DISPOSITIVOS DE PROTEÇÃO INTEGRADOS A CELULA DE LÍTIO ÍON

 

 

As baterias podem liberar altas energias e os requisitos de segurança para baterias e células à base de níquel e lítio para aplicações portáteis devem estar de acordo com a IEC 62133.

A norma entrou em vigor em 2012 para reduzir o risco global no transporte, armazenamento e operação de baterias.

As baterias que usam lítio íon requerem um circuito de proteção obrigatório para garantir a segurança sob quase todas as circunstâncias.

 

De acordo com a IEC 62133, a segurança das células ou baterias de lítio íon começa incluindo algumas ou todas as seguintes salvaguardas: PTC, CID, Placa eletrônica PCM e válvula de pressão.

A Figura 1 ilustra a parte superior de uma célula 18650 de lítio íon com recursos de segurança integrados à própria célula.

 

 

Figura 1 – Topo de uma bateria 18650 de lítio íon

 

 - PTC (termistor)

 

Também chamado de dispositivo termistor reutilizável, ou "polyswitches" são componentes comuns dentro de células comerciais (por exemplo, parte do conjunto de tampa de 18650 células comerciais) ou em packs de baterias nas conexões entre células.

Esses dispositivos incluem uma camada polimérica condutora que se torna muito resistiva acima de alguma temperatura limite.

 

Os dispositivos PTC são selecionados para permanecerem condutores dentro das condições especificadas de corrente e temperatura.

No entanto, se a corrente de descarga (ou carga) se tornar excessiva, o polímero aquecerá e se tornará altamente resistivo, reduzindo bastante a corrente de (para) a célula.

 

Uma vez que o dispositivo PTC esfria, ele novamente se torna condutor.

Os dispositivos PTC podem não ser aplicáveis ??a células de alta corrente (por exemplo, células de ferramentas elétricas) ou baterias compostas por um grande número de células conectadas em paralelo.

 

 - CID (dispositivo de interrupção de corrente)

 

Como a sobrecarga leva à fuga térmica em células de íons de lítio, muitos projetos de célula incluem mecanismos internos para evitar sobrecarga.

Sobrecarga excessiva pode levar à geração significativa de gás dentro de uma célula antes da célula entrar em uma condição de fuga térmica.

Em células com formatos prismáticos, e particularmente em células de lítio polímero que tem invólucros externos bastante finos, a geração de gás dentro da célula resultará em inchaço celular (figura 2) e pode forçar a separação dos eletrodos, reduzindo efetivamente a transferência de íons e interrompendo a corrente.

 

 

Figura 2 – Bateria de lítio polímero estufada

 

Esse processo pode impedir a fuga térmica das células, mas nem sempre é eficaz.

A geometria das células cilíndricas impede a separação dos eletrodos se ocorrer a geração de gás. Por essa razão, os projetistas de células desenvolveram dispositivos mecânicos de interrupção de corrente (CIDs) para células cilíndricas.

O dispositivo de interrupção de corrente (CID) é um dispositivo do tipo fusível que corta o circuito elétrico permanentemente quando acionado por pressão excessiva da célula, alta temperatura ou alta tensão, dependendo do projeto. Na Figura 1, o CID opera por pressão.

 

Quando a pressão interna excede determinado valor (1.000kPa - 150psi), o disco superior quebra, se separa da lâmina de conexão metálica e desconecta a corrente da célula. Isso também permite que o gás seja liberado.

Na ativação, os CIDs desconectam física e irreversivelmente a célula do circuito. Embora os CIDs sejam geralmente descritos como dispositivos de proteção contra sobrecarga, eles serão ativados se algo fizer com que a pressão interna da célula exceda o limite de ativação.

 

Isso pode incluir sobrecarga, superaquecimento celular, problemas nos componentes químicos da célula, curto-circuito interno leve e / ou descarga excessiva de células.

O projeto e a instalação adequados são necessários para uma operação confiável dos CIDs.

