Наблюдения за поведением температуры при заряде и разряде Li-Ion аккумуляторов
Благодаря своей высокой удельной емкости, литий-ионные аккумуляторы постепенно вытесняют свинцовые (SLA) и никель-металл-гидридные (NiMH) из многих стационарных и портативных приложений. Но, по мере создания более мощных литиевых аккумуляторов, все острее встает вопрос управления потоками тепла при заряде и разряде.
Повышение температуры в литий-ионных аккумуляторах всегда было основной проблемой для конструкторов. Для большинства литий-ионных аккумуляторов предельная температура в режиме заряда установлена равной 45 °C, а в режиме разряда – 60 °C. Эти границы можно сдвинуть немого вверх, но ценой будет уменьшение срока службы аккумуляторов. А в худшем случае это может привести к повреждению, или даже воспламенению элементов аккумулятора. Новые аккумуляторы на основе LiFePO4 обещают расширить границы предельных температур заряда и разряда, но ограничения все равно останутся.
Вызывающая нагрев литий-ионных аккумуляторов энергия имеет несколько источников. Во время, как заряда, так и разряда, компоненты электронных схем, расположенные вблизи аккумулятора, отдают тепло в его элементы. Это особенно существенно во время заряда, так как заряд обычно осуществляется от импульсного источника питания с контроллером, который реализует алгоритм CC/CV (заряд постоянным током/постоянным напряжением). Не менее 10% энергии источника питания теряется в виде тепла, которое различными путями, в частности через выводы, передается в аккумулятор. В некоторых схемах заряда КПД не превышает 70%.
Другими источниками тепла являются схемы защиты аккумулятора и указателей уровня заряда. К таким источникам тепла относятся термисторы с положительным температурным коэффициентом (PTC), термопредохранители (TCO – thermal cutoff fuse), электронные предохранители, MOSFET первичной защиты и токовый шунт указателей уровня заряда (Рис. 1). При больших токах нельзя не учитывать и сопротивление никелевых полосок, соединяющих элементы аккумуляторной батареи.
 | |
| Рис. 1. | Источниками тепла внутри аккумулятора являются термистор и термовыключатель, электронный предохранитель, MOSFET в схеме первичной защиты, и токоизмерительный шунт в измерителе уровня заряда. |
| Надписи на рисунке | |
| Overcurrent | Перегрузка по току |
| Overtemperature | Перегрев |
| PTC | Термистор |
| TCO | Термовыключатель |
| Secondary safety | Вторичная защита |
| Non-resistable fuse | Нерезистивный предохранитель |
| Overvoltage protection | Защита от повышенного напряжения |
| Overvoltage | Повышенное напряжение |
| Undervoltage | Пониженное напряжение |
| Unbalance | Разбаланс |
| Protection MPSFETs | MOSFET транзисторы защиты |
| Balancing and primary safеty | Балансировка и первичная защита |
| Shunt | Шунт |
| Capacity and status | Емкость и статус |
| Gas gauge | Измеритель уровня заряда |
Большинство компонентов, через которые проходит ток, имеют резистивный характер. Выделяемое компонентом тепло пропорционально квадрату протекающего через него тока (P = R·I 2 ). При небольших (менее 1 А) токах заряда/разряда на сопротивлениях включенного защитного MOSFET транзистора и токового шунта тепла выделяется немного. Но при больших токах эти сопротивления становятся определяющими. Совсем нередко Li-Ion аккумуляторы отдают ток 10 А, а заряжаются током 5 А. При таких токах даже самое незначительное сопротивление может за несколько часов заряда или разряда внести существенный вклад в повышение температуры аккумулятора.
Взгляд на элементы аккумулятора
Источники тепла, не относящиеся к электронным компонентам, часто не принимают во внимание. Между тем, обладают сопротивлением внутреннее устройство защиты от перегрузки, анод и катод, и через них так же протекает ток, вызванный химическими реакциями в элементах батареи.
Для большинства Li-Ion аккумуляторов производители указывают внутренне сопротивление в диапазоне от 80 до 100 мОм. Это сопротивление может быть серьезным источником тепла, когда заряд и разряд производятся максимальными токами. Сейчас на рынок поставляются аккумуляторы с максимальным током разряда 10C … 20C. (1C – ток, численно равный емкости аккумулятора в А·ч, например для аккумулятора 2400 мА·ч, 1C = 2.4 А). Конечно, тока 20C аккумулятор долго не выдержит, но и за короткое время его температура может повыситься очень сильно.
