desempenho de carga e descarga, mas também um desempenho de segurança mais alto. Então, por que a bateria de íons de lítio pegou fogo ou até explodiu, e existem medidas para se proteger e evitar isso?

A explosão de uma bateria de notebook não está relacionada apenas à tecnologia de processamento das células de bateria de íons de lítio usadas nela, mas também à placa de proteção da bateria embalada na bateria, ao circuito de gerenciamento de carga e descarga do notebook e ao design de dissipação de calor do notebook. O projeto de dissipação de calor irracional e o gerenciamento de carga e descarga dos notebooks superaquecem as células da bateria, o que aumenta muito a atividade das células da bateria e aumenta a probabilidade de explosão e queima.

Composição do material da bateria de íons de lítio e análise de desempenho

Primeiro, vamos dar uma olhada na composição do material das baterias de íons de lítio. O desempenho das baterias de íons de lítio depende da estrutura e do desempenho dos materiais internos usados ​​na bateria. Esses materiais internos da bateria incluem materiais de eletrodos negativos, eletrólitos, separadores e materiais de eletrodos positivos. Entre eles, a seleção e a qualidade dos materiais dos eletrodos positivos e negativos determinam diretamente o desempenho e o preço das baterias de íons de lítio. Portanto, a pesquisa de materiais de eletrodos positivos e negativos baratos e de alto desempenho sempre foi o foco do desenvolvimento da indústria de baterias de íons de lítio.

O material do eletrodo negativo é geralmente feito de material de carbono, e o desenvolvimento atual é relativamente maduro. O desenvolvimento de materiais catódicos tornou-se um fator importante restringindo a melhoria do desempenho da bateria de íon-lítio e a redução do preço. Nas baterias de íon-lítio atualmente comercializadas, o custo do material catódico representa cerca de 40% do custo total da bateria, e a redução do preço do material catódico determina diretamente a redução do preço da bateria de íon-lítio. Isso é especialmente verdadeiro para baterias de íon-lítio com energia de íon-lítio. Por exemplo, uma pequena bateria de íons de lítio para um telefone celular precisa apenas de cerca de 5 gramas de material de eletrodo positivo,

Embora existam muitos tipos de materiais catódicos que teoricamente podem ser usados ​​para baterias de íons de lítio, o principal componente dos materiais catódicos comuns é o LiCoO2. Ao carregar, o potencial aplicado aos dois polos da bateria força os compostos do cátodo a liberar íons de lítio, e as moléculas do ânodo embutido são dispostas em uma estrutura lamelar. em carbono. Durante a descarga, os íons de lítio são precipitados do carbono na estrutura lamelar e se recombinam com o composto do eletrodo positivo. O movimento dos íons de lítio cria uma corrente elétrica. É assim que as baterias de íons de lítio funcionam.

Projeto de gerenciamento de carga e descarga de bateria de íon de lítio

Quando a bateria de íons de lítio é carregada, o potencial aplicado aos dois polos da bateria força o composto do eletrodo positivo a liberar íons de lítio, que estão embutidos no carbono cujas moléculas do eletrodo negativo estão dispostas em uma estrutura lamelar. Durante a descarga, os íons de lítio são precipitados do carbono na estrutura lamelar e se recombinam com o composto do eletrodo positivo. O movimento dos íons de lítio cria uma corrente elétrica. Embora o princípio seja muito simples, no processamento industrial real, há muitos outros problemas práticos a serem considerados: o material do eletrodo positivo precisa de aditivos para manter a atividade de carga e descarga múltipla,

Embora a bateria de íons de lítio tenha as vantagens mencionadas acima, ela possui requisitos relativamente altos no circuito de proteção. Durante o uso, deve ser estritamente protegido contra sobrecarga e descarga excessiva, e a corrente de descarga não deve ser muito grande. De um modo geral, a taxa de descarga não deve ser superior a 0,2C. O processo de carregamento de uma bateria de íons de lítio é mostrado na figura. Em um ciclo de carregamento, a bateria de íons de lítio deve testar a tensão e a temperatura da bateria antes de carregar para determinar se é recarregável. O carregamento é proibido se a tensão ou temperatura da bateria estiver fora da faixa aprovada pelo fabricante. A faixa de voltagem permitida para carregamento é: 2,5V~4,2V por célula.

