ข้อกำหนดที่ซ่อนอยู่สำหรับการรับรองแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบกำหนดเอง: คู่มือผู้เชี่ยวชาญ

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบกำหนดเอง ได้ก่อให้เกิดเหตุการณ์ไฟไหม้หรือความร้อนสูงเกินที่ได้รับการบันทึกไว้ประมาณ 25,000 กรณีในช่วงห้าปีที่ผ่านมา ระหว่างปี พ.ศ. 2021 ถึง พ.ศ. 2022 นครนิวยอร์กเพียงแห่งเดียวมีรายงานผู้เสียชีวิต 10 ราย และบาดเจ็บ 226 ราย ซึ่งเกิดจากปัญหาแบตเตอรี่ขัดข้องโดยตรง สถิติเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าเหตุใดการรับรองจึงเป็นข้อกำหนดด้านความปลอดภัยขั้นพื้นฐาน มากกว่าจะเป็นขั้นตอนการบริหาร

กระบวนการรับรองสำหรับการออกแบบแบตเตอรี่ลิเธียมครอบคลุมกรอบการกำกับดูแลหลายด้าน UN38.3 กำหนดข้อกำหนดด้านความปลอดภัยในการขนส่ง IEC 62133 ควบคุมการใช้งานของผู้บริโภค มาตรฐาน UL ควบคุมการเข้าถึงตลาดสหรัฐอเมริกา และเครื่องหมาย CE ช่วยให้สามารถจัดจำหน่ายในยุโรปได้ มาตรฐานการรับรองแต่ละมาตรฐานกำหนดขั้นตอนการทดสอบเฉพาะ ซึ่งรวมถึงการจำลองระดับความสูง ความต้านทานการสั่นสะเทือน การทดสอบแรงกระแทก และการตรวจสอบการป้องกันการชาร์จไฟเกิน

ความล้มเหลวในการรับรองชุดแบตเตอรี่ทำให้การเข้าสู่ตลาดเป็นอุปสรรคต่อการพัฒนาผลิตภัณฑ์ และอาจส่งผลให้ต้องออกแบบผลิตภัณฑ์ใหม่ทั้งหมด บริษัทที่ไม่ผ่านมาตรฐานที่จำเป็นจะต้องเผชิญกับความล่าช้าอย่างมาก ต้นทุนการพัฒนาที่เพิ่มขึ้น และปัญหาความรับผิดที่อาจเกิดขึ้น สภาพแวดล้อมในการรับรองจำเป็นต้องมีความเข้าใจอย่างถ่องแท้เกี่ยวกับข้อกำหนดทางเทคนิค วิธีการทดสอบ และกรอบเวลาการปฏิบัติตามกฎระเบียบ

คู่มือทางเทคนิคนี้กล่าวถึงข้อกำหนดการรับรองที่สำคัญสำหรับการพัฒนาชุดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบกำหนดเอง ส่วนต่อไปนี้จะพิจารณาถึงผลกระทบของการตัดสินใจออกแบบต่อความพร้อมในการรับรอง เปรียบเทียบโซลูชันแบตเตอรี่แบบกำหนดเองกับโซลูชันแบตเตอรี่มาตรฐาน และอธิบายรายละเอียดข้อกำหนดการทดสอบเฉพาะสำหรับมาตรฐานการรับรองหลักๆ การทำความเข้าใจข้อกำหนดเหล่านี้ในช่วงเริ่มต้นของการออกแบบจะช่วยให้วิศวกรสามารถสร้างชุดแบตเตอรี่ที่เป็นไปตามมาตรฐานได้ โดยไม่ต้องเสียค่าใช้จ่ายเพิ่มเติมหลังการพัฒนา

การตัดสินใจออกแบบแบตเตอรี่และผลกระทบต่อการรับรอง

ผลิตภัณฑ์ที่ได้รับมาตรฐาน UL ได้รับการทดสอบแล้วว่าตรงตามมาตรฐานความปลอดภัยที่ได้รับการยอมรับในระดับประเทศ ผลิตภัณฑ์เหล่านี้ได้รับการทดสอบเป็นผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป และพบว่าปราศจากความเสี่ยงจากไฟไหม้ ไฟฟ้าช็อต และอันตรายอื่นๆ ที่คาดการณ์ได้ ทีมบรรณาธิการบล็อก Flux Power, ผู้เชี่ยวชาญด้านความปลอดภัยของแบตเตอรี่ในอุตสาหกรรม Flux Power (ผู้ผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ได้รับการรับรองจาก UL)

_{แหล่งที่มาของภาพ: MDPI}

การตัดสินใจออกแบบแบตเตอรี่เป็นรากฐานของความสำเร็จหรือความล้มเหลวในการรับรอง การตัดสินใจทางวิศวกรรมตั้งแต่เนิ่นๆ จะเป็นตัวกำหนดว่าแบตเตอรี่แบบกำหนดเอง ชุดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน จะต้องปฏิบัติตามมาตรฐานความปลอดภัยที่บังคับใช้หรือต้องมีการออกแบบใหม่ที่มีค่าใช้จ่ายสูงในระหว่างกระบวนการรับรอง

การป้องกันการไหลหนีความร้อนผ่านการออกแบบ

ภาวะความร้อนหนีศูนย์จะเกิดขึ้นเมื่อเซลล์แบตเตอรี่มีอุณหภูมิสูงเกิน 160°C ทำให้เกิดปฏิกิริยาคายความร้อนที่ควบคุมไม่ได้ เซลล์แบตเตอรี่ 18650 หนึ่งเซลล์สามารถปล่อยพลังงานความร้อนได้ 80 กิโลจูลในระหว่างกระบวนการนี้ กลไกความล้มเหลวแบบเรียงซ้อนจะก่อให้เกิด:

• การระบายเซลล์ด้วยการพ่นวัสดุหลอมเหลวและเปลวไฟ
• อุณหภูมิพุ่งสูงเกิน 300 ° Cภายในไม่กี่วินาที
• การปล่อยก๊าซผสมพิษและก๊าซไวไฟ
• ความเสี่ยงของการแตกของเซลล์ระเบิด

ความเสียหายทางกลจากการถูกบดหรือเจาะ การใช้ไฟฟ้าในทางที่ผิด เช่น การชาร์จไฟเกินหรือไฟฟ้าลัดวงจร และการสัมผัสความร้อนจากภายนอก ล้วนเป็นสาเหตุหลักของปัญหาความร้อนสะสม สถานะการชาร์จของแบตเตอรี่มีความสัมพันธ์โดยตรงกับความรุนแรงของอันตราย ยิ่งสถานะการชาร์จสูงขึ้น ก็ยิ่งเพิ่มการผลิตไฮโดรเจนและคาร์บอนมอนอกไซด์ ขณะเดียวกันก็ลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่ปลอดภัยลง

การเลือกใช้สารเคมีมีผลอย่างมากต่อคุณลักษณะด้านความปลอดภัย สารเคมี NCA และ LCO ก่อให้เกิดความเร็วในการลุกลามของเปลวไฟที่สูงขึ้นและแรงดันเกินสูงสุดเมื่อเทียบกับสารเคมี LFP ในระหว่างกระบวนการระบายอากาศ เซลล์ LFP แสดงให้เห็นถึงความปลอดภัยที่เหนือกว่าด้วยขีดจำกัดการติดไฟที่ต่ำกว่าซึ่งช่วยลดความน่าจะเป็นในการติดไฟ

วิศวกรรมระยะห่างของเซลล์และการปิดล้อม

การแยกเซลล์ทางกายภาพช่วยให้สามารถกักเก็บความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ เซลล์ทรงกระบอกต้องมีระยะห่างอย่างน้อย 2 มิลลิเมตรเพื่อป้องกันการแพร่กระจายความร้อนจากเซลล์หนึ่งไปยังอีกเซลล์หนึ่ง เซลล์ที่มีช่องระบายอากาศด้านข้างต้องการระยะห่างเพิ่มเติมระหว่างหน่วยที่อยู่ติดกันเพื่อรองรับรูปแบบการปล่อยก๊าซ

ความสามารถในการระบายก๊าซถือเป็นพารามิเตอร์การออกแบบที่สำคัญ โดยทั่วไปแบตเตอรี่จะปล่อยก๊าซออกมา 1-2 ลิตรต่อความจุ Ah ปริมาตรการระบายก๊าซเฉพาะทางเคมีจะแตกต่างกันอย่างมาก:

• เคมี NMC/LMO: 780 ลิตร/กก. ในระหว่างเหตุการณ์ความร้อน
• เคมี LFP: 42 ลิตร/กก.

การออกแบบตู้หุ้มต้องมีกลไกควบคุมความดันที่ควบคุมได้ การปรับสมดุลความดันในสภาพแวดล้อมยังไม่เพียงพอต่อความปลอดภัย จึงจำเป็นต้องใช้แผ่นกันรั่วที่ปรับเทียบให้ตรงกับเกณฑ์ความดันที่กำหนดเพื่อป้องกันการสะสมของความดันอย่างรุนแรง

กำแพงกั้นความร้อนระหว่างเซลล์ช่วยจำกัดการแพร่กระจายของเหตุการณ์ วัสดุทนไฟและแผ่นป้องกันความร้อนแบบแผ่รังสีช่วยแยกเหตุการณ์ความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ โครงแบตเตอรี่จำเป็นต้องมีการผสานรวม:

• การปิดผนึกสิ่งแวดล้อมที่ได้รับการจัดอันดับ IP/NEMA
• ระบบการยึดแบบกลไก
• การเชื่อมต่อสายดินไฟฟ้า
• คุณสมบัติการปฏิบัติตามมาตรฐานการรับรอง

การบูรณาการในระยะเริ่มต้นของ ความต้องการการรับรอง

การพิจารณามาตรฐานการรับรองที่ล่าช้าทำให้เกิดปัญหาคอขวดในการพัฒนาและต้นทุนที่สูงเกินงบประมาณ มาตรฐานแต่ละข้อกำหนดข้อจำกัดด้านการออกแบบเฉพาะที่ต้องได้รับการแก้ไขในขั้นตอนวิศวกรรมเบื้องต้น

การรับรอง UN38.3 กำหนดให้มีการตรวจสอบความปลอดภัยในการขนส่งผ่านโปรโตคอลการทดสอบ 62133 ประการ ได้แก่ การจำลองระดับความสูง การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ ความต้านทานการสั่นสะเทือน ความทนทานต่อแรงกระแทก การป้องกันไฟฟ้าลัดวงจรภายนอก ความต้านทานแรงกระแทก การป้องกันการชาร์จไฟเกิน และความปลอดภัยในการคายประจุแบบบังคับ IEC 2-XNUMX ระบุถึงความปลอดภัยในการปฏิบัติงาน ซึ่งรวมถึงการป้องกันการชาร์จไฟเกิน การตัดกระแสไฟ การป้องกันการลัดวงจร และการควบคุมความร้อน

การออกแบบระบบการจัดการแบตเตอรี่ส่งผลโดยตรงต่อความพร้อมในการรับรอง การนำ BMS มาใช้อย่างครบวงจรช่วยให้สามารถตรวจสอบและควบคุมได้เหนือกว่าโมดูลวงจรป้องกันพื้นฐาน ช่วยให้เป็นไปตามข้อกำหนดด้านความปลอดภัยขั้นสูง

สหภาพยุโรปได้นำข้อกำหนด IEC 62133-2 มาใช้ในเดือนมีนาคม พ.ศ. 2021 โดยกำหนดให้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบพกพาต้องปฏิบัติตามข้อกำหนดในตลาดสหภาพยุโรป การเตรียมการรับรองต้อง:

• การเลือกส่วนประกอบที่ได้รับการรับรองล่วงหน้าเพื่อลดขอบเขตการทดสอบ
• ขอบเขตความปลอดภัยในการจัดการความร้อนในการคำนวณการออกแบบ
• เอกสารที่สอดคล้องกับข้อกำหนดมาตรฐานการรับรอง
• การวางแผนโครงการที่คำนึงถึงระยะเวลาและต้นทุนการรับรอง

การพัฒนาชุดแบตเตอรี่แบบกำหนดเองเทียบกับโซลูชันมาตรฐาน: ข้อกำหนดการรับรอง

_{แหล่งที่มาของภาพ: Large Battery}

การเลือกชุดแบตเตอรี่ถือเป็นจุดตัดสินใจสำคัญที่ส่งผลโดยตรงต่อเส้นทางการรับรองและระยะเวลาการพัฒนา การเลือกระหว่าง ชุดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบกำหนดเอง และโซลูชันมาตรฐานจะกำหนดข้อกำหนดการทดสอบ กลยุทธ์การปฏิบัติตามกฎระเบียบ และกำหนดการเข้าสู่ตลาด

ข้อดีของการออกแบบชุดแบตเตอรี่แบบกำหนดเองสำหรับการรับรอง

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบกำหนดเอง ตอบสนองข้อกำหนดเฉพาะด้านการรับรองในช่วงการออกแบบเบื้องต้น แทนที่จะปรับโซลูชันที่มีอยู่ให้เป็นไปตามมาตรฐาน วิธีนี้ช่วยให้วิศวกรสามารถสร้างคุณสมบัติด้านความปลอดภัยลงในสถาปัตยกรรมแบตเตอรี่ได้โดยตรง ช่วยลดการดัดแปลงเพิ่มเติมที่มักทำให้กระบวนการรับรองมีความซับซ้อน

ผู้ผลิตแบตเตอรี่แบบกำหนดเองสามารถผสานรวมข้อกำหนดด้านความปลอดภัยเฉพาะอุตสาหกรรมได้ตั้งแต่เริ่มต้นการพัฒนา ยกตัวอย่างเช่น การใช้งานอุปกรณ์ทางการแพทย์จำเป็นต้องมีมาตรการด้านความปลอดภัยที่แตกต่างจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคหรือระบบการบินและอวกาศ การออกแบบแบบกำหนดเองสามารถรองรับมาตรฐานที่หลากหลายเหล่านี้ได้โดยไม่ลดทอนประสิทธิภาพ จึงมั่นใจได้ว่าจะได้รับการรับรองสำหรับการใช้งานเฉพาะทาง

การพัฒนาเอกสารทางเทคนิคทำได้ง่ายขึ้นด้วยการออกแบบที่กำหนดเอง การกำหนดค่าทางกล แผนผังไฟฟ้า และโปรโตคอลความปลอดภัยสามารถพัฒนาให้สอดคล้องกับข้อกำหนดการรับรองโดยเฉพาะ วิธีการจัดทำเอกสารที่ตรงเป้าหมายนี้ช่วยลดรอบการตรวจสอบและเร่งกระบวนการอนุมัติ

การใช้กลยุทธ์ ส่วนประกอบที่ได้รับการรับรองล่วงหน้า

การคัดเลือกเชิงกลยุทธ์ของ ส่วนประกอบที่ได้รับการรับรองล่วงหน้า สามารถลดระยะเวลาการทดสอบและข้อกำหนดตัวอย่างได้อย่างมาก ระบบการจัดการแบตเตอรี่ วงจรป้องกัน และเซลล์แต่ละเซลล์ที่ผ่านการทดสอบรับรองแล้ว ช่วยให้ผู้ผลิตสามารถมุ่งเน้นการทดสอบไปที่การบูรณาการในระดับระบบ แทนที่จะเป็นการตรวจสอบความถูกต้องในระดับส่วนประกอบ

ระยะเวลาการทดสอบการรับรองแตกต่างกันอย่างมากตามมาตรฐานและองค์กรที่ทำการทดสอบ:

• การรับรอง UN 38.3:ชุดตัวอย่าง 17 ชุด ระยะเวลาทดลอง 6-8 สัปดาห์
• การรับรอง UL 2054: ชุดตัวอย่าง 55 ชุด ระยะเวลาทดสอบ 12-14 สัปดาห์
• การรับรอง IEC 62133: ชุดตัวอย่าง 33 ชุด วงจรการทดสอบ 8-10 สัปดาห์

การรวมส่วนประกอบที่ได้รับการรับรองล่วงหน้าสามารถลดข้อกำหนดการทดสอบเหล่านี้และปริมาณตัวอย่างที่เกี่ยวข้องได้ จึงทำให้ระยะเวลาในการพัฒนาสั้นลงโดยไม่กระทบต่อการตรวจสอบความปลอดภัย

การพิจารณาต้นทุนและความร่วมมือด้านการผลิต

การพัฒนาแบตเตอรี่แบบกำหนดเองเกี่ยวข้องกับต้นทุนการรับรองที่สำคัญ การทดสอบ UN 38.3 เพียงอย่างเดียวมีราคาตั้งแต่ 460 ถึง 700,000 เหรียญสหรัฐการปรับเปลี่ยนการออกแบบหลังจากการทดสอบเบื้องต้นต้องมีการรับรองใหม่ทั้งหมด ซึ่งอาจเพิ่มต้นทุนการพัฒนาเป็นสองเท่าและขยายระยะเวลาออกไป

