Akumulatory zapewniają mobilność urządzeń, a technologia ogniw litowo-jonowych (Li-ion) jest preferowanym rozwiązaniem w wielu zastosowaniach, takich jak tablety i telefony komórkowe, elektronarzędzia bezprzewodowe czy też rowery i hulajnogi elektryczne. Ich właściwości pozwalają użytkownikom końcowym cieszyć się wydajnością, jakiej oczekują od swoich urządzeń. Istnieje jednak ryzyko, że akumulator może się zapalić, jeśli zostanie przegrzany lub jeśli uszkodzenie spowoduje zwarcie pomiędzy elektrodami wewnątrz ogniwa. Odpowiednia konstrukcja akumulatora i jego obudowy może ograniczyć ryzyko pożaru, lecz tylko zabezpieczenie obwodu elektrycznego skutecznie zapobiega przyczynom nadmiernego nagrzewania, takim jak gwałtowne wzrosty napięcia i prądu oraz wyładowania elektrostatyczne (ESD). Znajomość natury zagrożeń oraz dostępnych elementów zabezpieczających może pomóc projektantom zapewnić bezpieczeństwo i niezawodność rozwiązań.

Zalety i zagrożenia związane z akumulatorami litowo-jonowymi

Wyjątkowe właściwości akumulatorów Li-ion obejmują wysoką gęstość energii, lekką konstrukcję, szybkie ładowanie, dużą moc wyjściową, długi okres eksploatacyjny i powolne samorozładowanie. Ogniwa te zapewniają doskonałe parametry eksploatacyjne, długi czas pracy między cyklami ładowania, krótki czas produkcji, niską masę, poręczność i niskie koszty utrzymania w zastosowaniach takich jak elektronarzędzia bezprzewodowe, sprzęt AGD czy też hulajnogi i rowery elektryczne.

Z drugiej strony akumulator litowo-jonowy może się przegrzać i uwolnić łatwopalne gazy, które w pewnych warunkach mogą się zapalić, a nawet eksplodować. Główną przyczyną przegrzewania jest niestabilność termiczna akumulatora (ang. thermal runaway), zwykle powodowana zwarciem, gdy cienka dielektryczna warstwa separująca elektrodę dodatnią od ujemnej zostanie uszkodzona lub naruszona. Może się to zdarzyć na skutek wad produkcyjnych, uszkodzeń fizycznych (takich jak przebicie lub uderzenie), przeciążenia elektrycznego lub zbyt wysokiego napięcia ładowania akumulatora. Ponadto przegrzanie w wyniku narażenia na działanie wysokich temperatur może spowodować uszkodzenia wewnętrzne, prowadzące do niestabilności termicznej. Aby zachować bezpieczeństwo akumulatora, niezwykle ważne jest zapobieganie takim warunkom.

Przyczyny przegrzania

Jeśli warstwa separująca utraci swoją skuteczność, zwarcie spowoduje przepływ dużego prądu przez uszkodzony obszar i w ogniwie powstanie miejscowy „gorący punkt”. Po osiągnięciu temperatury krytycznej, zwykle około 150–200°C, akumulator wchodzi w stan niestabilności termicznej. W tym momencie wytwarzane ciepło przekracza zdolność akumulatora do jego rozproszenia, co prowadzi do szybkiego wzrostu temperatury. Może to spowodować rozkład elektrolitu akumulatora i uwolnienie łatwopalnych gazów. Oprócz ryzyka pożaru uwolnienie się gazu jest w stanie spowodować wzrost ciśnienia wewnętrznego, które może być przyczyną dalszych uszkodzeń wewnętrznych i zwiększyć ryzyko pęknięcia lub eksplozji. Akumulatory litowo-jonowe są zazwyczaj wyposażone w odpowietrznik zabezpieczający, który umożliwia ucieczkę gazów i zapobiega nadmiernemu ciśnieniu. Jeśli jednak w pobliżu znajduje się źródło zapłonu, łatwopalne gazy mogą się zapalić.

Do innych czynników, mogących powodować potencjalnie niebezpieczne przegrzanie, zalicza się narażenie na wysokie temperatury w wyniku wystawienia akumulatora na bezpośrednie działanie promieni słonecznych lub źródeł ciepła, a także stosowanie akumulatorów niskiej jakości lub podrabianych, z nieodpowiednimi zabezpieczeniami lub o konstrukcji bardziej podatnej na uszkodzenia.

