คนในวงการอธิบายวิธีตั้งค่าวงจรป้องกันแบตเตอรี่ลิเธียมอย่างปลอดภัย

ตามสถิติ ความต้องการแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทั่วโลกสูงถึง 1.3 พันล้านครั้ง และด้วยการขยายขอบเขตการใช้งานอย่างต่อเนื่อง ข้อมูลนี้จึงเพิ่มขึ้นทุกปี ด้วยเหตุนี้ ด้วยจำนวนแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ใช้ในอุตสาหกรรมต่างๆ ที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ประสิทธิภาพด้านความปลอดภัยของแบตเตอรี่จึงมีความโดดเด่นมากขึ้น ไม่เพียงแต่ต้องใช้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเพื่อประสิทธิภาพการชาร์จและการคายประจุที่ยอดเยี่ยมเท่านั้น แต่ยังต้องใช้ประสิทธิภาพด้านความปลอดภัยที่สูงขึ้นด้วย แล้วทำไมแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนถึงติดไฟหรือแม้กระทั่งระเบิด และมีมาตรการป้องกันและป้องกันหรือไม่?

การระเบิดของแบตเตอรี่โน้ตบุ๊กไม่เพียงแต่เกี่ยวข้องกับเทคโนโลยีการประมวลผลของเซลล์แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเท่านั้น แต่ยังรวมถึงบอร์ดป้องกันแบตเตอรี่ที่บรรจุอยู่ในแบตเตอรี่ วงจรการจัดการการชาร์จและการคายประจุของคอมพิวเตอร์โน้ตบุ๊ก และ การออกแบบการกระจายความร้อนของโน้ตบุ๊ก การออกแบบการกระจายความร้อนที่ไม่สมเหตุผลและการจัดการการชาร์จและการคายประจุของคอมพิวเตอร์โน้ตบุ๊กจะทำให้เซลล์แบตเตอรี่ร้อนเกินไป ซึ่งจะเพิ่มกิจกรรมของเซลล์แบตเตอรี่อย่างมาก และเพิ่มโอกาสในการระเบิดและการเผาไหม้

องค์ประกอบวัสดุแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนและการวิเคราะห์ประสิทธิภาพ

ก่อนอื่น มาดูองค์ประกอบวัสดุของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนกันก่อน ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนขึ้นอยู่กับโครงสร้างและประสิทธิภาพของวัสดุภายในที่ใช้ในแบตเตอรี่ วัสดุภายในแบตเตอรี่เหล่านี้รวมถึงวัสดุอิเล็กโทรดลบ อิเล็กโทรไลต์ ตัวแยก และวัสดุอิเล็กโทรดบวก ในหมู่พวกเขา การเลือกและคุณภาพของวัสดุอิเล็กโทรดบวกและลบจะกำหนดประสิทธิภาพและราคาของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนโดยตรง ดังนั้นการวิจัยเกี่ยวกับวัสดุอิเล็กโทรดขั้วบวกและขั้วลบราคาถูกและมีประสิทธิภาพสูงจึงเป็นจุดสนใจของการพัฒนาอุตสาหกรรมแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมาโดยตลอด

วัสดุอิเล็กโทรดลบโดยทั่วไปทำจากวัสดุคาร์บอน และการพัฒนาในปัจจุบันค่อนข้างเป็นผู้ใหญ่ การพัฒนาวัสดุแคโทดได้กลายเป็นปัจจัยสำคัญที่จำกัดการปรับปรุงประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนต่อไปและการลดราคาลงอีก ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่จำหน่ายในเชิงพาณิชย์ในปัจจุบัน ต้นทุนของวัสดุแคโทดคิดเป็นประมาณ 40% ของต้นทุนแบตเตอรี่ทั้งหมด และการลดราคาของวัสดุแคโทดจะเป็นตัวกำหนดราคาแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ลดลงโดยตรง โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนพลังงานลิเธียมไอออน ตัวอย่างเช่น แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนขนาดเล็กสำหรับโทรศัพท์มือถือต้องการวัสดุอิเล็กโทรดบวกประมาณ 5 กรัมเท่านั้น