ความร่วมมือด้านการผลิตส่งผลโดยตรงต่อความถูกต้องของการรับรอง การเปลี่ยนผู้ผลิตแบตเตอรี่จำเป็นต้องได้รับการรับรองใหม่ แม้ว่าจะเป็นแบตเตอรี่ที่มีการออกแบบเหมือนกันก็ตาม เนื่องจากรายงานการรับรองมีรายละเอียดเฉพาะของผู้ผลิต ข้อกำหนดนี้ทำให้การเลือกพันธมิตรด้านการผลิตเป็นการตัดสินใจที่สำคัญในระยะยาว ซึ่งควรประเมินความสามารถในการรับรอง โรงงานผลิต และระบบการจัดการคุณภาพ

โซลูชันแบตเตอรี่มาตรฐานอาจช่วยเร่งการพัฒนาผลิตภัณฑ์เบื้องต้น แต่มักขาดการรับรองที่จำเป็นสำหรับการใช้งานเฉพาะทาง การตัดสินใจเลือกระหว่างชุดแบตเตอรี่แบบกำหนดเองและชุดแบตเตอรี่มาตรฐานต้องอาศัยการวิเคราะห์ข้อกำหนดการรับรอง ต้นทุนการพัฒนา ข้อจำกัดด้านระยะเวลา และเป้าหมายทางการตลาดในระยะยาวอย่างรอบคอบ

เคมีแบตเตอรี่และการเลือกปัจจัยรูปแบบสำหรับการรับรอง

_{ที่มาของภาพ: Epec Engineered Technologies}

การตัดสินใจด้านเคมีของแบตเตอรี่และปัจจัยด้านฟอร์มแฟกเตอร์เป็นรากฐานสำหรับเส้นทางการรับรอง การเลือกเหล่านี้จะกำหนดทั้งพารามิเตอร์ประสิทธิภาพและข้อกำหนดการทดสอบตลอดกระบวนการตรวจสอบ

การเลือกสารเคมี: การแลกเปลี่ยนระหว่างประสิทธิภาพกับความปลอดภัย

เคมี Li-Ion ที่มีโครงสร้าง NMC (นิกเกิลแมงกานีสโคบอลต์) ให้ความหนาแน่นของพลังงาน 150-220 วัตต์ชั่วโมง/กก. ในขณะที่รูปแบบ NCA (นิกเกิลโคบอลต์อะลูมิเนียม) บรรลุผล 200-260 วัตต์/กก. สำหรับ NCAข้อกำหนดการรับรองสำหรับสารเคมีเหล่านี้แตกต่างกันอย่างมากขึ้นอยู่กับคุณลักษณะทางความร้อน

เซลล์ NMC แสดงให้เห็นถึงเสถียรภาพทางความร้อนที่เหนือกว่า ช่วยลดความยุ่งยากของกระบวนการรับรองสำหรับการใช้งานที่มีความสำคัญด้านความปลอดภัย เสถียรภาพนี้ช่วยลดความซับซ้อนของข้อกำหนดวงจรป้องกันและการตรวจสอบการจัดการความร้อน เซลล์ NCA จำเป็นต้องมีวงจรความปลอดภัยเพิ่มเติมและขั้นตอนการทดสอบที่ครอบคลุมมากขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานในรถยนต์ไฟฟ้า

แบตเตอรี่ LiPo (ลิเธียมโพลิเมอร์) มีโครงสร้างน้ำหนักเบาพร้อมความสามารถในการคายประจุสูง แต่จำเป็นต้องมีโปรโตคอลการจัดการพลังงานที่เข้มงวดยิ่งขึ้นในระหว่างการรับรอง ข้อมูลการทดสอบบ่งชี้ว่าเคมี NCA และ LCO สร้างความเร็วเปลวไฟที่สูงกว่าในช่วงเหตุการณ์ความร้อนเมื่อเทียบกับเคมี LFP ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อขอบเขตของข้อกำหนดการทดสอบความปลอดภัย

ผลกระทบของปัจจัยรูปแบบต่อข้อกำหนดการทดสอบเชิงกล

เซลล์ทรงกระบอก ใช้ตัวเรือนโลหะที่มีโครงสร้างแบบท่อ ให้ความทนทานต่อแรงกดทางกายภาพและการทดสอบการสั่นสะเทือนได้อย่างยอดเยี่ยม การกระจายแรงดันภายในที่สม่ำเสมอช่วยป้องกันการเสียรูปภายใต้แรงกดเชิงกล ลดความยุ่งยากในการรับรอง ช่องระบายแรงดันแต่ละช่องจะปล่อยก๊าซออกจากเซลล์เดี่ยวๆ แทนที่จะปล่อยจากชุดแบตเตอรี่ทั้งหมด

เซลล์ปริซึมช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พื้นที่สูงสุดด้วยบรรจุภัณฑ์ทรงสี่เหลี่ยมผืนผ้า แต่มีความเสี่ยงต่อการขยายตัวเพิ่มขึ้นตลอดอายุการใช้งาน พื้นผิวเรียบและรูปทรงมุมอาจต้องการการปกป้องที่มากขึ้นในระหว่างการทดสอบแรงกระแทกและแรงกดทับ

เซลล์แบบซองเป็นข้อกำหนดการรับรองที่ท้าทายที่สุดเนื่องจากบรรจุภัณฑ์โพลิเมอร์ที่มีความยืดหยุ่น หากไม่มีปลอกหุ้มแข็งหรือกลไกการระบายอากาศแบบบูรณาการ เซลล์เหล่านี้มักจะล้มเหลวอย่างร้ายแรงภายใต้สภาวะความดัน ดังนั้น การทดสอบเพื่อรับรองจึงต้องครอบคลุมมาตรการป้องกันที่ครอบคลุมและการวิเคราะห์รูปแบบความล้มเหลว

ข้อกำหนดการรวม BMS ตามฟอร์มแฟกเตอร์

ปัจจัยรูปแบบที่เลือกจะกำหนด ระบบการจัดการแบตเตอรี่ ความซับซ้อนและโปรโตคอลการทดสอบที่เกี่ยวข้อง เซลล์ทรงกระบอกจำเป็นต้องมีเครือข่ายการตรวจสอบที่ซับซ้อน เนื่องจากมีจำนวนเซลล์ที่สูงกว่าในโครงสร้างแบบหลายเซลล์ แต่ความเสถียรทางความร้อนของพวกมันช่วยลดความยุ่งยากในการตรวจสอบการจัดการอุณหภูมิ

