سلامة بطاريات الليثيوم: الوقاية من الانفلات الحراري في حزم البطاريات

قد تفي حزمة البطارية بأهداف الجهد الاسمي والسعة، ومع ذلك تظل غير آمنة إذا عوملت الخلايا وإعدادات BMS والتبريد وتصميم الهيكل كقرارات منفصلة. الانفلات الحراري هو تفاعل ذاتي التسخين يمكن أن ينتقل من خلية إلى أخرى؛ والوقاية منه تتطلب وسائل تحكم تغطي الحزمة بأكملها، لا الاعتماد على ميزة حماية واحدة.

1. ابدأ بالخلية ونطاق التشغيل. تتمتع LiFePO4 عمومًا باستقرار حراري أكبر من كثير من كيميائيات أيونات الليثيوم الأعلى كثافةً للطاقة، لكنها ليست بمنأى عن ارتفاع الحرارة أو القصر الداخلي أو الحريق. حدّد طراز الخلية وكيميائيتها بدقة، ودرجات حرارة الشحن والتفريغ المسموح بها، وحدود الجهد، ومعدل C الأقصى المستمر والذروي، وعمر الدورة المتوقع عند DoD المستهدف. لا تطبق حدود خلية أو كيمياء مختلفة.

طابق قدرة الخلية مع الاستخدام الفعلي. فقد تقضي بطارية احتياطية للاتصالات معظم عمرها التشغيلي عند SOC مرتفع وتُفرّغ نادرًا، بينما قد تعمل حزمة تخزين الطاقة الشمسية بدورات يومية، وقد يحتاج UPS إلى قدرة تفريغ عالية لفترة قصيرة. وقد تضيف التطبيقات البحرية وتطبيقات الدفع اهتزازًا وصدمات ورطوبة وظروف تهوية متغيرة. يؤثر كل نمط استخدام في التصميم الحراري والكهربائي.

2. اجعل BMS طبقة حماية منسقة. ينبغي أن يقيس BMS كل خلية أو مجموعة خلايا حسب الحاجة، ويراقب تيار الحزمة ودرجة حرارتها، ويقدّر SOC وSOH، ويتخذ إجراءً عند تجاوز حدود الجهد المرتفع أو المنخفض، والتيار الزائد، ودرجة حرارة الخلايا. تحقّق من أن المستشعرات تغطي النقاط المحتمل ارتفاع حرارتها، وأن BMS قادر على فصل الشحن والأحمال عند الضرورة. لا يشكل ظهور إنذار وحده حماية ما لم يؤدِّ إلى استجابة محددة.

اضبط العتبات وفق حدود الشركة المصنّعة للخلايا، ثم تحقّق من صحتها في الحزمة النهائية. أدرج هوامش لدقة المستشعر، وتأخر القياس، واستجابة الكونتاكتور أو MOSFET، وعابرات الحمل المتوقعة. تأكد من منع الشحن خارج نطاق درجة الحرارة المسموح به، بما في ذلك الشحن في الطقس البارد، ومن بقاء سلوك النظام عند الأعطال محددًا بعد تعطل مستشعر أو وصلة اتصال أو مصدر طاقة التحكم.

تشمل فحوصات التصميم المفيدة ما يلي:

- طابق حدود جهد الخلية وحرارتها وتيارها مع ورقة بيانات الخلية المختارة.

- تحقّق مما إذا كان BMS يقطع الشحن والتفريغ عند الأعطال ذات الصلة.

- راجع قيم المصهر أو قاطع الدائرة، وقدرة القطع، ومقاسات الكابلات، ومقاومة التوصيلات.

- تحقّق من مواضع مستشعرات الحرارة، وفحوصات معقولية القراءات، والاستجابة عند فصل مستشعر.

- حدّد الإنذارات وسلوك الإيقاف وشروط إعادة التشغيل وتسجيل الأعطال لمكامل النظام.

3. قلّل احتمال أن يؤدي العطل إلى انتشار الخطر. استخدم قضبان التوصيل والكابلات والعزل ومسافات الزحف والخلوصات الملائمة لأقصى جهد وتيار عطل. احمِ الأطراف من التلامس العرضي والحطام الموصل للكهرباء. يجب أن تمنع وسائل التثبيت الميكانيكي حركة الخلايا دون إتلافها، وأن يراعي الهيكل الاهتزاز والصدمات والتعرض للماء أو الغبار وسهولة الوصول للصيانة. ينبغي تقييم الحواجز الحرارية والتباعد ومسارات التنفيس وترتيب الحزمة معًا؛ إذ قد يؤدي إحكام إغلاق الحزمة دون مراعاة الضغط والتنفيـس إلى مخاطر إضافية.

