Áramkörvédelem akkumulátorüzemű rendszerekben

Ma a világ elektronikai és elektromos eszközállományában az akkumulátoros táplálásúak gyarapodnak a leggyorsabban. Ezek ugyan mentesek a hálózati táplálású eszközök számos biztonsági kockázatától, de az akkumulátorok használata számos más, sajátos veszélyforrást von maga után. Ezek kivédésére kínálnak megoldásokat a Mouser Electronics választékában található eszközök.

A technológia mobil használatát az akkumulátorok teszik lehetővé. A gyártók számos alkalmazási területen (táblagépek, mobiltelefonok, akkumulátoros szerszámok, e-biciklik és e-rollerek) a lítium-ion (Li-ion) -alapú megoldást részesítik előnyben; ennek tulajdonságai ugyanis lehetővé teszik, hogy a felhasználók az elvárt teljesítményt kapják eszközeiktől. Azonban közismert, hogy az ilyen típusú akkumulátorok kigyulladhatnak, ha túlhevülnek, vagy valamilyen sérülésből eredően zárlat keletkezik az eszköz belsejében lévő elektródák között. A tűzveszélyt csökkentheti az akkumulátorok és burkolatuk megfelelő tervezése, a hirtelen feszültség- és áramlökések vagy az elektrosztatikus kisülések okozta túlzott felhevülést pedig az elektronikus áramkörök védelme előzi meg hatásosan. Amennyiben a mérnökök tisztában vannak az elsődleges és másodlagos biztonsági kockázatokkal, és ismerik a hozzáférhető, védelemre szolgáló komponenseket, biztosíthatják alkalmazásaik biztonságos és megbízható működését.

A Li-ion akkumulátorok erősségei és veszélyei

A lítium-ion akkumulátorok kiemelkedő jellemzői közé tartozik a nagy energiasűrűség, a kis fajlagos tömeg, a gyors töltés, a nagy kimeneti teljesítmény, a hosszú élettartam és az alacsony önkisülés. Mindezek lehetővé teszik, hogy az akkumulátorüzemű szerszámgépek, háztartási eszközök, elektromos kerékpárok és rollerek hosszú üzemidőt biztosítsanak az egyes töltések között, gyorsan újratölthetők, alacsony súlyúak, jól manőverezhetők legyenek, alacsony karbantartási igény mellett.
Más részről viszont a Li-ion akkumulátorok túlmelegedhetnek, és éghető gázokat bocsáthatnak ki magukból, ami kigyulladhat, szélsőséges esetben akár fel is robbanhat. A túlmelegedés elsődleges oka az úgynevezett termikus megfutás, amit általában a pozitív és negatív elektródák közötti vékony dielektromos elválasztó réteg sérüléséből eredő zárlat okoz. Ezt okozhatja gyártási hiba, fizikai sérülés (kilyukadás, erős ütés), túlterhelés vagy töltés közben fellépő túlfeszültség. A magas környezeti hőmérséklet miatti túlhevülés szintén okozhat belső sérüléseket, és végső soron termikus megfutást. Az akkumulátorok biztonságos üzemének biztosítása érdekében létfontosságú az ilyen körülmények okozta termikus megfutás kialakulásának megakadályozása.

A túlmelegedés okai

Amennyiben az elválasztó réteg hatástalanná válik, a keletkező zárlat miatt jelentős áram folyik át a sérült területen, és egy helyi „forró pont” (hot spot) alakul ki az akkumulátor belsejében. Ha a hőmérséklet eléri a kritikus küszöbértéket (jellemzően 150...200 °C körül), az akkumulátorban termikus megfutás lép fel. A keletkező hő meghaladja az akkumulátor hőleadási képességét, így annak hőmérséklete meredeken emelkedni kezd. Ez az akkumulátor elektrolitjának lebomlásához vezethet, aminek során gyúlékony gáz szabadul fel. A tűzveszély mellett a felszabaduló gázok megnövelik az eszköz belső nyomását, ami további belső károsodást okoz, és megnöveli a kiszakadás vagy a robbanás kockázatát. A Li-ion akkumulátorok egyik jellemző biztonsági funkciója a szellőztetés, ami lehetővé teszi keletkező gázok távozását, és megakadályozza a nyomás jelentős megnövekedését. Ha viszont mindez gyújtóforrás (nyílt láng, szikra) közelében történik, a távozó gázok begyulladhatnak.
További potenciális túlmelegedést okozó tényező a magas környezeti hőmérséklet (az eszköz erős napsütésnek vagy egyéb hőforrásnak való kitettsége), illetve a rossz minőségű, hamisított, megfelelő biztonsági funkciókkal nem rendelkező, meghibásodásra hajlamos akkumulátorok használata.

