現在、リチウムイオン電池の安全事故のほとんどは、保護回路の故障により発生しており、電池が熱暴走を起こし、発火・爆発に至ります。したがって、リチウム電池の安全な使用を実現するには、保護回路の設計が特に重要であり、リチウム電池の故障を引き起こすあらゆる種類の要因を考慮する必要があります。故障は基本的に製造プロセス以外に、過充電、過放電、高温などの外部の極端な条件の変化によっても発生します。これらのパラメータをリアルタイムに監視し、変化した場合に対応する保護措置を講じれば、熱暴走の発生を回避できます。リチウム電池の安全設計には、セルの選択、構造設計、BMS の機能安全設計などのいくつかの側面が含まれます。

セルの選択

細胞の安全性に影響を与える要因は数多くありますが、その基礎となるのは細胞材料の選択です。化学的性質が異なるため、リチウム電池の正極材料が異なると安全性も異なります。例えば、リン酸鉄リチウムはオリビン型であり、比較的安定であり、崩壊しにくい。しかし、コバルト酸リチウムや三元リチウムは層状構造のため崩れやすい。セパレータの性能は電池の安全性に直接関係するため、セパレータの選択も非常に重要です。したがって、セルの選択では、検出レポートだけでなく、メーカーの製造プロセス、材料、およびそれらのパラメータも考慮する必要があります。

構造設計

電池の構造設計では、主に絶縁性と放熱性の要件が考慮されます。

• 絶縁要件には一般に次の側面が含まれます。 正極と負極の間の絶縁。セルと筐体間の絶縁。ポールタブとエンクロージャ間の絶縁。プリント基板の電気的間隔や沿面距離、内部配線設計、接地設計など。
• 熱放散は主に、一部の大型エネルギー貯蔵または牽引用バッテリーに使用されます。これらのバッテリーはエネルギーが高いため、充電および放電時に発生する熱が膨大になります。放熱が間に合わないと熱が蓄積し、事故の原因となります。したがって、筐体の材質（一定の機械的強度、防塵・防水要件を備えている必要があります）の選択と設計、冷却システムやその他の内部断熱、放熱、消火システムの選択をすべて考慮する必要があります。

バッテリー冷却システムの選択と適用については、前回の発行を参照してください。

機能安全設計

物理的および化学的特性により、その材料が充放電電圧を制限できないことが決まります。充放電電圧が定格範囲を超えると、リチウム電池に回復不能な損傷が発生します。したがって、リチウム電池の動作時に内部セルの電圧と電流を正常な状態に維持するために保護回路を追加する必要があります。バッテリーの BMS には次の機能が必要です。

• 充電過電圧保護: 過充電は熱暴走の主な原因の 1 つです。過充電後は、過剰なリチウムイオンの放出により正極材料が崩壊し、負極でもリチウムの析出が起こり、熱安定性の低下や副反応の増加につながり、熱暴走の危険性があります。したがって、充電がセルの上限電圧に達した後、時間内に電流を遮断することが特に重要です。これには、セルの電圧が常に動作限界内に保たれるように、BMS に充電過電圧保護機能が必要です。保護電圧は一定の範囲の値ではなく、大きく変動する方がよいでしょう。これは、バッテリが完全に充電されたときに電流を遮断できずに過充電を引き起こす可能性があるためです。BMS の保護電圧は通常、セルの上限電圧と同じか、それよりわずかに低くなるように設計されています。
• 充電過電流保護: 充電または放電の制限を超える電流でバッテリーを充電すると、熱が蓄積する可能性があります。ダイアフラムが溶けるほど熱が蓄積すると、内部ショートが発生する可能性があります。したがって、タイムリーな充電過電流保護も不可欠です。過電流保護は設計上のセル電流許容値を超えることができないことに注意する必要があります。
• 低電圧放電保護: 電圧が大きすぎたり小さすぎたりすると、バッテリーの性能が損なわれます。電圧下で放電を続けると銅が析出し、負極が潰れてしまうため、一般的にバッテリーには電圧下での放電保護機能が付いています。
• 放電過電流保護: ほとんどの PCB の充電と放電は同じインターフェイスを介して行われます。この場合、充電と放電の保護電流は一定です。ただし、一部のバッテリー、特に電動工具用バッテリー、急速充電およびその他の種類のバッテリーは、大電流の放電または充電を使用する必要があり、この時点で電流が不安定になるため、2 ループ制御で充放電するのが最適です。
• 短絡保護: バッテリーの短絡も最も一般的な故障の 1 つです。衝突、誤使用、圧迫、針刺し、水の浸入などによりショートを引き起こしやすくなります。短絡するとすぐに大きな放電電流が発生し、電池温度が急激に上昇します。同時に、通常、外部短絡後に一連の電気化学反応がセル内で発生し、一連の発熱反応が引き起こされます。短絡保護も過電流保護の一種です。しかし、短絡電流は無限大であり、熱と害も無限大であるため、保護機能は非常に高感度であり、自動的に作動できる必要があります。一般的な短絡保護対策には、コンタクタ、ヒューズ、MOS などが含まれます。
• 過熱保護: バッテリーは周囲温度に敏感です。温度が高すぎたり低すぎたりすると、性能に影響します。したがって、バッテリーを限界温度内で動作させることが重要です。BMS には、温度が高すぎるか低すぎる場合にバッテリーを停止する温度保護機能が必要です。さらに、充電温度保護と放電温度保護などに細分化することもできます。
• バランシング機能：ノートパソコンやその他のマルチシリーズバッテリーの場合、製造プロセスの違いによりセルごとにばらつきが生じます。たとえば、一部のセルの内部抵抗は他のセルよりも大きくなります。この矛盾は外部環境の影響により徐々に悪化していきます。したがって、セルのバランスを実現するバランス管理機能が必要です。一般に、次の 2 種類の平衡があります。