Segundo as estatísticas, a demanda global por baterias de íons de lítio atingiu 1,3 bilhão e, com a contínua expansão do escopo de uso, esses dados aumentam ano a ano. Por esse motivo, com o rápido aumento na quantidade de baterias de íons de lítio usadas em várias indústrias, o desempenho de segurança das baterias tornou-se cada vez mais proeminente. Não apenas as baterias de íon de lítio precisam ter um excelente desempenho de carga e descarga, mas também um desempenho de segurança mais alto. Então, por que a bateria de íons de lítio pegou fogo ou até explodiu, e existem medidas para se proteger e evitar isso?

A explosão de uma bateria de notebook não está relacionada apenas à tecnologia de processamento das células de bateria de íons de lítio usadas nela, mas também à placa de proteção da bateria embalada na bateria, ao circuito de gerenciamento de carga e descarga do notebook e ao design de dissipação de calor do notebook. O projeto de dissipação de calor irracional e o gerenciamento de carga e descarga dos notebooks superaquecem as células da bateria, o que aumenta muito a atividade das células da bateria e aumenta a probabilidade de explosão e queima.

Composição do material da bateria de íons de lítio e análise de desempenho

Primeiro, vamos dar uma olhada na composição do material das baterias de íons de lítio. O desempenho das baterias de íons de lítio depende da estrutura e do desempenho dos materiais internos usados ​​na bateria. Esses materiais internos da bateria incluem materiais de eletrodos negativos, eletrólitos, separadores e materiais de eletrodos positivos. Entre eles, a seleção e a qualidade dos materiais dos eletrodos positivos e negativos determinam diretamente o desempenho e o preço das baterias de íons de lítio. Portanto, a pesquisa de materiais de eletrodos positivos e negativos baratos e de alto desempenho sempre foi o foco do desenvolvimento da indústria de baterias de íons de lítio.

Bateria de fosfato de ferro de lítio de baixa temperatura 3.2V 20A
Bateria de fosfato de ferro de lítio de baixa temperatura 3.2V 20A
-20℃ carga, -40℃ 3C capacidade de descarga≥70%
Temperatura de carregamento: -20~45℃
-Temperatura de descarga: -40~+55℃
-40℃ suporta taxa máxima de descarga: 3C
-40℃ 3C taxa de retenção da capacidade de descarga≥ 70%

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O material do eletrodo negativo é geralmente feito de material de carbono, e o desenvolvimento atual é relativamente maduro. O desenvolvimento de materiais catódicos tornou-se um fator importante restringindo a melhoria do desempenho da bateria de íon-lítio e a redução do preço. Nas baterias de íon-lítio atualmente comercializadas, o custo do material catódico representa cerca de 40% do custo total da bateria, e a redução do preço do material catódico determina diretamente a redução do preço da bateria de íon-lítio. Isso é especialmente verdadeiro para baterias de íon-lítio com energia de íon-lítio. Por exemplo, uma pequena bateria de íons de lítio para um telefone celular precisa apenas de cerca de 5 gramas de material de eletrodo positivo,

Embora existam muitos tipos de materiais catódicos que teoricamente podem ser usados ​​para baterias de íons de lítio, o principal componente dos materiais catódicos comuns é o LiCoO2. Ao carregar, o potencial aplicado aos dois polos da bateria força os compostos do cátodo a liberar íons de lítio, e as moléculas do ânodo embutido são dispostas em uma estrutura lamelar. em carbono. Durante a descarga, os íons de lítio são precipitados do carbono na estrutura lamelar e se recombinam com o composto do eletrodo positivo. O movimento dos íons de lítio cria uma corrente elétrica. É assim que as baterias de íons de lítio funcionam.

Projeto de gerenciamento de carga e descarga de bateria de íon de lítio

Quando a bateria de íons de lítio é carregada, o potencial aplicado aos dois polos da bateria força o composto do eletrodo positivo a liberar íons de lítio, que estão embutidos no carbono cujas moléculas do eletrodo negativo estão dispostas em uma estrutura lamelar. Durante a descarga, os íons de lítio são precipitados do carbono na estrutura lamelar e se recombinam com o composto do eletrodo positivo. O movimento dos íons de lítio cria uma corrente elétrica. Embora o princípio seja muito simples, no processamento industrial real, há muitos outros problemas práticos a serem considerados: o material do eletrodo positivo precisa de aditivos para manter a atividade de carga e descarga múltipla,

Embora a bateria de íons de lítio tenha as vantagens mencionadas acima, ela possui requisitos relativamente altos no circuito de proteção. Durante o uso, deve ser estritamente protegido contra sobrecarga e descarga excessiva, e a corrente de descarga não deve ser muito grande. De um modo geral, a taxa de descarga não deve ser superior a 0,2C. O processo de carregamento de uma bateria de íons de lítio é mostrado na figura. Em um ciclo de carregamento, a bateria de íons de lítio deve testar a tensão e a temperatura da bateria antes de carregar para determinar se é recarregável. O carregamento é proibido se a tensão ou temperatura da bateria estiver fora da faixa aprovada pelo fabricante. A faixa de voltagem permitida para carregamento é: 2,5V~4,2V por célula.

