Sposoby ochrony akumulatorów litowo-jonowych

Chociaż technologia litowo-jonowa ma wiele zalet w porównaniu do innych typów akumulatorów, jej główną wadą jest niewielkie bezpieczeństwo użytkowania. Ogniwo litowo-jonowe pod wpływem wysokiej temperatury powstałej w wyniku niewłaściwej eksploatacji może eksplodować. W celu niedopuszczenia do tego typu zdarzenia w układzie zasilania bateryjnego implementuje się różnego typu zabezpieczenia, mające nadzorować poprawną pracę akumulatorów i w przypadku wykrycia nieprawidłowości zapobiec jej ewentualnym uszkodzeniom oraz zapewnić bezpieczeństwo użytkownikowi.

Na rysunku 1 przedstawiono typowy układ zarządzania pracą akumulatorów (BMS, Battery Management System) powszechnie wykorzystywany razem z ogniwami litowo-jonowymi. Najważniejszym zadaniem tego układu jest zapewnienie prawidłowego funkcjonowania źródła zasilania, a zatem również ochrona przed uszkodzeniem. Wymaga to monitorowania następujących parametrów akumulatora:

• Prąd rozładowania – jest to natężenie prądu wypływającego z akumulatora do obciążenia. Każdy rodzaj ogniw ma określoną maksymalną wartość prądu rozładowania, której przekroczenie grozi uszkodzeniem układu.
  
  
• Prąd ładowania – jest to natężenie prądu wpływającego do akumulatorów podczas ich ładowania. Podobnie jak w przypadku prądu rozładowania, każdy rodzaj ogniw ma określoną maksymalną wartość, której przekroczenie może spowodować uszkodzenie.
  
  
• Napięcie – poziom napięcia na poszczególnych ogniwach. Ogniwa litowo-jonowe mają dopuszczalny zakres napięć wyjściowych, którego nie należy przekraczać. Zbyt wysokie napięcie wyjściowe jest bardzo niebezpieczne i może szybko doprowadzić do eksplozji ogniwa.
  
  
• Temperatura – przekroczenie dopuszczalnego zakresu temperatury również może doprowadzić do niebezpiecznego zdarzenia. Typowy dopuszczalny zakres temperatur podczas rozładowywania akumulatorów wynosi od –20 do 60°C, zaś podczas ładowania 0–40°C.

 

Rys. 1. Typowy układ kontrolujący pracę baterii litowo-jonowych

Bezpieczeństwo

Jeśli układ sterujący wykryje przekroczenie dopuszczalnego zakresu przez którykolwiek z monitorowanych parametrów, powinno nastąpić bezzwłoczne odłączenie źródła zasilania. Poniżej omówiono najpopularniejsze sposoby odłączania akumulatorów od obciążenia – większość systemów sterowania wykorzystuje kombinację co najmniej dwóch różnych metod.

Termistor PTC – termistor o dodatnim współczynniku temperaturowym (PTC) włączany jest w obwód szeregowo. Wraz ze wzrostem natężenia prądu zwiększa się temperatura termistora, przez to zaś również jego rezystancja. Wzrost rezystancji ogranicza przepływ prądu, co chroni źródło zasilania przed przeciążeniem. Jest to jeden z najprostszych, najtańszych oraz najczęściej stosowanych sposobów ochrony akumulatorów litowo-jonowych. Niektóre ogniwa litowo-jonowe mają tego rodzaju zabezpieczenie wbudowane przez producenta.

 

Rys. 2. Termistor PTC połączony szeregowo z akumulatorem

Bezpiecznik – w zależności od rodzaju układu element ten pod wpływem wysokiego natężenia prądu lub temperatury aktywuje się i rozłącza obwód, bez możliwości jego ponownego uruchomienia. Urządzenia tego typu stosuje się zazwyczaj jako zabezpieczenie dodatkowe (ostatniej szansy), ponieważ na stałe odłącza źródło zasilania od obciążenia.