Normy i obowiązujące środki bezpieczeństwa

W celu ograniczenia wymienionych powyżej zagrożeń stosowane są różne środki bezpieczeństwa. Obejmują one zastosowanie materiałów trudnopalnych, a także elektroniczne obwody zabezpieczające i bezpieczniki termiczne. Niezwykle ważne jest również przestrzeganie wskazówek dotyczących właściwego użytkowania.

Wymagane środki bezpieczeństwa i ograniczania ryzyka zostały określone w normach i przepisach mających zastosowanie do akumulatorów litowo-jonowych. Należy do nich norma europejska IEC 62133, dotycząca przenośnych, szczelnych, ładowalnych ogniw i akumulatorów litowych, która obejmuje ogólne zasady bezpieczeństwa w odniesieniu do konstrukcji mechanicznej, odporności na niewłaściwe obchodzenie się oraz zagrożeń elektrycznych, w tym mogących skutkować przegrzaniem lub niestabilnością termiczną. Dodatkowo norma IEC 61000-4-2 definiuje ochronę przed wyładowaniami elektrostatycznymi, a norma IEC 61000-4-4 opisuje badania odporności na szybkie elektryczne stany przejściowe (EFT). W Stanach Zjednoczonych obowiązuje z kolei norma UL 2054, poświęcona akumulatorom do użytku domowego i komercyjnego, oraz UL 1642, która dotyczy w szczególności ogniw litowo-jonowych. Normy te odnoszą się specjalnie do zmniejszenia ryzyka obrażeń w wyniku pożaru lub eksplozji.

Ponadto w podpunkcie 38.3 Podręcznika Badań i Kryteriów Organizacji Narodów Zjednoczonych (UN/DOT 38.3) przedstawiono wymagania dotyczące bezpiecznego transportu akumulatorów litowo-jonowych, w tym procedur pakowania, etykietowania i badania.

Zabezpieczenia pierwotne i wtórne

W systemach zarządzania akumulatorem (BMS) zwykle implementowane są różne rozwiązania ochronne i ograniczające ryzyko, takie jak układy scalone wskaźnika poziomu naładowania i tranzystory MOSFET sterujące ładowaniem/rozładowaniem. Można je uznać za podstawowe zabezpieczenia, które zapobiegają wystąpieniu sytuacji niebezpiecznych. Dzięki wbudowanym obwodom takim jak regulatory napięcia, zapewniające utrzymanie napięcia przyłożonego do akumulatora w bezpiecznych granicach, a także obwodom ograniczającym prąd i bezpiecznikom, BMS może zapobiegać nadmiernemu napięciu ładowania, zwarciom wynikającym z wad produkcyjnych, przegrzaniu, nadmiernemu prądowi rozładowania i rozładowaniu do niebezpiecznie niskiego poziomu.

Układy BMS mają na celu zapobieganie występowaniu znanych zagrożeń. Potrzebne są jednak również dodatkowe urządzenia zabezpieczające, które chronią ogniwa przed niebezpiecznymi warunkami w chwili ich wystąpienia. Wymagane są one na poziomie ogniwa, całego akumulatora, a także portu ładowania (Ilustracja 1).

Ilustracja 1. Zagrożenia bezpieczeństwa i hierarchia zabezpieczeń akumulatorów litowo-jonowych (źródło: Littelfuse)

Na poziomie ogniwa można wdrożyć ochronę przed przetężeniem i przeładowaniem, wykorzystując miniaturowy bezpiecznik akumulatora, taki jak Littlefuse MHP-TAT18 lub bezpiecznik resetowalny, na przykład PPTC LSP. Można je dodać jako zabezpieczenia układów scalonych do zarządzania akumulatorami i wskaźnikami poziomu naładowania. Aby chronić interfejs komunikacyjny przed przetężeniem i wyładowaniami ESD, można połączyć kompaktowy bezpiecznik zeptoSMDC firmy Littelfuse z matrycą diod TVS.

Na poziomie pakietu akumulatora stosowane są takie układy, jak zabezpieczenia akumulatorów ITV firmy Littelfuse, które chronią przed przetężeniem i przeładowaniem. Te trójkońcówkowe elementy SMD zawierają element bezpiecznikowy, który odcina obwód w przypadku przetężenia. Zabezpieczenia ITV zawierają też grzałkę, wbudowaną bezpośrednio pod bezpiecznikiem, aby przepalić go w przypadku awarii obwodu wskaźnika poziomu naładowania lub usterki tranzystora MOSFET sterującego ładowaniem i rozładowaniem.