Os CIDs também devem ser específicos para cada química das células, para que as condições de sobrecarga resultem em geração de gás suficiente antes da fuga térmica para ativar o CID.

 

Se um CID não for específico para uma determinada química de célula, sobrecarga de corrente baixa ou correntes muito altas podem não ativar um CID com antecedência suficiente para evitar a fuga térmica da célula.

Devido ao seu design, os CIDs tradicionais podem não ser aplicáveis ??a células de taxa C muito alta, como as usadas em ferramentas elétricas, porque o design tradicional do CID não permitirá a transferência de correntes muito altas.

Além disso, os CIDs podem não ser apropriados para aplicação em grandes packs de baterias com muitas células em ligação paralela.

 

Em packs de baterias de 2 ou 3 células em paralelo, os CIDs geralmente funcionam como esperado e impedem uma falha nas células.

No entanto, é improvável que todos os CIDs em um grande pack de baterias com muitas células ligadas em paralelo sejam ativados simultaneamente; em vez disso, a ativação do CID ocorrerá em cascata, causando a aplicação de altas correntes excessivas nas células nas quais os CIDs não foram ativados.

A rápida aplicação de altas correntes pode levar as células à fuga térmica antes que seus CIDs possam ser ativados.

 

 - Placa Eletrônica PCM

 

Sistemas de gerenciamento de bateria (BMSs), ou como são menos comumente conhecidos, módulos de circuito de proteção (PCMs) ou placas de circuito de proteção (PCB), são circuitos que devem ser adicionados a uma bateria de lítio íon para proteger a saúde das células individuais na bateria e prolongar a sua vida útil.

Essas placas eletrônicas podem ser colocadas dentro de cada célula ou colocadas externamente, uma placa para cada pack de baterias.

 

Placas PCM controlam a carga e a descarga das baterias, otimizando sua utilização para aumentar a sua eficiência, segurança e vida útil.

A maioria das células encontradas no mercado não possuem placa PCM interna. As placas mais básicas têm pelo menos as seguintes funções:

 

 - Proteção contra sobre tensão na carga

 

Para garantir o uso seguro, as células de lítio-íon devem operar dentro de parâmetros de tensão muito rigorosos.

 Dependendo do fabricante e da composição química da célula, esse parâmetro de tensão máxima varia na carga entre 4,2 V por célula e 4,25 V por célula. 

A placa PCM monitora esses parâmetros de tensão e se forem excedidos, providencia a desconexão da bateria da carga ou do carregador.

 

 - Proteção contra subtensão na descarga

 

Para garantir o uso seguro, as células de lítio-íon nunca devem ser descarregadas abaixo da sua tensão mínima. Dependendo do fabricante e da composição química da célula, esse parâmetro de tensão mínima varia na descarga entre 3,0 V e 2,5 V por célula. 

A placa PCM monitora esses parâmetros de tensão e se forem excedidos, providencia a desconexão da bateria da carga ou do carregador.

 

 - Proteção contra sobre corrente na descarga

 

A placa monitora a corrente de descarga. Se essa corrente excede o valor especificado a placa interrompe o processo de descarga.

 

 - Proteção contra inversão de polaridade

 

Se a polaridade do carregador for invertida, a placa BMS interrompe o processo de carga.

Além dessas especificações mínimas existem placas BMS bem complexas que executam muitas outras funções de proteção:

 - Proteção contra sobre corrente na descarga

 

A corrente de carga não deve ser muito alta, normalmente abaixo de 0,7C.

 

 - Válvula de Pressão

 

A válvula de segurança libera gases em acúmulo de pressão excessiva a 3.000kPa (450psi). O último dispositivo de segurança é a válvula de pressão que libera gás durante uma anomalia e pode ser selada novamente.

No entanto, a pressão de uma célula em desintegração pode ser tão grande que os gases são incapazes de escapar de maneira ordenada e ocorre a emissão de chamas.

 

Importante: Nem todas as células possuem proteções integradas e a responsabilidade pela segurança, na sua ausência, cabe ao sistema de gerenciamento de bateria (BMS), externo à célula.