แม้ว่าจะมีวัสดุแคโทดหลายประเภทที่สามารถนำไปใช้ในทางทฤษฎีสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้ แต่ส่วนประกอบหลักของวัสดุแคโทดทั่วไปคือ LiCoO2 เมื่อชาร์จ ศักยภาพที่ใช้กับสองขั้วของแบตเตอรี่จะบังคับให้สารประกอบของแคโทดปล่อยลิเธียมไอออน และโมเลกุลของแอโนดที่ฝังตัวจะถูกจัดเรียงในโครงสร้างแผ่น ในคาร์บอน ในระหว่างการคายประจุ ลิเธียมไอออนจะถูกตกตะกอนจากคาร์บอนในโครงสร้างแผ่นลามิเนต และรวมตัวกับสารประกอบของอิเล็กโทรดบวก การเคลื่อนที่ของลิเธียมไอออนทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า นี่คือการทำงานของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

การออกแบบการจัดการการชาร์จและการคายประจุแบตเตอรี่ Li-ion

เมื่อแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนถูกชาร์จ ศักยภาพที่ใช้กับขั้วสองขั้วของแบตเตอรี่จะบังคับให้สารประกอบของอิเล็กโทรดบวกปล่อยไอออนลิเธียมออกมา ซึ่งฝังอยู่ในคาร์บอนซึ่งมีโมเลกุลของอิเล็กโทรดขั้วลบถูกจัดเรียงอยู่ในโครงสร้างแผ่นลามิเนต ในระหว่างการคายประจุ ลิเธียมไอออนจะถูกตกตะกอนจากคาร์บอนในโครงสร้างแผ่นลามิเนต และรวมตัวกับสารประกอบของอิเล็กโทรดบวก การเคลื่อนที่ของลิเธียมไอออนทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า แม้ว่าหลักการจะง่ายมาก แต่ในการประมวลผลทางอุตสาหกรรมจริง มีปัญหาเชิงปฏิบัติอีกมากมายที่ต้องพิจารณา: วัสดุอิเล็กโทรดบวกต้องการสารเติมแต่งเพื่อรักษากิจกรรมของการชาร์จและการคายประจุหลายครั้ง

แม้ว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจะมีข้อดีดังที่กล่าวไว้ข้างต้น แต่ก็มีข้อกำหนดค่อนข้างสูงในวงจรป้องกัน ระหว่างการใช้งาน ควรมีการป้องกันการชาร์จไฟเกินและการคายประจุมากเกินไป และกระแสไฟออกไม่ควรมากเกินไป โดยทั่วไปอัตราการคายประจุไม่ควรเกิน 0.2C กระบวนการชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแสดงอยู่ในรูป ในรอบการชาร์จ แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนควรทดสอบแรงดันไฟและอุณหภูมิของแบตเตอรี่ก่อนชาร์จเพื่อตรวจสอบว่าสามารถชาร์จใหม่ได้หรือไม่ ห้ามชาร์จหากแรงดันไฟแบตเตอรี่หรืออุณหภูมิอยู่นอกช่วงที่ผู้ผลิตอนุมัติ ช่วงแรงดันไฟฟ้าที่อนุญาตสำหรับการชาร์จคือ: 2.5V ~ 4.2V ต่อเซลล์

ตามสถิติ ความต้องการแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทั่วโลกสูงถึง 1.3 พันล้าน และด้วยการขยายขอบเขตการใช้งานอย่างต่อเนื่อง ข้อมูลนี้จึงเพิ่มขึ้นทุกปี ด้วยเหตุนี้ ด้วยจำนวนแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ใช้ในอุตสาหกรรมต่างๆ ที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ประสิทธิภาพด้านความปลอดภัยของแบตเตอรี่จึงมีความโดดเด่นมากขึ้น ไม่เพียงแต่ต้องใช้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเพื่อประสิทธิภาพการชาร์จและการคายประจุที่ยอดเยี่ยมเท่านั้น แต่ยังต้องใช้ประสิทธิภาพด้านความปลอดภัยที่สูงขึ้นด้วย แล้วทำไมแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนถึงติดไฟหรือแม้กระทั่งระเบิด และมีมาตรการป้องกันและป้องกันหรือไม่?