MOSFET – jednym z najpowszechniejszych sposobów odłączania źródła zasilania od obciążenia jest wykorzystanie tranzystorów MOSFET. Są one zazwyczaj podłączone i sterowane przez układy kontrolujące pracę akumulatorów. Układ taki monitoruje parametry pracy zasilania (napięcie na ogniwach, natężenie prądu zasilania, temperaturę) i w przypadku wykrycia jakiejkolwiek nieprawidłowości wystawia sygnał otwierający tranzystory MOSFET. Prąd zasilania może być dwukierunkowy (ładowanie lub rozładowywanie akumulatorów), zatem układy MOSFET umieszcza się w konfiguracji back-to-back, tak jak pokazano na rysunku 3.

 

Rys. 3. Tranzystory MOSFET w konfiguracji back-to-back

Jeśli zabezpieczenie to oparte jest na tranzystorach MOSFET z kanałem typu N (N-channel MOSFET) i umieszczone od dodatniej strony akumulatora, układ sterowania musi zawierać pompę ładunku w celu wygenerowania potencjału sterującego MOSFET wyższego od potencjału na dodatnim wyprowadzeniu źródła zasilania. Przy braku takiej możliwości dostępne są dwa rozwiązania:

Podłączenie MOSFET-a z kanałem typu N przy ujemnej stronie akumulatorów. Wadą tego rozwiązania jest konieczność poradzenia sobie z kłopotami związanymi z odłączeniem akumulatorów od masy w przypadku załączenia zabezpieczenia MOSFET-a.

Wykorzystanie MOSFET-a z kanałem typu P przy dodatniej stronie akumulatorów. MOSFET-y typu P są mniej powszechne niż typu N, mniejszy jest zatem wybór elementów, są one również zazwyczaj droższe.

Bezpiecznik pirotechniczny (chemical fuse) – tego typu bezpieczniki stosowane są jako forma ochrony przed zbyt wysokim napięciem (overvoltage). Bezpiecznik pirotechniczny (rys. 4) pracuje na takiej samej zasadzie jak zwykły bezpiecznik prądowy, ma jednak wbudowaną grzałkę, dzięki której może zostać aktywowany dodatkowym zewnętrznym sygnałem. Wyjście T3 (rys. 4) może zostać podciągnięte do masy, co wywoła załączenie grzałki i wysadzenie bezpiecznika. W obwodach ochronnych akumulatorów Li-Ion wyjście T3 podłączane jest zwykle do zapasowego układu ochrony przed przepięciem i aktywowane w przypadku wykrycia zbyt wysokiego napięcia na którymś z ogniw. Próg załączenia zapasowego układu ochronnego dobierany jest w taki sposób, aby załączał się on tylko w przypadku niezadziałania podstawowego zabezpieczenia. Aktywacja bezpiecznika pirotechnicznego powoduje trwałe przerwanie obwodu.

 

Rys. 4. Bezpiecznik pirotechniczny pracuje na tej samej zasadzie co zwyczajny bezpiecznik prądowy, jednak dzięki wbudowanej grzałce ma dodatkowo możliwość aktywacji zewnętrznym sygnałem sterującym

Przekaźnik/stycznik – kolejnym sposobem ochrony akumulatorów jest wykorzystanie przekaźnika/stycznika. Ta metoda szczególnie dobrze sprawdza się w przypadku dużych zestawów akumulatorów (np. w samochodach lub maszynach elektrycznych), ponieważ pozwala na przepływ prądów o wysokim natężeniu. Dodatkowo do sterowania tego typu zabezpieczeniem wystarcza sygnał niskonapięciowy, o wartości niezależnej od napięcia źródła zasilania.

Podsumowanie

Pomimo, że regularnie pojawiają się wiadomości o pożarach urządzeń wyposażonych w akumulatory litowo-jonowe, istnieje wiele sposób na skuteczną ochronę tego typu układów. Zdecydowanie zaleca się stosowanie nadmiarowych środków ochronnych poprzez korzystanie z wielu zabezpieczeń różnego typu. Absolutne minimum stanowi posiadanie przynajmniej dwóch niezależnych sposób na odłączenie zasilania w przypadku przepięcia lub przeciążenia prądowego, co pozwala zapewnić bezpieczeństwo użytkownikom nawet w przypadku awarii jednego z elementów ochronnych.

Damian Tomaszewski