Biztonsági szabványok és alkalmazandó intézkedések

Ezeknek a kockázatoknak a kizárására különböző beépíthető biztonsági funkciók állnak rendelkezésre, mint például a lángálló anyagok, elektronikus védőáramkörök és termikus biztosítékok használata. Szintén rendkívül fontos a vonatkozó használati irányelvek betartása.
A biztonsági és kockázatcsökkentő intézkedéseket a Li-ion akkumulátorokra vonatkozó szabványok és előírások fogalmazzák meg. Ezek közé tartozik az európai IEC 62133 szabvány, ami a zárt, másodlagos lítiumcellákra és -akkumulátorokra vonatkozóan határozza meg a mechanikai kialakítással, az ellenállósággal és az elektromos kockázatokkal kapcsolatos általános biztonsági megfontolásokat, egyebek közt a túlmelegedés vagy termikus megfutás megelőzése érdekében. Szintén megemlítendő az elektrosztatikus kisülések elleni védelemre vonatkozó IEC 61000-4-2, és az elektromos gyors tranziensekre (Electric Fast Transients – EFT) vonatkozó IEC 61000-4-4 immunitásvizsgálati szabvány. Az Egyesült Államok UL 2054 szabványa általánosságban vonatkozik a háztartási és kereskedelmi akkumulátorokra, az UL 1642 pedig kifejezetten a Li-ion cellákra. Ezek a szabványok kifejezetten a tűz és robbanás okozta sérülések kockázatának csökkentését célozzák.
Az ENSZ Vizsgálati és Kritériumok Kézikönyvének (UN/DOT 38.3) 38.3. alfejezete határozza meg a Li-ion akkumulátorok biztonságos szállítására vonatkozó követelményeket, beleértve azok csomagolását, a címkézését és a vizsgálati eljárásokat.

Elsődleges és másodlagos biztonság

A különböző biztonsági és kockázatcsökkentő megoldások (például töltésmérő áramköri elemek, töltést/kisütést vezérlő MOSFET-ek) jellemzően az akkumulátorok kezelőrendszereinek (Battery Management System – BMS) részeként kerülnek megvalósításra. Ezek a veszélyes állapotok megelőzését szolgáló elsődleges biztonsági funkcióknak tekinthetők. Az olyan beépített áramkörök, mint például egy feszültségszabályozó, biztosítják, hogy az akkumulátorra adott feszültségszint a biztonságos tartományban maradjon. Az akkumulátor kezelőrendszerének részeként áramerősség-korlátozó áramkörök és biztosítékok segítik megelőzni a túlságosan nagy töltési feszültséget, a gyártási hibákból eredő zárlatokat, a túlmelegedést, a túl magas kisütőáramot és a veszélyesen alacsony szintre történő kisütést.
A BMS-áramkörök az ismert veszélyek megelőzését célozzák, azonban másodlagos védelmi eszközök is szükségesek, amelyek a cellákat védik veszélyes körülmények kialakulásakor. Ezek alkalmazása cellaszinten, akkumulátorcsomag-szinten és töltőcsatlakozó-szinten egyaránt szükséges (1. ábra).

1. ábra A Li-ion akkumulátorokat fenyegető veszélyek és a védelmi hierarchia (Forrás: Littelfuse)

 
A túláram és a túltöltés elleni védelem cellaszinten megvalósítható egy olyan akkumulátor-kismegszakítóval, mint a Littlefuse MHP-TAT18 vagy egy PPTC-eszközzel, mint a PPTC LSP. Ezek „biztosítékként” építhetők be az akkumulátorkezelő IC-k és töltésmérők védelme érdekében. A kommunikációs interfész túláram és elektrosztatikus kisülés elleni védelmére a kompakt kialakítású Littelfuse zeptoSMDC PPTC egy szupresszor diódasorral is kombinálható.
Az akkumulátorcsomag szintjén a túláram és a túltöltés elleni védelemre a Littelfuse ITV akkumulátorleválasztókhoz hasonló eszközök használhatók. Ezek a hárompólusú, felületszerelhető eszközök beépített biztosítékot tartalmaznak, ami túláram esetében megszakítja az áramkört. Ezekben az ITV-védőeszközökben egy hőelem helyezkedik el közvetlenül a biztosítékelem alatt, ami a töltésmérő áramkör vagy egy töltés/kisülés MOSFET meghibásodása esetén kioldja a biztosítékot.