เซลล์ปริซึมที่มีความจุตั้งแต่ 50-100Ah ช่วยลดความต้องการการเชื่อมต่อระหว่างกัน ในขณะเดียวกันก็ต้องการความสามารถในการจัดการกระแสไฟฟ้าที่สูงขึ้นจากวงจรป้องกัน การกำหนดค่านี้ส่งผลต่อทั้งความซับซ้อนในการออกแบบ BMS และขอบเขตของการทดสอบการป้องกันกระแสเกิน

เซลล์แบบถุงจำเป็นต้องมีการใช้งาน BMS ที่ทันสมัยที่สุด เนื่องจากเซลล์เหล่านี้ไม่มีกลไกความปลอดภัยในตัว การทดสอบเพื่อรับรองจะต้องตรวจสอบความต้านทานการเจาะ การรองรับการขยายตัว และการควบคุมความล้มเหลวภายใต้สภาวะการใช้งานที่ไม่เหมาะสมต่างๆ

ระบบการจัดการแบตเตอรี่และโปรโตคอลความปลอดภัย

_{แหล่งที่มาของภาพ: MDPI}

ระบบจัดการแบตเตอรี่ทำหน้าที่เป็นศูนย์ควบคุมอิเล็กทรอนิกส์สำหรับชุดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบกำหนดเอง โดยตรวจสอบพารามิเตอร์การทำงานที่สำคัญและนำมาตรการความปลอดภัยที่จำเป็นมาใช้เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดการรับรอง ความซับซ้อนของระบบ BMS มีอิทธิพลโดยตรงต่อความสำเร็จในการรับรองตามมาตรฐานการทดสอบต่างๆ

โมดูลวงจรป้องกัน (PCM) เทียบกับ BMS เต็มรูปแบบ

โมดูลวงจรป้องกัน มอบฟังก์ชันความปลอดภัยขั้นพื้นฐานผ่านวงจรอะนาล็อกที่ป้องกันการชาร์จไฟเกิน การคายประจุเกินขนาด และการลัดวงจร PCM ทำงานภายใต้แรงดันและกระแสที่กำหนดไว้ล่วงหน้า โดยไม่มีความสามารถในการตรวจสอบอัจฉริยะหรือการตัดสินใจผ่านซอฟต์แวร์

ระบบจัดการแบตเตอรี่แบบเต็มรูปแบบผสานรวมการตรวจสอบด้วยไมโครคอนโทรลเลอร์และอัลกอริทึมขั้นสูงสำหรับการคำนวณสถานะการชาร์จ (SoC) และสถานะความสมบูรณ์ (SoH) ระบบ BMS มอบความสามารถในการบันทึกข้อมูล การตรวจจับข้อผิดพลาด และการสื่อสารที่ครอบคลุม ซึ่งจำเป็นต่อการปฏิบัติตามข้อกำหนดด้านเอกสารรับรอง ความซับซ้อนทางอิเล็กทรอนิกส์ของ BMS แบบเต็มรูปแบบช่วยให้สามารถควบคุมพารามิเตอร์การชาร์จ การตรวจสอบอุณหภูมิ และฟังก์ชันการปรับสมดุลเซลล์ได้อย่างแม่นยำ

การปรับสมดุลของเซลล์ และการประมาณค่า SoC เพื่อความปลอดภัย

การปรับสมดุลเซลล์ช่วยรักษาความสม่ำเสมอของแรงดันไฟฟ้าในทุกเซลล์ในการกำหนดค่าแบบอนุกรม ป้องกันการเสื่อมสภาพของเซลล์แต่ละเซลล์ซึ่งอาจนำไปสู่ความล้มเหลวด้านความปลอดภัยระหว่างการทดสอบเพื่อรับรอง ระบบปรับสมดุลแบบพาสซีฟจะกระจายพลังงานส่วนเกินในรูปของความร้อนผ่านวงจรตัวต้านทาน เหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องการกระแสปรับสมดุลต่ำ การปรับสมดุลแบบแอคทีฟจะกระจายประจุไฟฟ้าระหว่างเซลล์ผ่านวงจรสวิตชิ่ง ทำให้มีประสิทธิภาพสูงขึ้นและอัตราการปรับสมดุลที่รวดเร็วขึ้น

ความแม่นยำในการประมาณค่าสถานะการชาร์จส่งผลโดยตรงต่อความปลอดภัยของชุดแบตเตอรี่และการปฏิบัติตามข้อกำหนดการรับรอง วิธีการนับคูลอมบ์จะรวมการไหลของกระแสไฟฟ้าในช่วงเวลาหนึ่งเพื่อคำนวณความจุที่เหลืออยู่ ในขณะที่การประมาณค่าตามแรงดันไฟฟ้าจะใช้การวัดแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด การใช้งาน BMS ขั้นสูงใช้อัลกอริทึมตัวกรองคาลมานเพื่อประมวลผลอินพุตเซ็นเซอร์หลายตัว และชดเชยความไม่แน่นอนในการวัดและการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ

โปรโตคอลการสื่อสารสำหรับการตรวจสอบแบบเรียลไทม์

อินเทอร์เฟซการสื่อสารช่วยให้สามารถแลกเปลี่ยนข้อมูลแบบเรียลไทม์ระหว่างส่วนประกอบ BMS และระบบภายนอก ตอบสนองข้อกำหนดการรับรองสำหรับการตรวจสอบและการรายงานข้อผิดพลาด บัส CAN โปรโตคอลเหล่านี้รองรับการสื่อสารแบบหลายมาสเตอร์ พร้อมการตรวจจับข้อผิดพลาดและการส่งสัญญาณซ้ำอัตโนมัติ เหมาะสำหรับมาตรฐานการรับรองยานยนต์และอุตสาหกรรม อินเทอร์เฟซ UART ให้การสื่อสารแบบจุดต่อจุดสำหรับการใช้งานที่ง่ายกว่า ในขณะที่ RS485 รองรับการสื่อสารระยะไกลสูงสุด 1.2 กิโลเมตรสำหรับระบบแบตเตอรี่แบบกระจาย