การระเบิดของแบตเตอรี่โน้ตบุ๊กไม่เพียงแต่เกี่ยวข้องกับเทคโนโลยีการประมวลผลของเซลล์แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเท่านั้น แต่ยังรวมถึงบอร์ดป้องกันแบตเตอรี่ที่บรรจุอยู่ในแบตเตอรี่ วงจรการจัดการการชาร์จและการคายประจุของคอมพิวเตอร์โน้ตบุ๊ก และ การออกแบบการกระจายความร้อนของโน้ตบุ๊ก การออกแบบการกระจายความร้อนที่ไม่สมเหตุผลและการจัดการการชาร์จและการคายประจุของคอมพิวเตอร์โน้ตบุ๊กจะทำให้เซลล์แบตเตอรี่ร้อนเกินไป ซึ่งจะเพิ่มกิจกรรมของเซลล์แบตเตอรี่อย่างมาก และเพิ่มโอกาสในการระเบิดและการเผาไหม้

องค์ประกอบวัสดุแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนและการวิเคราะห์ประสิทธิภาพ

ก่อนอื่น มาดูองค์ประกอบวัสดุของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนกันก่อน ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนขึ้นอยู่กับโครงสร้างและประสิทธิภาพของวัสดุภายในที่ใช้ในแบตเตอรี่ วัสดุภายในแบตเตอรี่เหล่านี้รวมถึงวัสดุอิเล็กโทรดลบ อิเล็กโทรไลต์ ตัวแยก และวัสดุอิเล็กโทรดบวก ในหมู่พวกเขา การเลือกและคุณภาพของวัสดุอิเล็กโทรดบวกและลบจะกำหนดประสิทธิภาพและราคาของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนโดยตรง ดังนั้นการวิจัยเกี่ยวกับวัสดุอิเล็กโทรดขั้วบวกและขั้วลบราคาถูกและมีประสิทธิภาพสูงจึงเป็นจุดสนใจของการพัฒนาอุตสาหกรรมแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมาโดยตลอด

แบตเตอรี่ลิเธียมโซเดียมฟอสเฟตอุณหภูมิต่ำ 3.2V 20A
แบตเตอรี่ลิเธียมโซเดียมฟอสเฟตอุณหภูมิต่ำ 3.2V 20A
-20 ℃ ชาร์จ -40 ℃ 3C ปล่อยความจุ≥70%
อุณหภูมิชาร์จ: -20 ~ 45 ℃
-อุณหภูมิดิสชาร์จ: -40 ~ + 55 ℃
-40 ℃ รองรับอัตราการปลดปล่อยสูงสุด: 3C
-40 ℃ 3C ปล่อยความจุความจุ rate≥ 70%

คลิกดูรายละเอียด
วัสดุอิเล็กโทรดลบโดยทั่วไปทำจากวัสดุคาร์บอน และการพัฒนาในปัจจุบันค่อนข้างเป็นผู้ใหญ่ การพัฒนาวัสดุแคโทดได้กลายเป็นปัจจัยสำคัญที่จำกัดการปรับปรุงประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนต่อไปและการลดราคาลงอีก ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่จำหน่ายในเชิงพาณิชย์ในปัจจุบัน ต้นทุนของวัสดุแคโทดคิดเป็นประมาณ 40% ของต้นทุนแบตเตอรี่ทั้งหมด และการลดราคาของวัสดุแคโทดจะเป็นตัวกำหนดราคาแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ลดลงโดยตรง โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนพลังงานลิเธียมไอออน ตัวอย่างเช่น แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนขนาดเล็กสำหรับโทรศัพท์มือถือต้องการวัสดุอิเล็กโทรดบวกประมาณ 5 กรัมเท่านั้น

แม้ว่าจะมีวัสดุแคโทดหลายประเภทที่สามารถนำไปใช้ในทางทฤษฎีสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้ แต่ส่วนประกอบหลักของวัสดุแคโทดทั่วไปคือ LiCoO2 เมื่อชาร์จ ศักยภาพที่ใช้กับสองขั้วของแบตเตอรี่จะบังคับให้สารประกอบของแคโทดปล่อยลิเธียมไอออน และโมเลกุลของแอโนดที่ฝังตัวจะถูกจัดเรียงในโครงสร้างแผ่น ในคาร์บอน ในระหว่างการคายประจุ ลิเธียมไอออนจะถูกตกตะกอนจากคาร์บอนในโครงสร้างแผ่นลามิเนต และรวมตัวกับสารประกอบของอิเล็กโทรดบวก การเคลื่อนที่ของลิเธียมไอออนทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า นี่คือการทำงานของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