1.パッシブバランス：電圧コンパレータなどのハードウェアを使用し、抵抗熱放散を使用して大容量バッテリーの過剰な電力を解放します。しかし、エネルギー消費が大きく、均一化速度が遅く、効率が低い。

2.アクティブバランシング: コンデンサを使用して、より高い電圧のセルの電力を蓄え、より低い電圧のセルに電力を放出します。ただし、隣接するセル間の圧力差が小さい場合は、均等化時間が長くなり、均等化電圧閾値をより柔軟に設定できます。

標準検証

最後に、バッテリーを国際市場または国内市場にうまく投入したい場合は、リチウムイオンバッテリーの安全性を確保するための関連規格も満たす必要があります。セルからバッテリー、ホスト製品まで、対応するテスト基準を満たしている必要があります。この記事では、電子 IT 製品に対する国内のバッテリー保護要件に焦点を当てます。

GB 31241-2022

この規格は、携帯電子機器のバッテリーに関するものです。主に、用語 5.2 の安全動作パラメータ、PCM の 10.1 ～ 10.5 の安全要件、システム保護回路の 11.1 ～ 11.5 の安全要件 (バッテリ自体が保護されていない場合)、一貫性に関する 12.1 および 12.2 の要件、および付録 A (文書用) を考慮します。 。

u 用語 5.2 では、セルとバッテリのパラメータが一致している必要があります。これは、バッテリの動作パラメータがセルの範囲を超えてはいけないと理解できます。ただし、バッテリーの動作パラメーターがセルの範囲を超えないように、バッテリー保護パラメーターを保証する必要がありますか?さまざまな理解がありますが、バッテリー設計の安全性の観点から見ると、答えは「はい」です。たとえば、セル (またはセル ブロック) の最大充電電流は 3000mA で、バッテリの最大動作電流は 3000mA を超えてはならず、バッテリの保護電流も充電プロセスの電流が 3000mA を超えないようにする必要があります。 3000mA。この方法によってのみ、危険を効果的に保護し、回避することができます。保護パラメータの設計については、付録 A を参照してください。これは、使用中のセル、バッテリ、ホストのパラメータ設計を考慮しており、比較的包括的です。

u 保護回路付きバッテリーの場合は、10.1 ～ 10.5 のバッテリー保護回路の安全性テストが必要です。この章では主に、充電過電圧保護、充電過電流保護、低電圧放電保護、放電過電流保護、および短絡保護について説明します。これらについては上記で言及されています機能安全設計そして基本的な要件。GB 31241 は 500 回のチェックが必要です。

u 保護回路のないバッテリーが充電器または末端装置によって保護されている場合、11.1～11.5 システム保護回路の安全性テストは外部保護装置を使用して実施するものとします。充電と放電の電圧、電流、温度制御が主に研究されています。保護回路付きのバッテリーと比較して、保護回路のないバッテリーは実際の使用時に機器の保護にのみ依存できることに注意してください。リスクがより高いため、通常の動作と単一障害の状態は個別にテストされます。これにより、エンドデバイスには二重の保護が強制されます。そうしないと、第 11 章のテストに合格できません。

最後に、バッテリー内に複数の直列セルがある場合、不平衡充電の現象を考慮する必要があります。第 12 章の適合性テストが必要です。ここでは主に PCB のバランスおよび差圧保護機能について研究します。この機能は単セルバッテリには必要ありません。

GB 4943.1-2022

この規格は AV 製品向けです。バッテリー駆動の電子製品の使用が増加する中、GB 4943.1-2022 の新バージョンでは、付録 M でバッテリーに関する特定の要件を規定し、バッテリーとその保護回路を備えた機器を評価しています。バッテリー保護回路の評価に基づいて、二次リチウムバッテリーを含む機器に対する追加の安全要件も追加されました。

u リチウム二次電池保護回路は、主に過充電、過放電、逆充電、充電安全保護（温度）、短絡保護などを調査します。これらの試験はすべて、保護回路の単一故障が必要であることに注意してください。この要件はバッテリー規格 GB 31241 には記載されていません。そのため、バッテリー保護機能の設計では、バッテリーとホストの標準要件を組み合わせる必要があります。バッテリに保護が 1 つだけあり、冗長コンポーネントがない場合、またはバッテリに保護回路がなく、保護回路がホストによってのみ提供されている場合は、テストのこの部分にホストを含​​める必要があります。

結論

結論として、安全な電池を設計するには、材料自体の選択に加えて、その後の構造設計と機能安全設計も同様に重要です。規格が異なれば製品に対する要件も異なりますが、異なる市場の要件を満たすように電池設計の安全性を十分に考慮できれば、リードタイムを大幅に短縮し、製品の市場投入を加速することができます。さまざまな国や地域の法規制や規格を組み合わせるだけでなく、実際の端末製品における電池の使用状況を踏まえた製品設計が必要です。