Почти полностью игнорируются химические реакции в элементах аккумуляторной батареи. Реакция, которая происходит во время заряда ячейки литий-ионной батареи, является эндотермической, т.е., она поглощает тепло. Но в термодинамике не бывает бесплатных обедов, и при разряде тепло выделяется. В 1995 году в Центральном научно-исследовательском институте электроэнергетики (CRIEPI) с помощью калориметра провели классические исследования химических реакций в Li-Ion аккумуляторах. Рисунок 2 взят из доклада, составленного по результатам этих исследований (см. http://criepi.denken.or.jp/en/e_publication/a1996/96seika29.html).
 | |
| Рис. 2. | Реакция, происходящая при заряде Li-Ion аккумуляторов, является эндотермической (A), а при разряде – экзотермической. Обратите внимание, что на последнем этапе разряда выделение температуры резко увеличивается, сигнализируя о быстром росте выходного сопротивления аккумулятора перед наступлением полного разряда. |
| Надписи на рисунке | |
| Charge | Заряд |
| Discharge | Разряд |
| Voltage (V) | Напряжение (В) |
| Cell voltage | Напряжение на ячейке аккумулятора |
| Heat flow (mW) | Тепловой поток (мВт) |
| Time (hours) | Время (час) |
На графике тепловые потоки показаны на фоне цикла заряда одиночного Li-Ion элемента, и следующего за ним цикла разряда. Обозначенный буквой «A», начальный участок графика иллюстрирует эндотермическую природу химической реакции заряда. Область разряда, отмеченная буквой «B», совершенно очевидно, имеет экзотермический характер. Но что интересно, вблизи конца области разряда скорость выделения тепла резко возрастает, что указывает на быстрое увеличение внутреннего сопротивления элемента перед полным разрядом. (Заметим, что заряд и разряд в этих экспериментах выполнялись постоянным током).
Эндотермическая составляющая происходящих в аккумуляторе химических процессов весьма незначительна по сравнению с остальными источниками тепла. В любом случае, преобладающим будет влияние элементов, выделяющих тепло, и температура аккумулятора при заряде будет повышаться.
Строго экзотермический характер химической реакции при разряде может вызвать сильный нагрев аккумулятора в конце разряда. Это усугубляется тем, что мощность, забираемая от аккумулятора, как правило, постоянна, и для поддержания постоянной мощности ток в конце разряда должен увеличиваться. При этом все резистивные составляющие элемента батареи начинают выделять еще больше тепла.
Аспекты конструирования
Надлежащим образом сконструированная аккумуляторная батарея должна содержать устройство защиты от перегрева. В большинстве схем первичной и вторичной защиты литий-ионных аккумуляторов содержатся MOSFET транзисторы, которые открываются, если температура становится слишком высокой (или, если нужно, слишком низкой). Как показано на Рис. 1, некоторые первичные и вторичные схемы защиты могут открывать электронные предохранители. Это происходит лишь в крайнем случае, так как подобные предохранители не могут самовосстанавливаться, и открывшись, отключают батарею аккумуляторов.
При конструировании литий ионных аккумуляторов для больших токов нагрузки необходимо принимать во внимание множество факторов. Следует предусмотреть отвод тепла от резистивных элементов электронной схемы, и от самих элементов батареи. При очень больших токах, характерных, например, для аккумуляторов транспортных средств, может потребоваться воздушное, а может быть, и жидкостное охлаждение аккумуляторов.
Для уменьшения разогрева самих аккумуляторов, разработчики соединяют в батарею несколько элементов параллельно, снижая, таким образом, ток через каждый элемент. Но это порождает и проблему, связанную с разбросом параметров элементов, из-за чего ток может течь из одного элемента в другой. Проблема решается установкой в батарею дополнительных PTC термисторов, что усложняет и удорожает аккумулятор.
Литий-ионные аккумуляторы становятся все мощнее и занимают ниши, в которых раньше доминировали свинцовые и никелевые аккумуляторы. Это требует все более серьезного отношения разработчиков аккумуляторов к вопросам выделения тепла. Следствием игнорирования этих вопросов будет, как минимум, плохая батарея, а в худшем случае, небезопасная и ненадежная.
Литература
- Use Cell Balancing To Enable Large-Scale Li-ion Batteries (Использование балансировки элементов в мощных Li-Ion аккумуляторах)
- Changes To IEEE 1625 Establish A High Bar For Battery Design (Изменения в стандарте IEEE 1625 поднимают планку проектирования аккумуляторов)
- Mind Your Thermal Management To Improve Reliability (Для повышения надежности не забывайте о контроле температуры)
Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман
Источник
Предотвращение перегрева и возгорания аккумуляторов
Рост рынка мобильной и автомобильной электроники увеличивается благодаря появлению всё новых типов полезных устройств. Литий-ионные или литий-полимерные батареи, которые обычно используют для таких систем, в настоящее время достигают очень высоких емкостей. Все это благодаря технологиям с высокой плотностью энергии, которые предлагают лучшие возможности зарядки и эксплуатации элементов. Батареи более высокой плотности имеют большие преимущества в плане уменьшения размера изношенных систем. Но есть и проблема.