การออกแบบการจัดการการชาร์จและการคายประจุแบตเตอรี่ Li-ion

เมื่อแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนถูกชาร์จ ศักยภาพที่ใช้กับขั้วสองขั้วของแบตเตอรี่จะบังคับให้สารประกอบของอิเล็กโทรดบวกปล่อยไอออนลิเธียมออกมา ซึ่งฝังอยู่ในคาร์บอนซึ่งมีโมเลกุลของอิเล็กโทรดขั้วลบถูกจัดเรียงอยู่ในโครงสร้างแผ่นลามิเนต ในระหว่างการคายประจุ ลิเธียมไอออนจะถูกตกตะกอนจากคาร์บอนในโครงสร้างแผ่นลามิเนต และรวมตัวกับสารประกอบของอิเล็กโทรดบวก การเคลื่อนที่ของลิเธียมไอออนทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า แม้ว่าหลักการจะง่ายมาก แต่ในการประมวลผลทางอุตสาหกรรมจริง มีปัญหาเชิงปฏิบัติอีกมากมายที่ต้องพิจารณา: วัสดุอิเล็กโทรดบวกต้องการสารเติมแต่งเพื่อรักษากิจกรรมของการชาร์จและการคายประจุหลายครั้ง

แม้ว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจะมีข้อดีดังที่กล่าวไว้ข้างต้น แต่ก็มีข้อกำหนดค่อนข้างสูงในวงจรป้องกัน ระหว่างการใช้งาน ควรมีการป้องกันการชาร์จไฟเกินและการคายประจุมากเกินไป และกระแสไฟออกไม่ควรมากเกินไป โดยทั่วไปอัตราการคายประจุไม่ควรเกิน 0.2C กระบวนการชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแสดงอยู่ในรูป ในรอบการชาร์จ แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนควรทดสอบแรงดันไฟและอุณหภูมิของแบตเตอรี่ก่อนชาร์จเพื่อตรวจสอบว่าสามารถชาร์จใหม่ได้หรือไม่ ห้ามชาร์จหากแรงดันไฟแบตเตอรี่หรืออุณหภูมิอยู่นอกช่วงที่ผู้ผลิตอนุมัติ ช่วงแรงดันไฟฟ้าที่อนุญาตสำหรับการชาร์จคือ: 2.5V ~ 4.2V ต่อเซลล์

อุณหภูมิต่ำความหนาแน่นพลังงานสูง 18650 3350mAh
อุณหภูมิต่ำความหนาแน่นของพลังงานสูง 18650 3350mAh
-40 ℃ 0.5C ปล่อยความจุ≥60%
อุณหภูมิการชาร์จ: 0 ~ 45 ℃
อุณหภูมิการคายประจุ: -40 ~ + 55 ℃
พลังงานเฉพาะ: 240Wh/kg
-40 ℃ อัตราการเก็บรักษาความจุปล่อย: 0.5C ปล่อย ความจุ≥60%

คลิกเพื่อดูรายละเอียด
เมื่อแบตเตอรี่หมดประจุ เครื่องชาร์จต้องมีกระบวนการชาร์จล่วงหน้าเพื่อให้แบตเตอรี่เป็นไปตามเงื่อนไขการชาร์จอย่างรวดเร็ว ตามความเร็วในการชาร์จอย่างรวดเร็วที่แนะนำโดยผู้ผลิตแบตเตอรี่ โดยทั่วไป 1C เครื่องชาร์จจะชาร์จแบตเตอรี่ด้วยกระแสไฟคงที่ แรงดันแบตเตอรี่จะเพิ่มขึ้นอย่างช้าๆ เมื่อแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ถึงแรงดันไฟฟ้าที่สิ้นสุดที่ตั้งไว้ (โดยปกติคือ 4.1V หรือ 4.2V) การชาร์จแบบคงที่ในปัจจุบันจะสิ้นสุดลง กระแสไฟชาร์จจะลดลงอย่างรวดเร็ว และการชาร์จจะเข้าสู่กระบวนการชาร์จเต็ม ในระหว่างกระบวนการชาร์จเต็ม กระแสไฟชาร์จจะค่อยๆ ลดทอนลงจนกว่าอัตราการชาร์จจะลดลงต่ำกว่า C/10 หรือเมื่อชาร์จเต็มเวลาทำงานล่วงเวลา ให้เปลี่ยนไปใช้การชาร์จแบบตัดด้านบน เมื่อตัดการชาร์จด้านบน เครื่องชาร์จจะเสริมแบตเตอรี่ด้วยกระแสไฟชาร์จที่น้อยมาก