Ochrona portów

W złączu USB-C, będącym standardem wielu systemów ładowania Li-ion, ochrona portów ma kluczowe znaczenie dla ogólnego bezpieczeństwa urządzenia. Bezpieczniki elektroniczne (eFuse) mogą przerywać prąd równie skutecznie jak konwencjonalne i przywracać działanie, gdy stan wyjątkowy minie. Zapewniają ochronę przed takimi zagrożeniami jak przeciążenia, zwarcia, skoki napięcia wejściowego i nadmierny prąd rozruchowy. Można również zastosować zabezpieczenie przed prądem wstecznym, czasami wymagające dodatkowego zewnętrznego tranzystora MOSFET. Ochrona przez eFuse zapewnia korzystne parametry eksploatacyjne, w tym szybką reakcję w przypadku niebezpiecznych warunków pracy, a także diagnostykę w czasie rzeczywistym, którą można wykorzystać do uzyskania informacji o stanie akumulatora i obciążenia.

Do ochrony portów stosuje się również monitorowanie temperatury za pomocą takich elementów, jak wskaźniki temperatury setP™ firmy Littelfuse. Zostały one zaprojektowane do ochrony systemów o mocy znamionowej 100 W lub wyższej i spełniają specyficzne wymagania interfejsu USB typu C. Można ich używać z wtyczkami i ładowarkami ze stałym przewodem. Wskaźniki temperatury setP firmy Littelfuse mogą zastąpić kombinację wyłącznika ograniczającego prąd i układu PPTC, nie wprowadzając jednocześnie do systemu dodatkowych strat na rezystancji.

Kompletne rozwiązanie zabezpieczające akumulatory litowo-jonowe i powiązane z nimi obwody, w tym połączenia zewnętrzne, takie jak port ładowania USB typu C, powinno również obejmować ochronę przed przepięciami elektrycznymi i wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD). Matryca diod TVS, np. z serii SP1006 firmy Littelfuse, wykorzystuje zjawisko przebicia lawinowego w krzemie do ochrony przed przepięciami o wysokiej energii i spełnia stosowne wymogi normy IEC 61000. Ochrona przed ESD spełnia wymogi IEC 61000-4-2 do ±30 kV dla wyładowań kontaktowych i ±30 kV dla wyładowań powietrznych i zabezpiecza przed szybkimi elektrycznymi stanami przejściowymi do 40 A zgodnie z IEC 61000-4-4, oraz zapewnia ochronę odgromową zgodnie z IEC 61000-4-5.

Ilustracja 2 przedstawia implementację układów zabezpieczających, które chronią indywidualne ogniwa, baterię i port.

Ilustracja 2. Wtórne urządzenia zabezpieczające w zastosowaniu akumulatora litowo-jonowego (źródło: Littelfuse)

Wniosek

Akumulatory litowo-jonowe to preferowane przenośne źródła zasilania do popularnych zastosowań, takich jak elektronarzędzia bezprzewodowe i e-mobilność. Aby w pełni wykorzystywać ich długotrwałe możliwości eksploatacyjne, należy zastosować zabezpieczenia w samym akumulatorze i we wszystkich portach zewnętrznych, aby zapobiec przegrzaniu ogniw, która z kolei może skutkować pożarem lub eksplozją. Przegrzanie może być wynikiem nadmiernego napięcia ładowania, zbyt szybkiego lub intensywnego rozładowania, zwarcia lub zbyt dużego prądu obciążenia.

Niezbędna jest kombinacja elementów zabezpieczających działających na różnych poziomach, od ochrony indywidualnych ogniw po ochronę całego akumulatora i obwodów BMS, a także portów zewnętrznych. Mogą to być elementy typowe, takie jak eFuse, PPTC i diody TVS, jak również zabezpieczenia akumulatorów, które obejmują ochronę nadprądową i przepięciową oraz wskaźniki temperatury, łącząc rolę ogranicznika prądu i PPTC w jednym urządzeniu.

Stosując się do norm bezpieczeństwa, używając odpowiednich urządzeń zabezpieczających oraz przestrzegając zaleceń dotyczących ładowania i eksploatacji można skutecznie kontrolować ryzyka związane z akumulatorami litowo-jonowymi, zapewniając ich bezpieczną pracę.