Expertos de la industria explican cómo configurar un circuito seguro de protección de baterías de litio

Según las estadísticas, la demanda mundial de baterías de iones de litio ha alcanzado los 1.300 millones, y con la expansión continua del ámbito de uso, estos datos aumentan año tras año. Por esta razón, con el rápido aumento en la cantidad de baterías de iones de litio utilizadas en diversas industrias, el rendimiento de seguridad de las baterías se ha vuelto cada vez más importante. No solo se requiere que las baterías de iones de litio tengan un excelente rendimiento de carga y descarga, sino también un mayor rendimiento de seguridad. Entonces, ¿por qué la batería de iones de litio se incendió o incluso explotó? ¿Hay alguna medida para protegerse y prevenirlo?

La explosión de la batería de una computadora portátil no solo está relacionada con la tecnología de procesamiento de las celdas de la batería de iones de litio utilizadas en ella, sino también con la placa de protección de la batería empaquetada en la batería, el circuito de administración de carga y descarga de la computadora portátil y el Diseño de disipación de calor del portátil. El diseño irrazonable de disipación de calor y la gestión de carga y descarga de las computadoras portátiles sobrecalentarán las celdas de la batería, lo que aumenta en gran medida la actividad de las celdas de la batería y aumenta la probabilidad de explosión y quema.

Análisis de rendimiento y composición del material de la batería de iones de litio

Primero, echemos un vistazo a la composición del material de las baterías de iones de litio. El rendimiento de las baterías de iones de litio depende de la estructura y el rendimiento de los materiales internos utilizados en la batería. Estos materiales internos de la batería incluyen materiales de electrodos negativos, electrolitos, separadores y materiales de electrodos positivos. Entre ellos, la selección y la calidad de los materiales de los electrodos positivos y negativos determinan directamente el rendimiento y el precio de las baterías de iones de litio. Por lo tanto, la investigación sobre materiales de electrodos positivos y negativos baratos y de alto rendimiento siempre ha sido el foco del desarrollo de la industria de las baterías de iones de litio.

El material del electrodo negativo generalmente está hecho de material de carbono y el desarrollo actual es relativamente maduro. El desarrollo de materiales de cátodo se ha convertido en un factor importante que restringe la mejora adicional del rendimiento de la batería de iones de litio y la reducción adicional del precio. En las baterías de iones de litio comercializadas actualmente, el costo del material del cátodo representa aproximadamente el 40 % del costo total de la batería, y la reducción en el precio del material del cátodo determina directamente la reducción en el precio de la batería de iones de litio. Esto es especialmente cierto para las baterías de iones de litio con energía de iones de litio. Por ejemplo, una pequeña batería de iones de litio para un teléfono móvil solo necesita unos 5 gramos de material de electrodo positivo,

Aunque hay muchos tipos de materiales de cátodo que teóricamente pueden usarse para baterías de iones de litio, el componente principal de los materiales de cátodo comunes es LiCoO2. Al cargar, el potencial aplicado a los dos polos de la batería obliga a los compuestos del cátodo a liberar iones de litio, y las moléculas del ánodo incrustado se disponen en una estructura laminar. en carbono. Durante la descarga, los iones de litio se precipitan del carbono en la estructura laminar y se recombinan con el compuesto del electrodo positivo. El movimiento de los iones de litio crea una corriente eléctrica. Así funcionan las baterías de iones de litio.

Diseño de gestión de carga y descarga de batería de iones de litio

Cuando la batería de iones de litio está cargada, el potencial aplicado a los dos polos de la batería obliga al compuesto del electrodo positivo a liberar iones de litio, que están incrustados en el carbono cuyas moléculas del electrodo negativo están dispuestas en una estructura laminar. Durante la descarga, los iones de litio se precipitan del carbono en la estructura laminar y se recombinan con el compuesto del electrodo positivo. El movimiento de los iones de litio crea una corriente eléctrica. Aunque el principio es muy simple, en el procesamiento industrial real, hay muchos más problemas prácticos a considerar: el material del electrodo positivo necesita aditivos para mantener la actividad de carga y descarga múltiple,

Aunque la batería de iones de litio tiene las ventajas mencionadas anteriormente, tiene requisitos relativamente altos en el circuito de protección. Durante el uso, debe protegerse estrictamente contra sobrecargas y sobredescargas, y la corriente de descarga no debe ser demasiado grande. En términos generales, la tasa de descarga no debe ser superior a 0,2C. El proceso de carga de una batería de iones de litio se muestra en la figura. En un ciclo de carga, la batería de iones de litio debe probar el voltaje y la temperatura de la batería antes de cargarla para determinar si es recargable. La carga está prohibida si el voltaje o la temperatura de la batería están fuera del rango aprobado por el fabricante. El rango de voltaje permitido para la carga es: 2,5 V~4,2 V por celda.