การออกแบบวงจรป้องกันแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

เนื่องจากลักษณะทางเคมีของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ในระหว่างการใช้งานปกติ ปฏิกิริยาเคมีภายในของการแปลงพลังงานไฟฟ้าและพลังงานเคมีร่วมกันจะดำเนินการ แต่ภายใต้เงื่อนไขบางประการ เช่น การชาร์จไฟเกิน การคายประจุเกิน และกระแสไฟเกินจะทำให้แบตเตอรี่ ปฏิกิริยาข้างเคียงทางเคมีเกิดขึ้นภายใน เมื่อปฏิกิริยาข้างเคียงรุนแรงขึ้น จะส่งผลต่อประสิทธิภาพและอายุการใช้งานของแบตเตอรี่อย่างจริงจัง และอาจมีก๊าซจำนวนมากปรากฏขึ้น ซึ่งจะทำให้แรงดันภายในของแบตเตอรี่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วและก่อให้เกิดปัญหาด้านความปลอดภัย ดังนั้นแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทั้งหมดต้องเป็นวงจรป้องกัน A เพื่อตรวจสอบสถานะการชาร์จและการคายประจุของแบตเตอรี่อย่างมีประสิทธิภาพ และปิดวงจรการชาร์จและการคายประจุภายใต้เงื่อนไขบางประการเพื่อป้องกันความเสียหายต่อแบตเตอรี่

วงจรป้องกันแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนประกอบด้วยการป้องกันการชาร์จไฟเกิน การป้องกันกระแสไฟเกิน/ไฟฟ้าลัดวงจร และการป้องกันการจ่ายไฟเกิน ซึ่งต้องการการป้องกันการชาร์จไฟเกินที่มีความแม่นยำสูง การสิ้นเปลืองพลังงานต่ำของ IC ป้องกัน แรงดันไฟฟ้าที่ทนทานสูง และการชาร์จไฟใหม่เป็นศูนย์โวลต์ บทความต่อไปนี้จะวิเคราะห์หลักการ ฟังก์ชันใหม่ และข้อกำหนดคุณลักษณะของวงจรป้องกันทั้งสามนี้โดยเฉพาะ ซึ่งเป็นค่าอ้างอิงสำหรับวิศวกรในการออกแบบและพัฒนาวงจรป้องกัน

การแชร์เคสการออกแบบวงจรป้องกันแบตเตอรี่ Li-ion

ในการออกแบบวงจรโดยใช้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเป็นแหล่งจ่ายไฟ จำเป็นต้องรวมระบบสัญญาณผสมที่ซับซ้อนมากขึ้นลงในชิปพื้นที่ขนาดเล็ก ซึ่งย่อมทำให้เกิดปัญหาแรงดันไฟฟ้าต่ำและการใช้พลังงานต่ำสำหรับวงจรดิจิตอลและอนาล็อกอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ . ในข้อจำกัดของการใช้พลังงานและการทำงาน วิธีรับวิธีการออกแบบที่ดีที่สุดยังเป็นจุดสนใจในการวิจัยของเทคโนโลยีการจัดการพลังงานในปัจจุบัน (powerManagement, pM) ในทางกลับกัน การใช้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนช่วยส่งเสริมการออกแบบและพัฒนาการจัดการแบตเตอรี่และวงจรป้องกันแบตเตอรี่ที่สอดคล้องกันอย่างมาก แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนต้องมีวงจรควบคุมที่ซับซ้อนเพื่อป้องกันการชาร์จไฟเกิน การคายประจุเกิน และสภาวะกระแสไฟเกินของแบตเตอรี่

จากแนวโน้มการเปลี่ยนผ่านของพลังงานของรถจักรยานไฟฟ้า ได้มีการกล่าวถึงวิธีการใช้พลังงานที่ต่ำมากเป็นพิเศษและ MSp430F20X3 ที่มีประสิทธิภาพสูงในการออกแบบวงจรป้องกันการชาร์จและการคายประจุของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนของจักรยานไฟฟ้า วิธีนี้กล่าวถึงกระบวนการทั้งหมดของการออกแบบจากทุกรายละเอียดของสถาปัตยกรรมระบบ วงจรการชาร์จและการคายประจุ การออกแบบวงจรการทดสอบและการป้องกัน และให้ข้อมูลอ้างอิงที่ครอบคลุมมากขึ้นสำหรับนักออกแบบอุปกรณ์จ่ายไฟรถจักรยานไฟฟ้า