Alta densidade de energia de baixa temperatura 18650 3350mAh
Baixa temperatura alta densidade de energia 18650 3350mAh
-40℃ 0.5C capacidade de descarga≥60%
Temperatura de carregamento: 0~45℃
Temperatura de descarga: -40~+55℃
Energia específica: 240Wh/kg
-40℃ capacidade de descarga taxa de retenção: 0.5C descarga capacidade≥60%

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Quando a bateria está em descarga profunda, o carregador deve ter um processo de pré-carregamento para que a bateria atenda as condições de carregamento rápido; então, de acordo com a velocidade de carregamento rápida recomendada pelo fabricante da bateria, geralmente 1C, o carregador carregará a bateria com corrente constante, A tensão da bateria aumenta lentamente; uma vez que a tensão da bateria atinge a tensão de terminação definida (geralmente 4,1 V ou 4,2 V), o carregamento de corrente constante é encerrado, a corrente de carregamento decai rapidamente e o carregamento entra no processo de carregamento completo; durante o processo de carregamento completo, a corrente de carregamento Atenue gradualmente até que a taxa de carregamento caia abaixo de C/10 ou quando o tempo de carregamento completo for horas extras, mude para o carregamento de corte superior; quando o carregamento de corte superior, o carregador complementa a bateria com uma corrente de carga muito pequena.

Projeto de circuito de proteção de bateria de íon de lítio

Devido às características químicas da bateria de íons de lítio, durante o uso normal, a reação química interna da conversão mútua de energia elétrica e energia química é realizada, mas sob certas condições, como sobrecarga, descarga excessiva e sobrecorrente, a bateria Uma reação química lateral ocorre no interior. Quando a reação lateral é intensificada, afetará seriamente o desempenho e a vida útil da bateria, e uma grande quantidade de gás pode aparecer, o que fará com que a pressão interna da bateria aumente rapidamente e cause problemas de segurança. Portanto, todas as baterias de íons de lítio devem ser Um circuito de proteção é usado para monitorar efetivamente o estado de carga e descarga da bateria e desligar o circuito de carga e descarga sob certas condições para evitar danos à bateria.

O circuito de proteção da bateria de íon de lítio inclui proteção contra sobrecarga, proteção contra sobrecorrente/curto-circuito e proteção contra descarga excessiva, exigindo proteção contra sobrecarga de alta precisão, baixo consumo de energia do IC de proteção, alta tensão suportável e recarga de zero volt. O artigo a seguir analisará especificamente os princípios, novas funções e requisitos de recursos desses três circuitos de proteção, que são de valor de referência para engenheiros projetarem e desenvolverem circuitos de proteção.

Compartilhamento de caso de projeto de circuito de proteção de bateria de íon de lítio

No projeto do circuito com bateria de íon de lítio como fonte de alimentação, é necessário integrar o sistema de sinal misto cada vez mais complexo em um chip de pequena área, o que inevitavelmente levanta o problema de baixa tensão e baixo consumo de energia para circuitos digitais e analógicos . Nas restrições de consumo de energia e função, como obter o melhor método de projeto também é um foco de pesquisa da tecnologia de gerenciamento de energia atual (powerManagement, pM). Por outro lado, o uso de baterias de íon-lítio também promoveu grandemente o projeto e o desenvolvimento de circuitos de gerenciamento de bateria e proteção de bateria correspondentes. As baterias de íons de lítio devem ter circuitos de controle complexos para proteger efetivamente contra estados de sobrecarga, descarga excessiva e sobrecorrente da bateria.

A partir da tendência de transição de energia de bicicletas elétricas, o método de uso de ultra-baixo consumo de energia e alto desempenho MSp430F20X3 para projetar o circuito de proteção de carga e descarga de baterias de íon de lítio de bicicletas elétricas é discutido. Este método discute todo o processo de projeto a partir de cada detalhe da arquitetura do sistema, circuito de carga e descarga, projeto de circuito de teste e proteção e fornece uma referência mais abrangente para projetistas de fontes de alimentação para bicicletas elétricas.