Заметный недостаток литий-ионных аккумуляторов состоит в том, что они очень чувствительны к риску короткого замыкания или перегрузки во время работы или процесса зарядки. Разработчики схемы, использующие подобный источник питания должны знать, что короткое замыкание может привести к перегреву батареи, что, в свою очередь, приводит к неконтролируемому повышению температуры, которое невозможно предотвратить. Эта ситуация может привести к воспламенению или взрыву. Это серьёзная проблема безопасности вызывающая недовольство владельцев устройств, и даже иногда приводит к изъятию моделей с рынка — такие дела бывают в том числе у больших компаний, например Apple или Samsung.
Данная проблема была задокументирована в прошлом году Комиссией США по безопасности потребительских товаров. В отчете комиссии о состоянии проекта по производству аккумуляторов с высокой плотностью энергии было обнаружено, что в течение пяти лет отметилось более 25000 случаев перегревов или пожаров, которые произошли в более чем 400 типах потребительских товаров работающих на литиевых батареях.
Защита от перегрева АКБ
Основная функция литий-ионного элемента — преобразовывать химическую энергию в электричество. Один литий-ионный элемент состоит из интеркалирующего (т.е. размещенного между слоями элемента в его структуре) литиевого катода, анода на основе углерода (обычно графита), а также электролита в жидкой или гелевой форме в котором растворены соли лития, через которые ионы и движутся. Кроме того ячейка имеет полимерный сепаратор, который действует как внутренний изолятор электронов. Использование двух интеркалирующих электродов привело к тому, что литий-ионные батареи описываются как действующие в качестве как-бы качалки, поскольку ионы движутся вперед и назад между электродами и через электролит в процессе литирования / делитирования. Сепаратор же играет ключевую роль в безопасности ячейки.
Сепараторы превратились из простых однослойных листов в многослойные структуры с функциями отключения батареи в случае отказа. Однако одни только сепараторы не могут обеспечить полную безопасность батареи. Литий-ионный элемент изготовлен из легковоспламеняющихся материалов и подвержен влиянию окружающей среды — механическое или электрическое повреждение может привести к неконтролируемому повышению температуры в конструкции (на ютубе полно видео как взрывают АКБ просто прокалывая их). В этой ситуации материалы литий-ионных элементов, которые стабильны при более низких температурах, начинают разрушаться — это происходит когда температура превышает 130C. Ну и если ячейка начинает бесконтрольно нагреваться, то результаты могут быть катастрофическими.
Так называемый тепловой выброс (то есть процесс, который приводит к повышению температуры) в литий-ионной ячейке является сильно экзотермическим, самовосстанавливающимся. Он выделяет токсичные и легковоспламеняющиеся газы и выделяет значительную энергию в виде тепла, нагревающего элемент до температуры выше 1000C — пожар обеспечен.
Требование к внешним защитным цепям для поддержания напряжения и тока элемента в безопасных пределах является одним из основных ограничений литий-ионной батареи. Для предотвращения тепловых явлений имеющих решающее значение в носимой электронике, защита от перегрузки по току и перегрева элемента является ключевой. Непрерывный мониторинг литий-ионных батарей является критическим требованием безопасности, которое также способствует и увеличению срока службы самого элемента.
Во многих устройствах схема защиты часто игнорируется ещё на этапе проектирования. Принимая решение о добавлении защитных цепей, инженеры обычно оценивают необходимые компромиссы, которые включают дополнительные затраты и повышенную линейную нагрузку, что имеет тенденцию влиять на скорость передачи данных и целостность сигнала в интерфейсах.
У инженеров еще больше проблем в проектах следующего поколения. Они должны учитывать современные постоянно уменьшающиеся субмикронные полупроводниковые технологии в сочетании с эффектами переходных процессов и электростатического разряда. Существует также целый ряд новых проблем безопасности на растущем рынке носимых устройств, таких как возможность пожара из-за неисправных зарядных устройств. Легко понять почему добавление защиты цепи в эти конструкции стало предпочтительной практикой у серьёзных производителей!
Восстанавливающиеся тепловые предохранители
Полимерные термисторы с положительным температурным коэффициентом (PPTC) или самовосстанавливающиеся предохранители являются распространенными устройствами защиты от перегрузки по току используемыми в бытовых приборах, таких как персональные компьютеры, смартфоны, планшеты и теперь также носимые устройства. Потребность в терморезисторах PPTC возросла из-за их очень низкого начального сопротивления, чрезвычайно малых размеров и высокой надежности.