การสื่อสารไร้สายผ่านบลูทูธช่วยให้สามารถวินิจฉัยและตรวจสอบระยะไกลได้ภายในระยะ 100 เมตร แม้ว่าจะต้องพิจารณาการใช้พลังงานสำหรับการใช้งานที่ใช้พลังงานแบตเตอรี่ การเลือกโปรโตคอลการสื่อสารขึ้นอยู่กับข้อกำหนดการรับรอง ความซับซ้อนของระบบ และสภาพแวดล้อม

มาตรฐานการรับรองสำหรับการพัฒนาชุดแบตเตอรี่แบบกำหนดเอง

ก่อนปี 2019 ผู้ส่งสินค้าจะต้องยืนยันว่าแบตเตอรี่ผ่านการทดสอบตามมาตรฐาน UN 38.3 เท่านั้น อย่างไรก็ตาม ตั้งแต่วันที่ 21 มกราคม 2022 ผู้ผลิตและผู้จัดจำหน่ายเซลล์และแบตเตอรี่ลิเธียมต้องมีสรุปผลการทดสอบให้พร้อมใช้งาน ทีมบรรณาธิการ Dimerco, ผู้เชี่ยวชาญด้านโลจิสติกส์และการขนส่งแบตเตอรี่ระดับโลก Dimerco

_{ที่มาของภาพ: แบตเตอรี่ Tritek}

การรับรองแบตเตอรี่ลิเธียมเป็นข้อกำหนดบังคับมากกว่าเป็นเพียงทางเลือกเสริม มาตรฐานการรับรองแต่ละข้อจะพิจารณาถึงความปลอดภัยที่แตกต่างกันตลอดวงจรชีวิตของแบตเตอรี่ ตั้งแต่การผลิตไปจนถึงการกำจัดเมื่อหมดอายุการใช้งาน

UN38.3 การทดสอบความปลอดภัยในการขนส่ง

การรับรอง UN38.3 เป็นสิ่งที่จำเป็น สำหรับการขนส่งทางอากาศสำหรับผลิตภัณฑ์แบตเตอรี่ลิเธียมใดๆ ก็ตาม มาตรฐานนี้กำหนดให้ต้องผ่านการทดสอบเฉพาะแปดรายการที่กำหนดระดับ T1 ถึง T8 ได้แก่ การจำลองระดับความสูง การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ ความต้านทานการสั่นสะเทือน การทดสอบแรงกระแทก การลัดวงจรภายนอก การทนต่อแรงกระแทก การทดสอบการชาร์จไฟเกิน และการประเมินการปล่อยประจุแบบบังคับ

แบตเตอรี่ต้องแสดงให้เห็นว่าไม่มีการรั่วไหล การระบายอากาศ การถอดประกอบ การแตก หรือการติดไฟระหว่างการทดสอบ นอกจากนี้ เซลล์ต้องรักษาระดับแรงดันไฟฟ้าก่อนการทดสอบอย่างน้อย 90% เพื่อให้ได้รับการรับรอง

การเปลี่ยนแปลงกฎระเบียบล่าสุดที่มีผลบังคับใช้ในเดือนมกราคม พ.ศ. 2022 กำหนดให้ผู้ผลิตต้องจัดทำสรุปผลการทดสอบแบตเตอรี่ลิเธียมสำหรับเซลล์และแบตเตอรี่ทั้งหมดที่ผลิตตั้งแต่ปี พ.ศ. 2008 การรับรอง UN38.3 ยังคงมีผลบังคับใช้เป็นเวลา XNUMX ปีนับจากวันที่ทดสอบเสร็จสิ้น

IEC 62133-2 มาตรฐานความปลอดภัยสากล

IEC 62133-2:2017 กำหนดข้อกำหนดด้านความปลอดภัยสำหรับ เซลล์ลิเธียมรองแบบพกพาแบบปิดผนึก และแบตเตอรี่ที่มีอิเล็กโทรไลต์ที่ไม่ใช่กรด มาตรฐานที่ได้รับการยอมรับในระดับสากลนี้ประเมินความต้านทานการชาร์จไฟเกิน การป้องกันไฟฟ้าลัดวงจร ความทนทานเชิงกล และประสิทธิภาพเสถียรภาพทางความร้อน

มาตรฐานฉบับปรับปรุงนี้ประกอบด้วยข้อกำหนดการทดสอบเซลล์แบบเหรียญ โปรโตคอลการสั่นสะเทือนและแรงกระแทกเชิงกลตามระเบียบวิธี UN38.3 และเงื่อนไขการทดสอบการชาร์จไฟเกินที่ปรับปรุงแล้ว สหภาพยุโรปได้นำมาตรฐาน IEC 62133-2 มาใช้ในเดือนมีนาคม พ.ศ. 2021 ซึ่งกำหนดให้แบตเตอรี่ลิเธียมแบบพกพาใหม่ทั้งหมดที่จำหน่ายในตลาดสหภาพยุโรปต้องปฏิบัติตามข้อกำหนด

ข้อกำหนดการรับรองระดับภูมิภาค

การรับรอง UL2054 ประเมินความปลอดภัยของแบตเตอรี่สำหรับครัวเรือนและเชิงพาณิชย์ในตลาดสหรัฐอเมริกา มาตรฐานนี้กำหนดให้มีการทดสอบส่วนประกอบแบตเตอรี่ทั้งหมดอย่างครอบคลุม ทำให้เป็นหนึ่งในกระบวนการรับรองที่เข้มงวดที่สุด