Csatlakozóvédelem

Számos Li-ion akkumulátortöltőben szabványos az USB-C csatlakozó használata, és az ilyen csatlakozók védelme kulcsfontosságú az általános eszközbiztonság szempontjából. Ezen az alkalmazási területen az eFuse eszközök (elektronikus biztosítékok) a hagyományos biztosítékok hatékonyságával képesek megszakítani az áramot, és visszaállítani, amennyiben a rendkívüli állapot megszűnik. Védelmet nyújtanak a túlterhelés, a zárlatok, a bemeneti túlfeszültség és a túlzott áramlökés veszélyeivel szemben. Szükség esetén – egy további külső MOSFET használatával – fordított áramirány elleni védelem is megvalósítható. Az eFuse használatával történő védelem olyan teljesítménybeli előnyöket biztosít, mint a veszélyes üzemi körülmények esetén történő gyors reagálás, illetve valós idejű diagnosztika, amiből az akkumulátor állapotára és a terhelésre vonatkozó információk nyerhetők ki.
A csatlakozók védelmét szolgáló hőmérséklet-ellenőrzés – olyan eszközök használatával, mint a Littelfuse setP™ hőmérsékletjelzők – ugyancsak megvalósítható. Ezeket a legalább 100 W-os teljesítményű rendszerek védelmére tervezték, és megfelelnek az USB-C típusú csatlakozók specifikus követelményeinek, és felhasználhatók rögzített Type-C kábellel ellátott USB-C csatlakozókhoz és töltőkhöz is. A Littelfuse setP hőmérsékletjelzők anélkül helyettesíthetik egy áramkorlátozó kapcsoló és PPTC-eszköz együttesét, hogy növelnék a rendszer I²R veszteségét.
Egy Li-ion akkumulátor és a hozzá tartozó áramkörök (beleértve az olyan külső csatlakozókat is, mint USB Type-C töltőcsatlakozó) teljes körű védelmének része az elektromos túlfeszültség és az elektrosztatikus kisülések (ESD) elleni védelem is. Egy olyan TVS-diódatömb, mint a Littelfuse SP1006-sorozat a szilícium-lavinatechnológiát alkalmazva biztosít védelmet a nagy energiájú túlfeszültségek ellen, és megfelel a vonatkozó IEC 61000-előírásoknak. Az ESD-védelem megfelel az IEC 61000-4-2 előírásoknak, akár ±30 kV érintkezési és elektrosztatikus kisülési védelemmel, valamint akár 40 A értékig biztosít védelmet a gyors tranziensek ellen, megfelelve az IEC 61000-4-4 előírásoknak, továbbá az IEC 61000-4-5 előírásoknak megfelelő védelmet nyújt a villámcsapások ellen. A 2. ábrán látható a cella, az akkumulátorcsomag és csatlakozó védelmét biztosító eszközök összeállítása.

2. ábra Másodlagos védelmi berendezések Li-ion akkumulátorokban történő alkalmazása (Forrás: Littelfuse)

Összefoglalás

A Lítium-ion akkumulátorok hordozható energiaforrást biztosítanak az olyan közkedvelt eszközökhöz, mint az akkumulátoros kéziszerszámok és a mobil kommunikációs berendezések. Ahhoz, hogy hosszan tartó teljesítményüket kiaknázhassuk, szükséges, hogy az akkumulátorcsomagban, és a külső csatlakozókban egyaránt megvalósuljanak a megfelelő biztonsági óvintézkedések, amelyek megvédik ezeket az eszközöket az akár tüzet vagy robbanást előidéző túlmelegedéstől. Túlmelegedést okozhat túl nagy töltési feszültség, a túlságosan gyors vagy túl nagy mértékű kisütés, a zárlat vagy a túlzott terhelőáram.
A védelmi eszközök megfelelő kombinációja a rendszer különböző szintjein a celláktól, az akkumulátorcsomagon és az akkumulátorkezelő rendszeráramkörökön keresztül a külső csatlakozókig képes védelmet nyújtani. Ezek között megtalálhatók az olyan ismert eszközök, mint az eFuse-ok, PPTC-k és a TVS-diódák, valamint a túláram- és túlfeszültségvédelmet egyesítő akkumulátorvédők, illetve áramkorlátozó és PPTC szerepet egyetlen eszközben egyesítő hőmérsékletjelzők.
A biztonsági szabványoknak való megfeleléssel, a megfelelő védőeszközök alkalmazásával, valamint az ajánlott töltési és használati előírások betartásával a Li-ion akkumulátorokkal kapcsolatos kockázatok hatékonyan kezelhetők, és így biztonságosan működtethetők.

Szerző: Mark Patrick –
Mouser Electronics

 Mouser Electronics
Hivatalos forgalmazó
www.mouser.com
Kövessen bennünket Twitteren is.