Восстанавливаемые предохранители PPTC изготовлены из проводящего полимера. Во время нормальной работы проводящие частицы в полимере образуют непрерывный путь, позволяющий току протекать через устройство без помех. Типичное сопротивление этого устройства может составлять от нескольких миллиом до нескольких Ом. Когда возникает состояние перегрузки, полимер нагревается внутри своей структуры из-за протекания тока и сопротивления плавкого предохранителя (I2R). Когда он нагревается примерно до 90 . 160C, его молекулярная структура изменяется от полукристаллической до аморфной. Это вызывает расширение, которое разрушает проводящие пути. Когда проводящие пути нарушены, происходит значительное увеличение сопротивления — обычно на несколько порядков. После охлаждения полимер возвращается в частично кристаллизованное состояние.
В аккумуляторах высокое сопротивление приводит к нагреву батареи и падению напряжения под нагрузкой, что может сократить срок службы устройства. В такой конструкции можно встроить самовосстанавливающийся предохранитель, чтобы минимизировать полное сопротивление и увеличить время работы устройства.
Имеющееся в планарном корпусе (0402) новое поколение самовосстанавливающихся предохранителей обеспечивает требуемую производительность элемента благодаря более высоким токам удержания (Ihold), более высоким напряжениям (Vmax) и значениям сопротивления после выключения. Это увеличивает стабильность сопротивления. Благодаря использованию новых токопроводящих материалов с низким сопротивлением, самовосстанавливающиеся предохранители могут давать значения сопротивления всего лишь 0,04 Ом. Такие низкие значения помогают увеличить допустимую нагрузку по току, что снижает уровень потерь и позволяет увеличить срок службы батареи, а также ускорить зарядку элементов. Это имеет особенно большое значение в современных небольших устройствах на основе литий-ионных аккумуляторов.
Для этой цели разработана специальная серия предохранителей Multifuse, семейство MF-ASML / X, которое характеризуется очень низким сопротивлением, благодаря чему снижается падение напряжения в защитных цепях. Это компактный самовосстанавливающийся предохранитель PPTC в корпусе 0402. Использование компонентов данного типа позволяет ограничить размер защиты от сверхтока, используемой в изношенной электронике.
Аккумулятор и защита цепи
Многие пользователи электронных устройств используют быстрые зарядки с разъемом USB-C. Он имеет 24 контакта в корпусе меньшего размера, чем в предыдущих моделях USB, но способен обеспечить мощность до 100 Вт. В то время как USB-C обеспечивает преимущества зарядки, недостатком этого увеличенного подключения питания является чрезвычайно малое расстояние между выводами и большая вероятность неконтролируемых замыканий. Эти дефекты могут генерировать огромное количество тепла, которое может повредить не только кабель и разъем, но и устройства заряжаемые, и даже быть опасным для окружающих людей.
В случае носимых приложений можно реализовать предохранитель PPTC с возможностью сброса в небольших корпусах (0402) как в разъеме зарядного кабеля USB, так и на печатной плате в самом устройстве. Результатом использования двойной защиты является то, что элемент защищен во время цикла зарядки, а цепь защищена во время разряда, а также самого источника питания устройства, если происходит короткое замыкание или обнаруживается чрезмерный ток или температура.
Кроме того, разработчики могут защитить как разъемы USB Type-C, так и другие зарядные кабели, добавив полимерную тепловую защиту (P-TCO). Компоненты серии Bourns P-TCO являются примером оптимизированного, сбрасываемого термодатчика для защиты от перегрева и перегрузки по току. Эти устройства обеспечивают чрезвычайно низкое сопротивление и рассчитаны на температуру отключения от 75 до 100C с максимальным рабочим напряжением 12 В и током до 50 А.
Добавление защиты цепи (такой как предохранитель PPTC) к разъему кабеля устройства защищает его от перегрузки по току и перегрева, чтобы соответственно избежать проблем безопасности во время использования.
Это позволяет разработчикам устранять вредные последствия нежелательного события во время зарядки, переходного состояния или чрезмерной температуры батареи, обеспечивая тем самым более безопасный продукт для потребителя.
Повышение уровня надежности и безопасности
Необходимость внедрения небольших надежных схем защиты и значение, которое она придает изделиям бытовой электроники, становится все более очевидной. Компании которые производят электронные устройства уже поняли, что провал в этой области может не только сигнализировать о потенциальных проблемах безопасности и большом количестве возвратов, но также инициировать негативные действия в социальных сетях и нелестные отзывы о компании, которые могут серьезно повредить репутации бренда и имиджу производителя, что в конечном итоге окажет плохое влияние на продажи продукции.
| ||
Делаем цифровой TLIA-тестер Li-Ion аккумуляторов (измеритель емкости) на Atmega8 и дисплее WH1602.
Тристабильный мультивибратор — схема трёхканального переключателя LED.
Информация по самостоятельному ремонту и прошивке транзистор-тестера LCR-T4(T3) NoStripGrid.