เครื่องหมาย CE แสดงให้เห็นถึงการปฏิบัติตามมาตรฐานความปลอดภัย สุขภาพ และสิ่งแวดล้อมของสหภาพยุโรปของผู้ผลิต เครื่องหมาย CE นี้เป็นข้อบังคับสำหรับการเข้าถึงตลาดยุโรปโดยทั่วไปจะมีอายุห้าปี

ข้อกำหนดใหม่เกี่ยวกับการรีไซเคิลและการระบุตัวตน

กฎระเบียบเกี่ยวกับการระบุและรีไซเคิลแบตเตอรี่ยังคงพัฒนาอย่างต่อเนื่อง ในปี พ.ศ. 2023 สำนักงานปกป้องสิ่งแวดล้อมได้ออกแนวทางปฏิบัติเพื่อชี้แจงว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนส่วนใหญ่จัดอยู่ในประเภทขยะอันตรายภายใต้กฎหมายว่าด้วยการอนุรักษ์และฟื้นฟูทรัพยากร ต่อมาสำนักงานฯ ได้ประกาศแผนการที่จะกำหนดหมวดหมู่ขยะสากลสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนโดยเฉพาะ

การพัฒนากฎระเบียบเหล่านี้ช่วยแก้ไขข้อกังวลที่เพิ่มมากขึ้นเกี่ยวกับ ไฟไหม้แบตเตอรี่ระหว่างการจัดการขยะ การดำเนินงาน ผู้พัฒนาชุดแบตเตอรี่แบบกำหนดเองจะต้องรวมข้อกำหนดใหม่ๆ เหล่านี้เข้าไว้ในกระบวนการวางแผนการรับรอง

ข้อมูลอย่างย่อเทคนิค

การรับรองชุดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบกำหนดเองต้องให้ความสำคัญกับรายละเอียดการออกแบบและข้อกำหนดด้านกฎระเบียบอย่างเป็นระบบ กระบวนการรับรองต้องบูรณาการข้อพิจารณาด้านความปลอดภัยตั้งแต่ขั้นตอนการออกแบบเบื้องต้นไปจนถึงขั้นตอนการทดสอบขั้นสุดท้าย

ระบบการจัดการความร้อน ข้อกำหนดระยะห่างของเซลล์ และกลไกการระบายอากาศแบบควบคุม ล้วนเป็นรากฐานของการออกแบบชุดแบตเตอรี่ที่ได้รับการรับรอง การตัดสินใจทางวิศวกรรมเหล่านี้เป็นตัวกำหนดโดยตรงว่าชุดแบตเตอรี่สามารถเป็นไปตามมาตรฐานการทดสอบที่เข้มงวดตาม UN38.3, IEC 62133-2, UL 2054 และข้อกำหนดการรับรองระดับภูมิภาคหรือไม่

การเลือกสารเคมีมีผลต่อกระบวนการรับรองอย่างมาก เซลล์ NMC ให้คุณสมบัติเสถียรภาพทางความร้อนที่เหนือกว่าเมื่อเทียบกับเซลล์ NCA ขณะที่การเลือกปัจจัยด้านฟอร์มมีอิทธิพลต่อข้อกำหนดการตรวจสอบความปลอดภัยเชิงกล เซลล์ทรงกระบอกแสดงให้เห็นถึงความสมบูรณ์ของโครงสร้างที่ดีกว่าภายใต้สภาวะการทดสอบเมื่อเทียบกับเซลล์แบบปริซึมหรือแบบถุง

ระบบจัดการแบตเตอรี่ถือเป็นองค์ประกอบสำคัญในการรับรอง การนำ BMS มาใช้อย่างเต็มรูปแบบมีข้อได้เปรียบเหนือโมดูลวงจรป้องกันพื้นฐานอย่างมาก ด้วยความสามารถในการตรวจสอบขั้นสูง ฟังก์ชันปรับสมดุลเซลล์ และการระบุสถานะการชาร์จที่แม่นยำ ระบบเหล่านี้มักเป็นตัวกำหนดความสำเร็จในการรับรองสำหรับการใช้งานแบตเตอรี่ที่ซับซ้อน

กรอบการกำกับดูแลยังคงขยายตัวอย่างต่อเนื่อง โดยมีข้อกำหนดด้านความปลอดภัยในการขนส่งที่เข้มงวดขึ้น มาตรฐานการปฏิบัติตามข้อกำหนดด้านสิ่งแวดล้อม และกฎระเบียบด้านการรีไซเคิลที่กำลังเกิดขึ้น บริษัทที่พัฒนาชุดแบตเตอรี่แบบกำหนดเองต้องคำนึงถึงมาตรฐานที่เปลี่ยนแปลงไปเหล่านี้ในระหว่างขั้นตอนการออกแบบรายละเอียด เพื่อหลีกเลี่ยงวงจรการรับรองซ้ำที่มีค่าใช้จ่ายสูง

การรับรองชุดแบตเตอรี่ครอบคลุมข้อกำหนดด้านความปลอดภัยขั้นพื้นฐานที่ป้องกันเหตุการณ์ความร้อนสูงเกินพิกัด ความล้มเหลวทางไฟฟ้า และสถานการณ์ความเสียหายทางกลไก มาตรฐานทางเทคนิคที่กำหนดโดยองค์กรรับรองเป็นแนวทางสำคัญสำหรับการใช้งานแบตเตอรี่อย่างปลอดภัยในสภาพแวดล้อมการใช้งานที่หลากหลาย การรับรองที่ถูกต้องช่วยให้มั่นใจได้ว่าชุดแบตเตอรี่เป็นไปตามเกณฑ์ความปลอดภัยที่กำหนดและข้อกำหนดด้านกฎระเบียบสำหรับการเข้าถึงตลาดทั่วโลก