Según las estadísticas, la demanda mundial de baterías de iones de litio ha alcanzado los 1300 millones, y con la continua expansión del ámbito de uso, esta cifra aumenta año tras año. Por esta razón, con el rápido aumento en la cantidad de baterías de iones de litio utilizadas en diversas industrias, el rendimiento de seguridad de las baterías se ha vuelto cada vez más importante. No solo se requiere que las baterías de iones de litio tengan un excelente rendimiento de carga y descarga, sino también un mayor rendimiento de seguridad. Entonces, ¿por qué la batería de iones de litio se incendió o incluso explotó? ¿Hay alguna medida para protegerse y prevenirlo?

La explosión de la batería de una computadora portátil no solo está relacionada con la tecnología de procesamiento de las celdas de la batería de iones de litio utilizadas en ella, sino también con la placa de protección de la batería empaquetada en la batería, el circuito de administración de carga y descarga de la computadora portátil y el Diseño de disipación de calor del portátil. El diseño irrazonable de disipación de calor y la gestión de carga y descarga de las computadoras portátiles sobrecalentarán las celdas de la batería, lo que aumenta en gran medida la actividad de las celdas de la batería y aumenta la probabilidad de explosión y quema.

Análisis de rendimiento y composición del material de la batería de iones de litio

Primero, echemos un vistazo a la composición del material de las baterías de iones de litio. El rendimiento de las baterías de iones de litio depende de la estructura y el rendimiento de los materiales internos utilizados en la batería. Estos materiales internos de la batería incluyen materiales de electrodos negativos, electrolitos, separadores y materiales de electrodos positivos. Entre ellos, la selección y la calidad de los materiales de los electrodos positivos y negativos determinan directamente el rendimiento y el precio de las baterías de iones de litio. Por lo tanto, la investigación sobre materiales de electrodos positivos y negativos baratos y de alto rendimiento siempre ha sido el foco del desarrollo de la industria de las baterías de iones de litio.

Batería de fosfato de hierro y litio de baja temperatura 3,2 V 20A
Batería de fosfato de hierro y litio de baja temperatura 3,2 V 20A
-20 ℃ de carga, -40 ℃ Capacidad de descarga 3C≥70 %
Temperatura de carga: -20~45 ℃
-Temperatura de descarga: -40~+55 ℃
-40 ℃ Tasa de descarga máxima compatible: 3C
-40 ℃ Tasa de retención de capacidad de descarga 3C≥ 70%

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El material del electrodo negativo generalmente está hecho de material de carbono y el desarrollo actual es relativamente maduro. El desarrollo de materiales de cátodo se ha convertido en un factor importante que restringe la mejora adicional del rendimiento de la batería de iones de litio y la reducción adicional del precio. En las baterías de iones de litio comercializadas actualmente, el costo del material del cátodo representa aproximadamente el 40 % del costo total de la batería, y la reducción en el precio del material del cátodo determina directamente la reducción en el precio de la batería de iones de litio. Esto es especialmente cierto para las baterías de iones de litio con energía de iones de litio. Por ejemplo, una pequeña batería de iones de litio para un teléfono móvil solo necesita unos 5 gramos de material de electrodo positivo,

Aunque hay muchos tipos de materiales de cátodo que teóricamente pueden usarse para baterías de iones de litio, el componente principal de los materiales de cátodo comunes es LiCoO2. Al cargar, el potencial aplicado a los dos polos de la batería obliga a los compuestos del cátodo a liberar iones de litio, y las moléculas del ánodo incrustado se disponen en una estructura laminar. en carbono. Durante la descarga, los iones de litio se precipitan del carbono en la estructura laminar y se recombinan con el compuesto del electrodo positivo. El movimiento de los iones de litio crea una corriente eléctrica. Así funcionan las baterías de iones de litio.

Diseño de gestión de carga y descarga de batería de iones de litio

Cuando la batería de iones de litio está cargada, el potencial aplicado a los dos polos de la batería obliga al compuesto del electrodo positivo a liberar iones de litio, que están incrustados en el carbono cuyas moléculas del electrodo negativo están dispuestas en una estructura laminar. Durante la descarga, los iones de litio se precipitan del carbono en la estructura laminar y se recombinan con el compuesto del electrodo positivo. El movimiento de los iones de litio crea una corriente eléctrica. Aunque el principio es muy simple, en el procesamiento industrial real, hay muchos más problemas prácticos a considerar: el material del electrodo positivo necesita aditivos para mantener la actividad de carga y descarga múltiple,

Aunque la batería de iones de litio tiene las ventajas mencionadas anteriormente, tiene requisitos relativamente altos en el circuito de protección. Durante el uso, debe protegerse estrictamente contra sobrecargas y sobredescargas, y la corriente de descarga no debe ser demasiado grande. En términos generales, la tasa de descarga no debe ser superior a 0,2C. El proceso de carga de una batería de iones de litio se muestra en la figura. En un ciclo de carga, la batería de iones de litio debe probar el voltaje y la temperatura de la batería antes de cargarla para determinar si es recargable. La carga está prohibida si el voltaje o la temperatura de la batería están fuera del rango aprobado por el fabricante. El rango de voltaje permitido para la carga es: 2,5 V~4,2 V por celda.