توضح مقارنة عملية سبب عدم كفاية التصنيفات وحدها لحسم التصميم. لنفترض حزمتي LiFePO4 توضيحيتين من فئة 48 V لخزانة اتصالات أو UPS: تستخدم الحزمة A مجموعة خلايا بسعة 100 Ah، وحد تفريغ مستمرًا قدره 0.5C، ومراقبة للحرارة عند الأطراف فقط؛ أما الحزمة B فتستخدم مجموعة خلايا بسعة 100 Ah، وحدًا مستمرًا قدره 1C تدعمه مواصفات الخلايا، واستشعارًا موزعًا للحرارة، واستراتيجية منسقة لـ BMS والمصاهر. يمكن للحزمة B تقديم قدرة أعلى، لكن ذلك لا يجعلها أكثر أمانًا تلقائيًا. فإمكانها التعامل مع تيار أعلى يستلزم التحقق من قضبان التوصيل والتوصيلات وارتفاع الحرارة والقطع وسلوك الهيكل. هذه الأرقام أمثلة وليست حدود تصميم عامة.

4. تحقّق من المنتج الكامل وتركيبه. اختبر التشغيل العادي ضمن نطاق درجات الحرارة المحيطة والأحمال المحدد، ثم تحقّق من استجابات الحماية للأعطال المحتملة، بما في ذلك ارتفاع الحرارة والتيار الزائد والجهد غير الطبيعي وتعطل المستشعر. راجع سلوك الخلايا والهيكل أثناء الأحداث الحرارية، وقدرة التركيب على اكتشاف العطل أو عزله أو احتوائه. تأكد من توافق إعدادات الشاحن وحدود العاكس والأسلاك والتهوية والمعدات المجاورة مع تهيئة النظام المعتمدة.

تتناول اختبارات الاعتماد والنقل مسائل مختلفة. ينطبق UN38.3 على اختبارات نقل خلايا وبطاريات الليثيوم، ولا يغني عن تقييم سلامة المنتج على مستوى النظام. تتناول IEC 62619 متطلبات السلامة لخلايا وبطاريات الليثيوم الثانوية في التطبيقات الصناعية، بينما ينطبق UL 1973 على البطاريات المستخدمة في تطبيقات الطاقة المساعدة الثابتة وتطبيقات الدفع. اختر المعايير المنطبقة وفق فئة المنتج والسوق والتركيب، وتحقق من النطاق الدقيق للشهادة والتهيئة التي خضعت للاختبار.

وثّق مبررات السلامة لأغراض الشراء والتكامل. اطلب من الموردين تعريفًا قابلًا للتتبع للخلايا، ومواصفات الحماية في BMS، وتقارير الاختبار للتهيئة المعروضة، وحدود التشغيل، وتعليمات التركيب، وإجراءات ضبط التغيير. قد يؤثر استبدال الخلايا أو تغيير البرامج الثابتة أو تعديل أعداد الخلايا على التوالي أو التوازي أو تعديل الهيكل في الأداء الذي تم التحقق منه؛ لذا اشترط المراجعة وإعادة الاختبار عندما تغيّر التعديلات خصائص مهمة للسلامة.

للحصول على حزمة مخصصة، شارك ملف الحمل، والتيار الأقصى ومدته، ومصدر الشحن، ونطاق درجة الحرارة المحيطة، واتجاه التركيب، وقيود الهيكل، ومتطلبات الاتصال، والمعايير المستهدفة قبل اعتماد التصميم نهائيًا. يمكن لـ Newbeebattery العمل كشريك OEM/ODM لتصنيع حزم مخصصة، ومواءمة اختيار الخلايا وتهيئة BMS والتصميم الميكانيكي والتحقق من الملاءمة مع التطبيق.

تعتمد سلامة بطاريات الليثيوم على التحكم في الطاقة ودرجة الحرارة والتيار وانتشار الأعطال بوصفها منظومة واحدة. ويقلل المشترون المخاطر بتحديد حدود ملائمة للتطبيق، وفحص BMS ووسائل الحماية الميكانيكية، والتحقق من الحزمة النهائية وتركيبها وفق المتطلبات ذات الصلة.