ประเด็นที่สำคัญ

การทำความเข้าใจข้อกำหนดการรับรองตั้งแต่เนิ่นๆ ในกระบวนการออกแบบถือเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการหลีกเลี่ยงการออกแบบใหม่ที่มีค่าใช้จ่ายสูง และการรับรองความพร้อมของตลาดสำหรับชุดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบกำหนดเอง

• ออกแบบเพื่อความปลอดภัยตั้งแต่วันแรก:บูรณาการการจัดการความร้อน ระยะห่างของเซลล์ที่เหมาะสม (ขั้นต่ำ 2 มม.) และระบบระบายอากาศที่ควบคุมได้เพื่อป้องกันความร้อนหนี และผ่านการทดสอบการรับรอง
• เลือกเคมีและปัจจัยรูปแบบอย่างมีกลยุทธ์:เซลล์ NMC มีเสถียรภาพทางความร้อนที่ดีกว่าเซลล์ NCA ในขณะที่เซลล์ทรงกระบอกให้การป้องกันทางกลที่เหนือกว่าเมื่อเทียบกับการกำหนดค่าแบบปริซึมหรือแบบถุง
• ใช้ประโยชน์จากส่วนประกอบที่ได้รับการรับรองล่วงหน้า:การใช้องค์ประกอบที่ได้รับการรับรองแล้วสามารถลดระยะเวลาการทดสอบจาก 12-14 สัปดาห์เหลือ 6-8 สัปดาห์ และลดข้อกำหนดตัวอย่างสำหรับการรับรอง
• นำ BMS ที่ครอบคลุมมาใช้งานบน PCM พื้นฐาน:ระบบการจัดการแบตเตอรี่แบบเต็มรูปแบบให้ความสามารถในการตรวจสอบขั้นสูงซึ่งจำเป็นสำหรับการตอบสนองมาตรฐานความปลอดภัยที่เข้มงวดและข้อกำหนดการรับรอง
• วางแผนการรับรองหลายรายการ:UN38.3 (การขนส่ง), IEC 62133-2 (ความปลอดภัยทั่วโลก), UL (ตลาดสหรัฐอเมริกา) และ CE (ตลาดยุโรป) แต่ละมาตรฐานต้องมีโปรโตคอลการทดสอบและเอกสารประกอบเฉพาะ

ภูมิทัศน์ของการรับรองยังคงพัฒนาไปพร้อมกับกฎระเบียบการรีไซเคิลใหม่ๆ ทำให้การวางแผนการปฏิบัติตามข้อกำหนดในระยะเริ่มต้นมีความจำเป็นต่อความสำเร็จในตลาดในระยะยาวและความปลอดภัยของผู้ใช้

คำถามที่พบบ่อย

Q1. การรับรอง UL1642 สำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนคืออะไร? UL1642 เป็นมาตรฐานความปลอดภัยที่จัดทำโดย Underwriters Laboratories ซึ่งกำหนดข้อกำหนดการทดสอบที่เข้มงวดสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ULXNUMX ช่วยให้มั่นใจได้ว่าแบตเตอรี่เหล่านี้เป็นไปตามมาตรฐานความปลอดภัยที่เข้มงวด ผ่านชุดการทดสอบทางไฟฟ้า เครื่องกล และสิ่งแวดล้อม

Q2. มาตรฐานหลักสำหรับการทดสอบแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมีอะไรบ้าง มาตรฐานหลักคือ IEC 62133 ซึ่งกำหนดข้อกำหนดด้านความปลอดภัยและประสิทธิภาพสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบพกพา ครอบคลุมด้านความปลอดภัยทางไฟฟ้า กลไก และสารเคมี รวมถึงการทดสอบการชาร์จไฟเกิน การลัดวงจร และเสถียรภาพทางความร้อน

ไตรมาสที่ 3 ข้อกำหนดหลักในการรับรองสำหรับชุดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบกำหนดเองคืออะไร โดยทั่วไปแล้ว ชุดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบสั่งทำพิเศษต้องได้รับการรับรองหลายมาตรฐาน ได้แก่ UN38.3 เพื่อความปลอดภัยในการขนส่ง, IEC 62133-2 สำหรับการปฏิบัติตามมาตรฐานสากล, การรับรอง UL สำหรับตลาดสหรัฐอเมริกา และเครื่องหมาย CE สำหรับการจัดจำหน่ายในยุโรป แต่ละมาตรฐานมีขั้นตอนการทดสอบและเอกสารประกอบเฉพาะ

ไตรมาสที่ 4 การเลือกเคมีของแบตเตอรี่และปัจจัยรูปแบบส่งผลต่อการรับรองอย่างไร เคมีและฟอร์มแฟกเตอร์ของแบตเตอรี่ส่งผลกระทบอย่างมากต่อกระบวนการรับรอง ยกตัวอย่างเช่น เซลล์ NMC มีเสถียรภาพทางความร้อนที่ดีกว่าเซลล์ NCA ในขณะที่เซลล์ทรงกระบอกให้การป้องกันเชิงกลที่เหนือกว่าเมื่อเทียบกับเซลล์แบบปริซึมหรือแบบซอง ตัวเลือกเหล่านี้มีอิทธิพลต่อข้อกำหนดการทดสอบและกระบวนการตรวจสอบความปลอดภัย

Q5. ระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) มีบทบาทอย่างไรในการรับรอง? BMS ที่ครอบคลุมมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการรับรองมาตรฐาน โดยมอบความสามารถในการตรวจสอบขั้นสูงที่เหนือกว่าวงจรป้องกันพื้นฐาน BMS ให้ข้อมูลโดยละเอียดเกี่ยวกับการปรับสมดุลเซลล์ การประมาณค่าสถานะประจุ และการตรวจสอบแบบเรียลไทม์ ซึ่งเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการปฏิบัติตามมาตรฐานความปลอดภัยและข้อกำหนดการรับรองที่เข้มงวด