Densidad de alta energía de baja temperatura 18650 3350mAh
Alta densidad de energía a baja temperatura 18650 3350mAh
-40 ℃ 0.5C capacidad de descarga≥60 %
Temperatura de carga: 0~45 ℃
Temperatura de descarga: -40~+55 ℃
Energía específica: 240 Wh/kg
-40 ℃ tasa de retención de capacidad de descarga: 0.5C descarga capacidad≥60%

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Cuando la batería está en descarga profunda, el cargador debe tener un proceso de precarga para que la batería cumpla con las condiciones de carga rápida; luego, de acuerdo con la velocidad de carga rápida recomendada por el fabricante de la batería, generalmente 1C, el cargador cargará la batería con corriente constante. El voltaje de la batería aumenta lentamente; una vez que el voltaje de la batería alcanza el voltaje de terminación establecido (generalmente 4,1 V o 4,2 V), la carga de corriente constante finaliza, la corriente de carga decae rápidamente y la carga ingresa al proceso de carga completo; durante el proceso de carga completa, la corriente de carga se atenúa gradualmente hasta que la tasa de carga cae por debajo de C/10 o cuando el tiempo de carga completa es extra, cambia a la carga de corte superior; cuando la carga de corte superior, el cargador complementa la batería con una corriente de carga muy pequeña.

Diseño del circuito de protección de la batería de iones de litio

Debido a las características químicas de la batería de iones de litio, durante el uso normal, se lleva a cabo la reacción química interna de conversión mutua de energía eléctrica y energía química, pero bajo ciertas condiciones, como sobrecarga, sobredescarga y sobrecorriente, la batería En el interior se produce una reacción química secundaria. Cuando la reacción lateral se intensifica, afectará seriamente el rendimiento y la vida útil de la batería, y puede aparecer una gran cantidad de gas, lo que hará que la presión interna de la batería aumente rápidamente y cause problemas de seguridad. Por lo tanto, todas las baterías de iones de litio deben ser Se utiliza un circuito de protección para monitorear de manera efectiva el estado de carga y descarga de la batería, y apagar el circuito de carga y descarga bajo ciertas condiciones para evitar daños a la batería.

El circuito de protección de la batería de iones de litio incluye protección contra sobrecarga, protección contra sobrecorriente/cortocircuito y protección contra sobrecarga, lo que requiere protección contra sobrecarga de alta precisión, bajo consumo de energía del IC de protección, alto voltaje de resistencia y capacidad de recarga de cero voltios. El siguiente artículo analizará específicamente los principios, las nuevas funciones y los requisitos de características de estos tres circuitos de protección, que son de valor de referencia para que los ingenieros diseñen y desarrollen circuitos de protección.

Compartición de casos de diseño de circuito de protección de batería de iones de litio

En el diseño del circuito con batería de iones de litio como fuente de alimentación, se requiere integrar el sistema de señal mixta cada vez más complejo en un chip de área pequeña, lo que inevitablemente plantea el problema del bajo voltaje y el bajo consumo de energía para circuitos digitales y analógicos. . En las limitaciones del consumo de energía y la función, cómo obtener el mejor método de diseño también es un foco de investigación de la tecnología actual de administración de energía (powerManagement, pM). Por otro lado, el uso de baterías de iones de litio también ha promovido en gran medida el diseño y desarrollo de los circuitos correspondientes de gestión y protección de baterías. Las baterías de iones de litio deben tener circuitos de control complejos para proteger eficazmente contra estados de sobrecarga, sobredescarga y sobrecorriente de la batería.

A partir de la tendencia de transición energética de las bicicletas eléctricas, se analiza el método de uso de ultra bajo consumo de energía y alto rendimiento MSp430F20X3 para diseñar el circuito de protección de carga y descarga de la batería de iones de litio de las bicicletas eléctricas. Este método analiza todo el proceso de diseño desde cada detalle de la arquitectura del sistema, el circuito de carga y descarga, el diseño del circuito de prueba y protección, y proporciona una referencia más completa para los diseñadores de fuentes de alimentación para bicicletas eléctricas.